Thứ Ba, 17 tháng 7, 2018

CÂU CHUYỆN KHOA HỌC 98

(ĐC sưu tầm trên NET)
 
Những khám phá kì diệu về THỜI GIAN
Thời gian trôi qua từng giây trong cuộc sống của chúng ta theo những cách làm chúng ta khó có thể tưởng tượng được. Nhưng thời gian là gì? Đây là lần khám phá để tìm hiểu thời gian và vị trí chúng ta ở đó. Điều gì làm chúng ta có khái niệm về thời gian? Chúng ta hãy bắt đầu bằng việc theo dấu cuộc hành trình xuyên vũ trụ để tìm kiếm điểm khởi đầu và kết thúc của thời gian. Đây là cuộc hành trình khám phá những điều khác thường. Chúng ta càng hiểu nhiều về thời gian bao nhiêu thì càng phát hiện được rằng chính thời gian làm con người trở nên đặc biệt. 

Hãy tưởng tượng nếu thời gian chạy ngược, con người sẽ trẻ dần thay vì già đi, và sau một thời gian trẻ hóa dần dần, cuộc đời của họ sẽ kết thúc trong rưng rưng nước mắt của bố mẹ. Đó là thời gian được miêu tả trong một cuốn tiểu thuyết của nhà văn khoa học viễn tưởng Philip K Dick. Nhưng, ngạc nhiên thay, chiều của thời gian lại cũng là một vấn đề khiến các nhà vũ trụ học phải đau đầu.
Trong khi chúng ta thừa nhận rằng thời gian có một chiều nhất định, thì các nhà vật lý lại nói không: Hầu hết các định luật vật lý đều phải "quay ngược thời gian", có nghĩa là họ sẽ chỉ làm việc với thời gian được định nghĩa chạy ngược về quá khứ.
Vậy tại sao thời gian lại luôn luôn tiến tới? Và có phải nó sẽ luôn luôn như vậy?
Vật Lý Thiên Văn - Chia sẻ niềm đam mê!
Hình 1: Bầu trời đêm có thể nói cho chúng ta biết một chút về thời gian. Ảnh: Internet.

Thời gian có điểm khởi đầu hay không?

Bất cứ khái niệm phổ quát nào của thời gian cuối cùng cũng phải dựa trên chính sự phát triển của vũ trụ. Khi bạn nhìn vào vũ trụ, bạn đang thấy các sự kiện đã diễn ra trong quá khứ, bởi ánh sáng cần thời gian để đến với chúng ta. Trong thực tế, thậm chí việc quan sát đơn giản nhất cũng có thể giúp chúng ta hiểu về thời gian vũ trụ: lấy ví dụ thực tế là bầu trời đêm tối. Nếu vũ trụ có một quá khứ vô hạn và vô biên, thì bầu trời đêm sẽ phải hoàn toàn sáng do được lấp đầy bởi ánh sáng từ vô số các vì sao trong vũ trụ đã luôn luôn tồn tại.
Trong một thời gian dài, các nhà khoa học, kể cả Albert Einstein, nghĩ rằng vũ trụ là tĩnh lặng và vô hạn. Các quan sát sau này đã chỉ ra rằng vũ trụ thực ra đang giãn nở, và thậm chí là đang giãn nở ngày càng nhanh hơn. Điều này có nghĩa là nó phải có nguồn gốc từ một trạng thái nhỏ gọn mà chúng ta gọi là Vụ Nổ Lớn (Big Bang), ngụ ý rằng thời gian có điểm khởi đầu. Trong thực tế, nếu chúng ta quan sát ánh sáng có tuổi đời đủ cao, chúng ta thậm chí có thể nhìn thấy các bức xạ tàn dư từ Vụ Nổ Lớn - bức xạ nền vũ trụ (cosmic microwave background - CMB). Nhận thức này là bước đầu tiên để xác định tuổi của vũ trụ.
Nhưng có một trở ngại, thuyết tương đối đặc biệt của Einstein chỉ ra rằng thời gian là ... tương đối! Nếu bạn di chuyển càng nhanh đến tôi, thời gian của bạn sẽ trôi qua chậm hơn tương đối với nhận thức của tôi về thời gian. Do đó trong vũ trụ của các thiên hà đang di chuyển xa nhau, các ngôi sao quay quanh nhau và các hành tinh đang quay, thực nghiệm về thời gian cũng khác nhau: Quá khứ, hiện tại, và tương lai của mọi thứ là tương đối.
Vậy liệu có một thời gian phổ quát mà tất cả chúng ta đều thừa nhận hay không?
Bởi vì vũ trụ về bình diện là như nhau ở mọi nơi, và nhìn chung là giống nhau ở mọi hướng, nên có tồn tại một "thời gian vũ trụ". Để đo được nó, tất cả những gì chúng ta phải làm là đo đạc các tính chất của bức xạ nền vũ trụ. Các nhà vũ trụ học đã dùng điều này để xác định tuổi của vũ trụ và xác định rằng, vũ trụ có khoảng 13.799 tỷ năm tuổi.
Vật Lý Thiên Văn - Chia sẻ niềm đam mê!
Hình 2: Dòng thời gian của vũ trụ. Design Alex Mittelmann, Coldcreation/wikimedia, CC BY-SA

Mũi tên thời gian

Chúng ta biết thời gian rất có thể bắt đầu từ Vụ Nổ Lớn. Nhưng có một câu hỏi dai dẳng vẫn tồn tại: Thời gian chính xác nó là gì?
Để giải đáp câu hỏi này, chúng ta phải nhìn vào tính chất cơ bản của không gian và thời gian. Trong chiều của không gian, bạn có thể di chuyển tới hoặc lùi; tất cả mọi người đều trải nghiệm việc di chuyển này hàng ngày. Nhưng thời gian thì khác, nó có một chiều mà thôi, bạn luôn luôn phải đi tới, không bao giờ quay lại được. Vậy rại sao chiều thời gian lại không thể quay ngược? Đây là một vấn đề lớn chưa được giải quyết của vật lý.
Để giải thích tại sao bản thân thời gian là không thể đảo ngược, chúng ta cần phải tìm đến các quá trình trong tự nhiên đồng thời cũng không thể đảo ngược. Một trong những khái niệm vật lý (và cuộc sống!) là mọi thứ có xu hướng bớt "gọn gàng" khi thời gian trôi qua. Chúng ta mô tả điều này bằng một tính chất vật lý gọi là entropy, thứ đang mã hóa cách mà mọi thứ được xếp đặt.
Hãy tưởng tượng một hộp chứa chất khí, trong đó tất cả các hạt ban đầu được đặt ở một góc (một trạng thái trật tự). Theo thời gian chúng sẽ tự nhiên tìm cách lấp đầy chiếc hộp (một trạng thái rối loạn). Để đưa các hạt này trở lại trạng thái trật tự sẽ cần đến năng lượng. Điều này gọi là không thể đảo ngược. Nó giống như đập vỡ một quả trứng để làm món trứng tráng, một khi quả trứng đã lan ra và tràn vào chảo, nó sẽ không bao giờ quay lại hình dạng của quả trứng nữa. Cũng tương tự với vũ trụ: khi vũ trụ phát triển, entropy tổng thể sẽ tăng lên.
Hóa ra entropy là một cách khá tốt để giải thích mũi tên thời gian. Và trong khi vũ trụ có vẻ như đang trở nên trật tự hơn - ví dụ là khi nó đi từ sự rối loạn trong giai đoạn đầu hình thành các ngôi sao, các hành tinh đến giai đoạn có vẻ trật tự hiện nay - thì vũ trụ vẫn có thể có khả năng gia tăng sự rối loạn. Bởi vì lực hấp dẫn liên quan đến các khối lượng lớn có thể kéo vật chất vào trạng thái gần như trật tự mà chúng ta vẫn thấy, thì với sự gia tăng rối loạn mà chúng ta đang nghĩ phải xảy ra bằng cách nào đó ẩn giấu trong trường hấp dẫn. Do đó sự rối loạn có thể tăng lên cho dù chúng ta không nhìn thấy được.
Nhưng với xu hướng của tự nhiên thiên về sự rối loạn, tại sao vũ trụ lại bắt đầu từ trạng thái ổn định ban đầu? Điều này vẫn được xem là một bí ẩn. Một số nhà nghiên cứu cho rằng Vụ Nổ Lớn có thể không phải là sự bắt đầu, mà trong thực tế có thể có các "vũ trụ song song", nơi mà thời gian chạy theo các hướng khác nhau.
Vật Lý Thiên Văn - Chia sẻ niềm đam mê!
Hình 3: Thật không may, mọi thứ không tự dọn dẹp ngăn nắp được. Credit: Alex Dinovitser/wikimedia, CC BY-SA

Thời gian có kết thúc hay không?

Thời gian có điểm khởi đầu, nhưng liệu nó sẽ có kết thúc hay không tùy thuộc và bản chất của năng lượng tối đang khiến cho vũ trụ giãn nở ngày càng nhanh. Sự gia tăng của quá trình giãn nở này có thể cuối cùng sẽ xé toạc vũ trụ, buộc vũ trụ phải kết thúc bằng một Vụ Xé Lớn (Big Rip); khả năng khác là năng lượng tối có thể phân rã, đảo ngược vũ trụ trở lại Vụ Nổ Lớn và vũ trụ kết thúc bằng một Vụ Co Lớn (Big Crunch); hoặc vũ trụ đơn giản là sẽ giãn nở mãi mãi.
Nhưng liệu những viễn cảnh này có kết thúc thời gian? Theo các định luật kỳ lạ của cơ học lượng tử, các hạt ngẫu nhiên nhỏ xíu có thể trong giây lát bật ra khỏi chân không - một thứ gì đó nhìn thấy liên tục trong các thí nghiệm vật lý hạt. Một số cho rằng năng lượng tối có thể khiến các "thăng giáng lượng tử" này tạo nên một Vụ Nổ Lớn mới, kết thúc dòng thời gian của chúng ta và bắt đầu một dòng thời gian mới. Trong khi điều này là rất lý thuyết và không chắc chắn, thì thứ chúng ta biết hiện nay là: chỉ khi chúng ta hiểu được năng lượng tối thì chúng ta sẽ biết được số phận của vũ trụ.
Vậy kết quả sẽ là gì? Chỉ có thời gian mới trả lời được.
Nguồn: iflscience.com

Thời gian là gì, Thế giới sẽ ra sao nếu không có thời gian?

thời gian là gì
Nếu không có thời gian thế giới sẽ ra sao? (Shutterstock)

Thời gian là gì, nếu không có thời gian chúng ta sẽ ra sao…câu hỏi này chắc hẳn từng xuất hiện ít nhất 1 lần trong tâm trí của nhiều người, và nó cũng là vấn đề thu hút sự quan tâm nghiên cứu của khoa học từ rất lâu.

Bạn có thể biến một quả trứng thành món trứng tráng, nhưng bạn không thể biến món trứng tráng thành một quả trứng. Hãy dành một ít phút để suy nghĩ về ý nghĩa của điều đó trong việc hình thành nên một định nghĩa về thời gian.
Nhạc sĩ người Canada Sam Roberts hát rằng “Thời gian là một con cá da trơn”. Chắc chắn con người vẫn khó mà nắm bắt được khái niệm đầy đủ về thời gian. Các triết gia và thậm chí giới ngôn ngữ học định nghĩa về thời gian nhiều hơn là những nhà vật lý.
Chúng ta hãy thử tìm hiểu một số nỗ lực để ráp các khái niệm về thời gian và một số hiện tượng thú vị về thời gian, đồng thời nhìn vào thế giới khi không có thời gian.
 
Đổ lỗi cho thời gian về sự bừa bộn
Trong những năm 1870, nhà vật lý người Áo Ludwig Boltzmann đã kết hợp thời gian với sự lộn xộn. Nhà vật lý học Sean Carroll giải thích trong một cuộc phỏng vấn với Wired năm 2010: “Nếu bạn sắp xếp gọn gàng giấy tờ trên bàn và bỏ đi thì bạn không hề ngạc nhiên khi thấy chúng biến thành một mớ hỗn độn. Bạn chỉ rất ngạc nhiên nếu mớ hỗn độn biến thành những giấy tờ được xếp chồng lên nhau gọn gàng”.
“Về cơ bản, vũ trụ mà chúng ta đang biết có từ khoảng 13,7 tỷ năm trước đây trong trạng thái sắp xếp tinh tế… Vũ trụ giống như một món đồ chơi quay vòng lên suốt 13,7 tỷ năm qua và cuối cùng sẽ quay xuống chẳng vì lý do gì”.
 
Thời gian là chiều thứ 4 (4-D)
Albert Einstein đã hình dung không gian-thời gian là một chiều thứ tư, tách biệt với không gian ba chiều của chúng ta. 
thời gian là gì
Albert Einstein (Oren Jack Turner)
 
Kết thúc thời gian
Tiến sĩ Julian Barbour, một nhà vật lý độc lập và là một nhà văn cho rằng bước lớn tiếp theo trong vật lý có thể là sự kết thúc của thời gian.
Ông viết trong cuốn sách “Kết thúc thời gian” rằng: “Sự thống nhất giữa thuyết tương đối và cơ học lượng tử nói chung cũng có nghĩa là kết thúc thời gian. … Chúng ta sẽ thấy rằng thời gian không tồn tại”.
“Chắc chắn nhiều người sẽ cho rằng thời gian không tồn tại là điều vớ vẩn. Tôi không phủ nhận hiện tượng đầy quyền năng mà chúng ta gọi là thời gian. Nhưng liệu thời gian có giống như vẻ ngoài của nó? Rốt cục, Trái đất dường như là phẳng. Tôi tin rằng hiện tượng này về bản chất là rất khác, khi hiện diện trước mặt bạn bởi tôi nghĩ nếu không đề cập đến từ “thời gian”, bạn sẽ không có cơ hội mà gọi lên từ ‘thời gian”.
Ông viết: “Ở cấp độ cá nhân, suy nghĩ về những điều này đã thuyết phục tôi rằng chúng ta nên trân trọng hiện tại. Hiện tại chắc chắn tồn tại, và có lẽ còn tuyệt vời hơn những gì chúng ta nhận thấy”.
Thế giới sẽ ra sao nếu không có thời gian? “Tất cả chúng ta sẽ không đột nhiên cảm thấy rằng dòng chảy của thời gian đã ngừng lại”, Tiến sĩ Barbour viết. “Ngược lại, những nguyên tắc vô thời gian mới sẽ giải thích lý do tại sao chúng ta cảm thấy thời gian trôi qua”.
“Giờ tôi nghĩ chúng ta nên… tiến xa hơn, đến một thực tế sâu xa rằng không có gì, dù là Thiên đường hay Trái đất chuyển động. Chỉ có sự tĩnh lặng ngự trị”. 
 
Nhận thức đóng vai trò ? Liệu có nền văn hóa nào không có khái niệm về thời gian?
Theo một báo cáo của National Geographic, thời gian không chuyển động cùng với con người theo nghĩa đen. Nếu đồng hồ cực kỳ chính xác được đặt ở mỗi tầng trong một tòa nhà cao tầng, chúng sẽ hiển thị thời gian chuyển động chậm hơn ở các tầng thấp so với ở các tầng trên. Sự khác biệt là phút, phần tỷ của một giây.
Việc nhận thức về thời gian có thể sản sinh ra những sự khác biệt lớn.
 
Bộ tộc Amondawa không có khái niệm ‘Thời gian’
Bộ tộc Amondawa của Amazon có một quan niệm độc đáo về thời gian. Họ không có khái niệm về các sự kiện là trong quá khứ hay ở tương lai xa. Họ không có từ nào cho “thời gian”, và cũng không có những từ cho các đơn vị thời gian, chẳng hạn như “tháng” hay “năm”.
“Thực sự chúng tôi không nói đây là một ‘tộc người không có thời gian’ hay “nằm ngoài thời gian”, Chris Sinha, giáo sư tâm lý ngôn ngữ tại Đại học Portsmouth ở Anh, cho biết trong một cuộc phỏng vấn năm 2011 với BBC. “Người Amondawa, giống như bất kỳ người nào khác, có thể nói chuyện về các sự kiện và trình tự của các sự kiện”.
“Điều mà chúng tôi không tìm thấy là một khái niệm thời gian độc lập của các sự kiện đang xảy ra; họ không có một khái niệm thời gian để mô tả sự kiện xảy ra trong đó”.
 
Dân Mỹ bản địa Hopi
thời gian là gì
Vũ công người Mỹ bản địa Hopi tại vườn quốc gia Grand Canyon qua Shutterstock
Nhà ngôn ngữ học Benjamin Lee Whorf (1897-1941) là một người ủng hộ nhiệt tình thuyết thời gian tương đối. Ông đã viết trong bài “Khoa học và Ngôn ngữ học”: ngôn ngữ của người dân Mỹ bản địa Hopi” có thể được gọi là ngôn ngữ vô thời gian… [Nó] không phân biệt giữa hiện tại, quá khứ và tương lai của chính các sự kiện”.
Tuyên bố của Whorf sau đó đã gây ra tranh cãi, nhưng nhiều nhà ngôn ngữ học đã đồng ý rằng ít nhất ngôn ngữ Hopi xem thời gian hơi khác so với các ngôn ngữ Ấn-Âu.
Trung Quốc không có các thì hiện tại, quá khứ, và tương lai, nhưng họ có các từ ngữ để chỉ thời gian, chẳng hạn như “sớm hơn” và “sau đó”.  Ngôn ngữ học được phân chia dựa trên ngôn ngữ của một người có xác định một cách chính xác lối suy nghĩ của anh ta/cô ta hay không.
 
Người châu Phi có nhìn vào tương lai?
Triết gia người Kenya J.S. Mbiti, 82 tuổi, đã lập luận rằng sự hiểu biết của người châu Phi về thời gian có thể tác động tiêu cực đến sự tiến bộ của châu lục này.
Moses Oke đã trích dẫn lời ông trong Quest – tờ báo Triết học của châu Phi: “Trong tư tưởng châu Phi truyền thống, không có khái niệm về lịch sử chuyển động “về phía trước” hướng tới một đỉnh tương lai… Vì vậy, người dân châu Phi không có “niềm tin vào sự tiến triển”, ý tưởng về sự phát triển các hoạt động của con người và những thành tựu chuyển động từ mức thấp đến một mức độ cao hơn. Người dân không lập kế hoạch cho tương lai cũng không “xây lâu đài trong không khí”.
thời gian là gì
Thánh Augustine, tác phẩm của Justus van Gent năm 1474, hiện trưng bày tại Bảo tàng Louvre.
Mbiti cho biết, người châu Phi có thể hiểu được sự thay đổi của các mùa và các sự kiện tất yếu khác giống như thế, nhưng tư tưởng về việc lập kế hoạch dài hạn hoặc nhìn xa hơn vào tương lai lại không tồn tại. Ông nói rằng ý kiến ​​của mình không đầy đủ và cần phải phân tích thêm, nhưng ông cho rằng việc giúp đỡ người châu Phi hiểu khái niệm về tương lai khác nhau có thể giúp châu lục này phát triển.
Biên dịch từ The Epoch Times

Giải mã những bí ẩn của thời gian

Trả lời câu hỏi “Thời gian là gì?”, từ thế kỉ thứ V, Thánh Augustine, nhà thần học lừng danh, đã viết: “Nếu không ai hỏi, thì tôi biết; nếu tôi muốn giải thích cho một người hỏi, thì tôi không biết”. Khi được hỏi Thượng Đế tạo ra vũ trụ và thời gian như thế nào, ông nói, Thượng Đế tạo ra vũ trụ không phải trong thời gian mà cùng với thời gian.
Không có gì ám ảnh con người hơn thời gian, đơn giản vì sự sống và cái chết gắn bó với thời gian. Ước mơ trường sinh, khả năng luân hồi, thiên đường và địa ngục, linh hồn bất tử... được sử dụng như những cách thức để vượt qua nỗi sợ hãi trước thời gian. Và thật lạ lùng, mặc cho những bước tiến khổng lồ của khoa học, nhận thức của chúng ta về thời gian chưa vượt qua Thánh Augustine mười sáu thế kỉ trước.
Dong-ho-da.jpg

Thời gian là gì?

Đối với nhà vật lý (thông thường), thời gian là cái mà một đồng hồ chính xác đo được. Với nhà toán học, đó là không gian một chiều, được xem là liên tục, nhưng có thể được chia thành các “thời khắc”, giống như từng tấm ảnh trong một cuộn phim. Với số đông, thời gian là cái luôn trôi từ quá khứ qua hiện tại để tới tương lai. Trong thuyết Tương đối, thời gian là chiều thứ tư của vũ trụ, nhưng điều đó không có nghĩa nó đồng nhất với ba chiều không gian, vì công thức tính khoảng cách không thời gian khác công thức tính khoảng cách không gian. Sự phân biệt không gian và thời gian là bệ đỡ cho quan hệ nhân quả, vốn có vai trò thiết yếu trong vận hành vũ trụ. Tuy nhiên, một số nhà vật lý tin rằng, ở thang bậc Planck (10-33 cm và 10-43 giây), là thang bậc nhỏ nhất còn có ý nghĩa vật lý, có thể không gian và thời gian không còn chia tách với nhau.


Ảo giác dòng thời gian

Dong-ho-co-khi-dau-tien.jpg
Thật lạ là khái niệm dòng thời gian rất quen thuộc trong cuộc sống hàng ngày lại gây tranh cãi mãi không thôi giữa các nhà tư tưởng. Khái niệm dòng liên quan với vận động. Không có vấn đề gì khi ta nói tới chuyển động của một đối tượng vật lý, như một mũi tên đang bay về đích chẳng hạn. Ta có thể theo dõi sự thay đổi vị trí không gian của nó trong quá trình vận động qua việc xác định tốc độ và gia tốc bay. Ta thường nói vũ trụ vận động hay biến đổi đối với thời gian. Vậy thời gian biến đổi đối với cái gì? (Vì vận động là tương đối, nên ta phải xác định hệ qui chiếu đối với một vận động bất kì). Trong khi mọi dạng vận động khác đều tạo ra mối liên hệ giữa các quá trình vật lý khác nhau, dòng thời gian lại liên hệ thời gian với chính nó. Khi được hỏi: “Mũi tên bay nhanh như thế nào?”, ta có thể nói, chẳng hạn: “Với tốc độ 200 km/giờ”. Nhưng không ai hỏi: “Thời gian trôi nhanh như thế nào?”; vì câu trả lời: “Với tốc độ một giây trên một giây” hoàn toàn vô nghĩa.
Hãy khảo sát cách lập luận mà các nhà triết học Hy Lạp cổ Parmenides và Zeno, cũng như nhà triết học Anh thế kỉ XIX McTaggart, đã dùng. Giả thuyết Alice hy vọng một Giáng sinh có tuyết, nhưng cô thất vọng vì hôm đó trời mưa; tuy nhiên hôm sau cô vui vì trời đổ tuyết. Ta có thể đặt mối liên hệ giữa dòng thời gian với trạng thái tinh thần của cô gái như sau:
Ngày 23-12: Alice hy vọng ngày Giáng sinh có tuyết.
Ngày 24-12: Alice thất vọng vì trời mưa.
Ngày 25-12: Alice vui vì trời đang đổ tuyết.
Trong mô tả trên, không có gì vận động hay biến đổi cả, đó chỉ là trạng thái cụ thể của thế giới tại các ngày khác nhau (mà ta gọi là chuỗi sự kiện A) và trạng thái tinh thần của Alice liên quan với chúng (ta gọi là chuỗi sự kiện B).
Rõ ràng là từng chuỗi sự kiện mô tả chân xác hiện thực, đồng thời chúng lại mâu thuẫn nhau. Chẳng hạn, sự kiện “Alice thất vọng” ban đầu ở thời tương lai, sau đó ở thời hiện tại, rồi trở thành quá khứ. Nhưng quá khứ, hiện tại và tương lai là các phạm trù loại trừ nhau, vậy tại sao một sự kiện đơn nhất lại có thuộc tính của cả ba? McTaggart dùng nghịch lý đó để xem thời gian không có thật. Tuy nhiên phần lớn giới vật lý đặt vấn đề ít nghiêm trọng hơn: dòng thời gian không có thật, nhưng bản thân thời gian thì có thật, giống như không gian.

Mũi tên thời gian

Ảo giác dòng thời gian liên quan với khái niệm mũi tên thời gian. Tuy bác bỏ dòng thời gian, nhưng giới vật lý chấp nhận mũi tên thời gian (chỉ hướng từ quá khứ qua hiện tại tới tương lai), cũng như xem việc phân biệt “quá khứ” và “tương lai” là có cơ sở vật lý. Hawking đã luận giải rất sâu sắc vấn đề này trong tác phẩm Lược sử thời gian: Từ vụ nổ lớn tới lỗ đen, xuất bản từ 1988.
Nói chung, các sự biến vũ trụ sắp xếp theo thứ tự một chiều. Như gương rơi xuống sàn sẽ vỡ thành từng mảnh, còn quá trình ngược lại – các mảnh vỡ từ sàn bay lên ghép lại thành gương – chưa từng xẩy ra. Đó là bằng chứng trực tiếp và rõ ràng của nguyên lý hai nhiệt động học, cho rằng độ mất trật tự (entropy) của một hệ cô lập luôn tăng. Gương vỡ mất trật tự hơn, có entropy lớn hơn, nên quá trình “gương vỡ lại lành” không thể xẩy ra. Đối với con người, thời gian tâm lý cũng trôi từ quá khứ tới tương lai như thời gian nhiệt động, vì các quá trình tâm lý có cơ sở vật chất là các quá trình điện hóa trong bộ óc, mà các phản ứng sinh học cũng tuân theo các qui luật nhiệt động học. Nói cách khác, hai mũi tên thời gian nhiệt động và tâm lý trùng nhau. (Hawking còn chứng minh mũi tên vũ trụ giãn nở sau Big Bang cũng chỉ hướng như thế; tuy nhiên ta có thể bỏ qua lập luận này, vì khi vũ trụ co lại (ngược với giãn nở), mũi tên cũng không đổi chiều. Điều đó chứng tỏ việc gắn mũi tên thời gian với sự giãn nở có thể không xác đáng).
Chính vì “gương vỡ không lành” mà có sự bất đối xứng giữa quá khứ và tương lai theo trục thời gian. Mũi tên thời gian hình tượng hóa sự bất đối xứng của thế giới theo thời gian, chứ không phải sự bất đối xứng của dòng thời gian. Mũi tên thời gian chỉ hướng về tương lai. Nhưng điều đó không có nghĩa nó bay về tương lai; giống như kim la bàn luôn chỉ phương bắc, nhưng không chạy về phương bắc. Cả hai mũi tên đều hình tượng hóa sự bất đối xứng, chứ không phải vận động hay sự biến dịch. Như vậy mũi tên thời gian chỉ ra sự bất đối xứng trong thời gian, chứ không phải sự bất đối xứng của dòng thời gian. Và các khái niệm “quá khứ” và “tương lai” trong thời gian cũng giống như khái niệm “phía trên” và “phía dưới” trong không gian. Tương quan giữa chúng tùy thuộc vào hệ qui chiếu, vào bản chất thế giới vật chất xung quanh. Chẳng hạn, với người Việt Nam, cảm nhận “phía trên” có thể ngược 180o với cảm nhận của người Mỹ phía bên kia địa cầu.
Nói cách khác, sự bất đối xứng theo thời gian là một thuộc tính của các trạng thái vũ trụ, chứ không phải là thuộc tính của bản thân thời gian. Và trong vũ trụ, chỉ người quan sát có ý thức mới ghi nhận được “dòng thời gian” (khi ta ngủ, tức ở trạng thái dưới ý thức, ý niệm dòng thời gian hoàn toàn biến mất). Đồng hồ cũng không đo dòng thời gian, mà chỉ đo khoảng cách thời gian giữa các sự kiện. Vì thế có thể dòng thời gian là đặc điểm chủ quan trong tâm trí con người, chứ không phải là thuộc tính khách quan của vũ trụ.

Triết học của thời gian

Tuy rất kiêu ngạo, nhưng trước những bí ẩn của thời gian, các nhà vật lý cũng phải cầu cứu giới triết học. Theo Carlo Rovelli, một chuyên gia hàng đầu về hấp dẫn lượng tử, lý thuyết hiện đại nhất về không thời gian, đóng góp của triết học đối với quan niệm mới về không thời gian sẽ rất quan trọng. Có nhiều ví dụ minh họa cho nhận định này, tiêu biểu nhất là bài toán “thời gian đông cứng”.
Bài toán xuất hiện khi giới lý thuyết cố gắng lượng tử hóa thuyết tương đối rộng bằng một qui trình gọi là “lượng tử hóa chính tắc”. Qui trình được áp dụng rất tuyệt cho thuyết điện từ, nhưng với thuyết tương đối, sản phẩm của nó – phương trình Wheeler – DeWitt – không có biến thời gian. Nói một cách nôm na, phương trình chỉ ra rằng, vũ trụ không thay đổi mà đông cứng trong thời gian.
Kết quả sai lầm đó có thể xuất phát từ qui trình kỹ thuật, nhưng có thể bắt nguồn từ căn nguyên sâu xa hơn: tính đồng biến tổng quát, xem các qui luật vật lý như nhau với mọi người quan sát. Vật lý quan niệm nguyên lý đó theo nghĩa hình học (tương đối tổng quát là lý thuyết hình học về không thời gian): hai người quan sát sẽ cảm nhận không thời gian có hai hình dạng khác nhau, tùy thuộc vào hệ qui chiếu riêng của mình. Hai hình dạng là “phiên bản biến dạng” một cách trơn tru của nhau, như tách cà phê là phiên bản biến dạng cái bát ăn cơm chẳng hạn. Tính đồng biến nói rằng, sự khác nhau đó không có ý nghĩa; và hai hình học hoàn toàn tương đương nhau về mặt vật lý.
Khoảng 20 năm trước, các nhà triết học Earman và Norton thuộc đại học Pittsburgh cho rằng tính chất tổng quát nêu trên có hệ luận đáng ngạc nhiên với một câu hỏi truyền thống: Không gian và thời gian tồn tại độc lập đối với vật chất (thuyết tồn tại độc lập) hay chúng chỉ đơn giản là một phương thức nhân tạo để xem các thực thể vật lý liên hệ với nhau như thế nào (thuyết tương quan)? Theo lời Norton, chúng giống như giấy vẽ để các họa sĩ vẽ lên; do đó chúng luôn tồn tại cho dù có họa sĩ hay không? Hay chúng giống như tình bạn; và tình bạn chỉ xuất hiện khi có những người bạn?
Có lẽ đến nay giới vật lý thiên về thuyết quan hệ, điều Thánh Augustine đã nói từ lâu. Tuy nhiên chính quan hệ luận lại dẫn tới bài toán thời gian đông cứng: Hình học không gian có thể biến đổi theo thời gian, nhưng vì các hình học là tương đương về vật lý, nên không gian thực ra không thay đổi hay bị đông cứng (về mặt vật lý). Và nó cũng có thể mâu thuẫn với cơ lượng tử: nếu không - thời gian không có ý nghĩa cố định, tại sao có thể tiến hành quan sát tại một vị trí không - thời gian xác định, như thuyết lượng tử cho thấy (sự suy sụp hàm sóng khi tiến hành quan sát)?
Cần nhấn mạnh rằng, ngay cả các lý thuyết hấp dẫn lượng tử (các lý thuyết không thời gian hiện đại nhất) cũng bất lực trước vấn đề nói trên. Giới lý thuyết dây xem không thời gian tồn tại trước, và họ chỉ viết phương trình cho các dao động của dây trong đó mà thôi. Thuyết hấp dẫn lượng tử vòng thì cho rằng các lượng tử không gian và thời gian ghép nối với nhau tạo thành không - thời gian và vũ trụ; nhưng cũng không cho biết thời gian là gì và các lượng tử của nó từ đâu mà có. Quan niệm của Engels (không - thời gian là hình thức tồn tại của vật chất và vận động) cũng chỉ là một kiểu quan hệ luận mà thôi.
Có thể nói, bài toán bản chất của thời gian chỉ có thể hé mở khi khoa học xây dựng được một lý thuyết hấp dẫn lượng tử hoàn chỉnh. Vấn đề là không ai biết khi nào thì xuất hiện bước đột phá đó.

Du hành xuyên thời gian

Có thể du hành tới tương lai hay quay về quá khứ hay không? Câu trả lời là các nguyên lý vật lý không cấm, nhưng những rào cản kỹ thuật thì không thể vượt qua trong vũ trụ mà chúng ta đang sống.
Cách duy nhất du hành tới tương lai là dùng hiệu ứng thời gian trôi chậm trên con tàu vũ trụ bay rất nhanh của thuyết tương đối hẹp. Nếu rời Trái đất trên con tàu tăng tốc liên tục với gia tốc trọng trường (để cơ thể chịu một lực gia tốc thuận lợi đúng bằng sức hút Trái đất), thì sau một năm có thể đạt gần tới tốc độ ánh sáng. Tiếp tục gia tốc, ta có thể bay nhanh xấp xỉ ánh sáng. Khi đó chuyến bay tới trung tâm Ngân hà rồi quay về (khoảng cách cỡ 60 ngàn năm ánh sáng) chỉ mất 40 năm, trong khi trên Trái đất, 600 thế kỉ đã trôi qua. Bạn sẽ gặp tương lai nhân loại, với biết bao vật đổi sao dời, nếu loài người vẫn còn tồn tại.
Mặc dù không một qui luật vật lý nào ngăn cản chuyến du hành thú vị đó, nhưng những khó khăn kỹ thuật thì khó lòng vượt qua. Chẳng hạn, năng lượng cần thiết, ngay cả khi biến đổi khối lượng hoàn toàn thành năng lượng theo hệ thức E = mc2, còn lớn hơn cả khối lượng hành tinh! Khả năng du hành ngược thời gian còn khó khăn hơn nhiều, tuy các qui luật khoa học cũng không hề cấm đoán. Vấn đề là tạo được bộ máy thời gian thích hợp.
Khả năng đầu tiên do Frank Tipler, ĐH Maryland, đưa ra năm 1973, liên quan với một kì dị trần trụi quay rất nhanh (kì dị là điểm có mật độ vô hạn, ví như lỗ đen). Khi đó cấu trúc không thời gian bị trường hấp dẫn quá mạnh làm xoắn, khiến một chiều không gian được thay bằng thời gian. Con tàu vũ trụ bay thận trọng gần đó có thể may mắn gặp một quĩ đạo mà phi hành đoàn tưởng vẫn đang xuyên qua không gian, nhưng lại là xuyên thời gian. Khi rời xa điểm kì dị, con tàu sẽ xuất hiện ở một thời gian khác, như thời người tiền sử đang sống trong hang chẳng hạn. Khả năng này không khó như ta tưởng: một hình trụ dài 100 km, rộng 10 km, chứa vật chất có mật độ của sao neutron (100 triệu tấn/cm3), quay hai ngàn vòng một giây là đạt yêu cầu. Trong vũ trụ, một số sao xung gần đạt tiêu chuẩn này.
Loại máy thời gian thứ hai liên quan với lỗ sâu (wormhole), tức hệ đường hầm xuyên không - thời gian, giống lỗ sâu đục trên quả táo của bạn. Theo thuyết tương đối rộng, lỗ sâu có thể nối một lỗ đen ở vùng không - thời gian này với một lỗ đen hay lỗ trắng ở vùng không - thời gian khác (ngược với lỗ đen luôn hút vật chất và năng lượng, lỗ trắng là nơi phun năng lượng. Big Bang chính là một lỗ trắng như vậy). Quan niệm về lỗ sâu xuất hiện trong vật lý một cách khá hài hước.
Số là nhà thiên văn Carl Sagan, tác giả của viễn cảnh mùa đông hạt nhân nổi tiếng, viết một cuốn sách viễn tưởng về du hành qua lỗ đen để đi từ trái đất tới sao Vega giả định. Vì muốn các lập luận khoa học chính xác tối đa, Sagan nhờ Kip Thorne, một chuyên gia về trường hấp dẫn của Viện Công nghệ California, tính toán.
Cuối 1985, Thorne nhận thấy rằng, lỗ sâu có thể mở khi chứa loại vật chất kỳ lạ có sức căng rất lớn để chống lại lực hấp dẫn ở lỗ đen. Thích hợp nhất là các dây vũ trụ, loại vật chất giả thuyết dưới dạng các ống năng lượng nhỏ hơn kích thích nguyên tử trải dài trên toàn vũ trụ. Nếu có thật, và luồn được vào lỗ sâu, nó có khả năng giữ cho lỗ sâu luôn luôn mở để đóng vai một đường hầm xuyên qua không - thời gian.
Đó là kết luận rất thú vị về mặt khoa học, nhưng Thorne rất sợ người khác cười nhạo và cho rằng ông bị điên khi nghiên cứu khả năng du hành xuyên thời gian. Có lẽ không biết Tipler chẳng hề hấn gì khi nghiên cứu bộ máy thời gian, nên ông rất lo khi học trò công bố công trình, nghề nghiệp của họ sẽ tiêu tan trước khi bắt đầu. Nghiên cứu cẩn trọng và bí mật với Mike Morris và Ulvi Yurtsever, ông dần tự thuyết phục bản thân rằng, quả thật phương trình Einstein cho phép lỗ sâu nối các điểm thời gian với nhau và do đó có thể đóng vai bộ máy thời gian. Đến 1988, ba người công bố kết quả trên tạp chí nổi danh Physical Review Letters. Vẫn lo sợ phản ứng không thuận lợi, ông yêu cầu lãnh đạo Viện không những giữ im lặng mà còn kiên quyết cấm mọi người bàn luận về công trình!
Kết quả ngược với lo lắng của Thorne. Cả giới chuyên môn và công chúng đều rất hào hứng với khả năng du hành xuyên thời gian, dù chỉ trên lý thuyết. Nghề nghiệp của ông thăng tiến rõ rệt, hai học trò được nhiều nơi mời làm việc. Theo gương ông, nhiều nhà vật lý công bố các kết quả nghiên cứu chuyên sâu với bạn đọc đại chúng, một việc được nhiều phía hoan nghênh. Viện Công nghệ California trở thành thánh địa của khả năng du hành xuyên thời gian.
Ngay lập tức xuất hiện hàng loạt tác phẩm về du hành xuyên không thời gian. Trong khi giới chuyên môn thiên về các khía cạnh khoa học và triết lý, thì giới nghiệp dư hân hoan tuyên bố, đó chính là cách nhân loại du hành hướng tới tương lai hay quay về quá khứ! Nhưng nghịch lý ông nội có thể làm nguội niềm phấn khích đó. Giả sử bạn du hành ngược về quá khứ và lỡ tay làm chết ông nội khi ông còn bé tí, lúc ông chưa sinh cha bạn. Không có cha thì tại sao lại có bạn để mà du hành ngược thời gian? Cũng có ý kiến cho rằng, có thể bạn không gặp ông nội, nhưng đó chỉ là ngụy biện (tại sao lại không?).
Đó là lý do Hawking đưa ra Ước đoán bảo vệ trình tự thời gian, cho rằng các qui luật vật lý cấm một thực thể vĩ mô du hành xuyên thời gian. Muốn du hành như thế, cần nhảy vào lỗ đen, và ngay lập tức bạn bị nghiền nát thành các hạt cơ bản, qua lỗ sâu để phun trào ra ở một lỗ trắng tại vùng không - thời gian khác. Chỉ các hạt cơ bản từng tạo nên cặp chân dài gợi cảm, chứ không phải chính cô người mẫu, mới trải nghiệm chuyến du hành kỳ thú đó.

Xác định thời gian

Thời gian - Tranh của Francisco Goya
Loài người đã cố gắng xác định chính xác thời gian trong suốt tiến trình lịch sử của mình. Khoa học công nghệ phát triển giúp việc đo đạc ngày càng chính xác; ngược lại, đo đạc thời gian chính xác cũng thúc đẩy sự phát triển khoa học công nghệ trong sự phát triển chung của loài người. Ngày nay hệ thống định vị toàn cầu cho phép toàn nhân loại thống nhất trong hành động về mặt thời gian.
Theo bằng chứng khảo cổ, người Babylone và người Ai Cập bắt đầu đo thời gian ít nhất từ 5000 năm trước. Ho xây dựng lịch dựa trên ba chu trình tự nhiên: ngày mặt trời theo chu trình sáng tối dựa trên sự tự quay của trái đất; tháng mặt trăng dựa theo chuyển động của mặt trăng quanh trái đất; và năm mặt trời, dựa trên chuyển động của trái đất quanh mặt trời. Dương lịch ngày nay (Lịch Gregory) bắt nguồn từ lịch của người Babylone, người Ai Cập, người Do Thái và người La Mã.
Người Ai Cập, Hy Lạp và La Mã chế ra đồng hồ mặt trời, đồng hồ nước và các loại đồng hồ khác. Đồng hồ cơ vận hành bằng vật nặng xuất hiện lần đầu tại Bedfordshire, nước Anh, năm 1283. Đến ngày Giáng sinh năm 1656, đồng hồ quả lắc đầu tiên xuất hiện do đóng góp trực tiếp của nhà thiên văn học Đan Mạch Brahe và nhà thiên văn và toán học Hà Lan Huyghens, cùng sự góp sức của nhiều nhà khoa học khác, chẳng hạn Galilei.
Ngày nay khoa học dùng các dao động dưới nguyên tử để đếm thời gian. Năm 1967, người ta định nghĩa giây là “khoảng thời gian bằng 9.192.631.770 chu kì bức xạ ứng với sự chuyển dời giữa hai mức siêu tinh tế tại trạng thái cơ bản của nguyên tử cesium 133”. Đồng hồ nguyên tử chính xác nhất hiện nay có độ chính xác 10-17, tức chỉ sai một giây sau khoảng ba tỉ năm. Tuy nhiên chúng có tuổi thọ không cao so với đồng hồ cơ khí. Với công nghệ hiện hành, các kĩ sư có thể chế tạo đồng hồ cơ khí chỉ sai một giây sau một năm mà tuổi thọ đạt tới 12 ngàn năm.
Về nguyên tắc, có thể đạt độ chính xác vô hạn, nhưng hấp dẫn và chuyển động làm thời gian co giãn (thuyết tương đối hẹp), nên đồng hồ nào cũng sẽ có sai số. Các nhà khoa học hy vọng trong tương lai rất gần, có thể đạt độ chính xác 10-22, tức đồng hồ chỉ sai một giây sau ba trăm ngàn tỷ năm! Mức chính xác đó rất cần thiết để tạo các xung laser atto giây (10-18 giây) hay điều khiển các chuyến bay vũ trụ.

Thời gian sinh học, thời gian tâm lý và thời gian văn hóa

Thời gian sinh học quan trọng nhất là nhịp ngày đêm, do nhịp sáng tối và thăng giáng địa từ qui định. Khi ánh sáng tới võng mạc, nó qua nhân trên chéo thị giác rồi tới nhân cận thất để dừng sự chế tiết melatonin của tuyến tùng, một tuyến nội tiết thần kinh giữa vai trò điều nhịp của cơ thể. Khi không có thông tin về chu trình sáng tối, tuyến tùng đo đạc các thăng giáng địa từ, cũng có chu kì 24 giờ, để điều nhịp. Chỉ trong lồng Faraday kín (ngăn được cả tín hiệu sáng tối và tín hiệu địa từ), các nhịp sinh học (nhịp tim, nhịp tiết nội tiết tố, nhịp ngưỡng đau...) mới rối loạn, với chu kì 25, chứ không phải 24 giờ như thường lệ. Hội chứng trễ do các chuyến bay (jet-lag), tức mất sự điều hòa cơ thể sau một chuyến bay xuyên lục địa có thể ngăn ngừa bằng melatonin là vì vậy.
Cơ thể sinh vật cũng nhạy cảm với nhịp mặt trăng (28 ngày), nhịp mùa và nhịp năm. Cơ chế của chúng còn chưa được hiểu rõ. Đó là cách thức để các sinh hệ hành xử đồng điệu với môi trường nhằm tiết kiệm năng lượng và tăng cường khả năng sinh tồn.
Thời gian tâm lý được xác định nhờ các cấu trúc não như hồi hải mã hay thùy thái dương. Tổn thương tại đó dẫn tới các rối loạn trí nhớ như không truy xuất được ký ức quá khứ hay không thể tạo ký ức mới. Tuy nhiên việc giải đoán thời gian còn phụ thuộc vào cảm xúc và các hoạt động tinh thần cao cấp khác. Giai thoại về bếp lò nóng và cô gái đẹp của Einstein là minh họa cho điều này. Và đó cũng là căn nguyên của quan niệm xem dòng thời gian chỉ là ảo giác, tức chỉ là một đặc tính chủ quan của trí óc, chứ không phải là thuộc tính khách quan của vũ trụ. Cuối cùng, quan niệm thời gian còn phụ thuộc vào các chiều kích văn hóa và xã hội. Trễ vài phút khi trả lời phỏng vấn xin việc có thể gây hệ quả nghiêm trọng, nhưng dự tiệc cưới tại Sài Gòn thì trễ hàng tiếng vẫn không sao.
Thời gian không phải là vàng ngọc mà cũng không hẳn vô giá trị; nó chỉ đơn giản là chính nó với biết bao bí ẩn đang chờ được khám phá.


Không có nhận xét nào:

Đăng nhận xét