I. Thời gian như con người từ cổ chí kim vẫn biết: ngày qua ngày, mùa qua mùa, năm qua năm

Trên youtube có vô số các clip ngắn giải thích tại sao có ngày và đêm, có bốn mùa, có năm này qua năm khác. Những gì giải thích bằng lời mất cả chục trang giấy và hình minh họa (mà vẫn khó hiểu) thì video chỉ cần vài phút (và học sinh cấp 2 cũng hiểu được ngay, kể cả lõm bõm tiếng Anh).

Trái đất di chuyển liên tục xung quanh mặt trời trên một quỹ đạo không phải là đường tròn mà là đường ellipse với mặt trời ở một trong hai tâm điểm. Nếu đứng hẳn ra ngoài hệ mặt trời và vào, sao cho cực Bắc của trái đất ở trên, cực Nam ở dưới ta sẽ thấy hướng di chuyển là ngược chiều kim đồng hồ. Quỹ đạo ellipse ấy tạo thành một mặt phẳng.

Trái đất tự quay quanh trục của mình (cũng ngược chiều kim đồng hồ). Trục quay của trái đất không vuông góc với mặt phẳng mà hơi nghiêng. (Nếu nó vuông góc thì ngày và đêm luôn dài bằng nhau, không có bốn mùa, và hai bán cầu bắc-nam không có gì khác biệt.)

Vì quỹ đạo hình ellipse nên trái đất có lúc ở gần mặt trời (cận nhật) có lúc ở xa (viễn nhật). Trục quay bị nghiêng nên mặt trời chiếu sáng trái đất không đều (bắc bán cầu và nam bán cầu được chiếu sáng khác nhau), và sự chiếu sáng này thay đổi theo vị trí của trái đất ở trên quỹ đạo.

Trái đất tự quay quanh mình một vòng, có ngày và đêm. Trái đất đi quanh mặt trời một vòng, có năm. Trên quãng đường di chuyển quanh mặt trời, do trái đất nghị nghiêng nên “nắng” chiếu lên bề mặt trái đất thay đổi, nên có mùa. Chiếu nhiều thì là mùa hè, chiếu ít thì là mùa đông. Độ dài của ngày và đêm cũng thay đổi. Từ đó có bốn mùa và có bốn thời điểm quan trọng: xuân phân, thu phân và đông chí, hạ chí tương đương với các thời điểm mà ngày và đêm dài bằng nhau hoặc đêm dài nhất trong năm, ngày dài nhất trong năm. Bán cầu bắc và bán cầu nam cũng có khác biệt (ngược nhau về mùa).

Chỉ cần xem vài clip như vậy trên youtube, mất độ 10 phút của cuộc đời, là sẽ hiểu tại sao có mùa, tại sao có ngày và năm. Và tại sao mặt trời ảnh hưởng đến thời tiết (nông nghiệp) chứ không phải mặt trăng. Tại sao lịch mặt trời (dương lịch) mới là lịch có nền tảng khoa học chặt chẽ và phù hợp với đời sống con người ngày xưa (kinh tế dựa vào nông nghiệp). Đây là kiến thức ai cũng nên biết. Nếu tìm thêm ta sẽ thấy lịch mặt trăng (âm lịch) chỉ phù hợp với cúng bái lễ nghi tâm linh là chính.

(Ở các vùng đất mà xã hộ gắn chặt với nông nghiệp như các nước phương đông thì người ta sử dụng nông-lịch, cụ thể là lịch của các tiết khí.

Quỹ đạo “đường tròn” của trái đất đi xung quanh mặt trời được chia thành 360 độ, cứ cách 15 độ người ta đặt một điểm gọi là “điểm phân”. Giữa hai điểm phân là một cung 15 độ, trái đất đi hết cung này mất khoảng 14-16 ngày (vì tốc độ di chuyển của trái đất trên quỹ đạo nhanh chậm tuỳ vị trí). Trên đường quỹ đạo có 24 điểm phân như vậy, gọi là 24 tiết khí: Lập xuân, Vũ thủy, Xuân phân, … Hạ chí,… Đông chí, Tiểu hàn, Đại hàn. Các tiết khí xây dựng theo cách này về bản chất chính là lịch mặt trời và do đó nó khớp với các mùa của năm. Các tiết khí trong năm tương đối khớp với các ngày trong lịch dương. Ví dụ bốn tiết xuân phân, hạ chí, thu phân, đông chí của nông lịch khớp với bốn điểm phân và chí của dương lịch là vernal equinox (xuân phân), summer solstice (hạ chí), autumnal equinox (thu phân), winter solstice (đông chí).

Vậy nên: Xuân phân luôn rơi vào 20 hoặc 21 tháng Ba lịch dương, Đông chí luôn rơi vào 21 hoặc 22 tháng Mười hai lịch dương. Ngày Lập xuân của nông lịch luôn rơi vào ngày 4 -5 tháng Hai, ngày Tết âm lịch (là ngày đầu tiên của tháng Giêng âm lịch sẽ phải chỉnh sao cho nó rơi vào gần ngày Lập xuân này nhất.

Cách khớp nông lịch/dương lịch với lịch theo mặt trăng này tạo ra lịch âm như chúng ta đang dùng hiện nay. Nếu gọi đúng thì phải là âm-dương lịch.)

(Về chi tiết sâu hơn thì còn nhiều hiện tượng ảnh hưởng đến độ chiếu sáng của mặt trời lên bề mặt trái đất, như hiện tượng tuế sai, hay tốc độ di chuyển của trái đất trên quỹ đạo quanh mặt trời có lúc nhanh lúc chậm khác nhau. Rồi tốc độ tự quay quanh trục của trái đất cũng chậm dần. Nên dương lịch vẫn phải có các tinh chỉnh theo thời gian.)

II. Bản chất của thời gian (thời gian như cái đồng hồ đếm thời gian tích tắc)

Ngày xưa thì người ta (các nhà vật lý và triết học) cho rằng thời gian là Tuyệt Đối. Đại khái là có một cái đồng hồ tích tắc đếm thời gian cho toàn bộ vũ trụ. Dòng thời gian chảy đều đặn và bằng nhau với tất cả mọi người, mọi vật thể. Mọi sự kiện xảy ra ở bất cứ đâu thì với tất cả những ai quan sát sự kiện ấy sẽ thấy sự kiện ấy xảy ra đồng thời (cùng một lúc). Quãng thời gian trôi qua giữa hai sự kiện là bằng nhau với tất cả mọi người (mọi vật thể) quan sát hai sự kiện ấy.

Sau khi có thuyết tương đối hẹp, thì thời gian hóa ra không tuyệt đối, mà là Tương Đối. Mỗi người, mỗi vật thể có một cái đồng hồ tích tắc của riêng mình (proper time). Thời gian riêng của mỗi người có thể bị kéo dãn/giãn ra (khoảng cách giữa hai lần tích/tắc bị kéo dãn ra). Ai ở gần lỗ đen nơi có hấp dẫn cực mạnh thì đồng hồ tích tắc rất chậm (theo thuyết tương đối rộng). Ai di chuyển với tốc độ cực cao, ví dụ gần tốc độ ánh sáng, thì đồng hồ tích tắc cũng rất chậm (thời gian thì dãn ra còn kích thước thì co lại – theo thuyết tương đối hẹp). (Còn chúng ta ở trên mặt đất với nhau thì về cơ bản là đồng hồ tích tắc y như nhau). Các sự kiện xảy ra trong vũ trụ cũng không còn đồng thời với tất cả những người quan sát. Không có một cái “now” chung cho toàn thể vũ trụ. Có người sẽ thấy sự kiện xảy ra trước, có người thấy nó xảy ra sau. Chưa hết, thời gian còn không phải là một đại lượng vật lý độc lập, mà nó bện/dệt vào không gian ba chiều, tức là không-thời-gian.

(Về mặt toán học thì thuyết tương đối hẹp chỉ là toán cấp 3. Nhưng về vật lý nó rất khó hiểu. Học nó cũng không quá mất công. Trên youtube có nhiều khóa dạy miễn phí. Thời lượng học khoảng 13 tiếng đồng hồ.)

Chưa hết, nếu không gian là “cái” mà ở trong đó ta có thể tiến, hoặc lùi, hoặc sang trái, hoặc sang phải, hoặc lên hoặc xuống (vì có 3 trục, mà trục nào ta cũng tiến hoặc lùi được) thì ở trục thời gian ta chỉ có thể tiến. Không ai “đi” lùi được thời gian. Không quay về được quá khứ. Người ta chỉ nhớ được quá khứ chứ không trở về được. Và cũng không ai “nhớ” được tương lai. Cái này gọi là mũi tên thời gian. Chưa ai giải thích được tại sao thời gian lại có đặc tính quái dị như vậy. Cho nên người ta phải tìm hiểu bản chất của thời gian.

(Trong các phương trình vật lý, để đổi chiều thời gian thì chỉ cần đổi dấu biến số thời gian t thành (-t). (Với hàm sóng lượng tử, do sử dụng số phức phép đổi dấu này phải sử dụng số phức liên hợp.). Nhưng sau khi đổi dấu như vậy thì bản chất và kết quả của các phương trình vẫn nhất quán và không có gì khác biệt. Tức là trong mô tả toán học của các định luật vật lý, thời gian là đối xứng (hai chiều). Còn trong thực tế thì thời gian là bất đối xứng và một chiều.)

Bản chất (nature) của thời gian là gì là một câu hỏi mà các nhà vật lý và triết học vật lộn qua nhiều thế kỷ. Đến nay, tức là ở quãng 1/4 của thế kỷ 21 người ta vẫn phải vật lộn với nó. Có rất nhiều quan điểm về bản chất của thời gian, mà ai cũng có lý. Dưới đây ví dụ bốn quan điểm khác nhau.

Carlo Rovelli

Rovelli cho rằng thời gian như chúng ta tri nhận (tức là qua các giác quan) hoàn toàn không tồn tại ở cấp độ vi mô nền tảng. Tất nhiên không phải là ông ấy nói bừa, mà ông ấy sử dụng vật lý lượng tử và thuyết tương đối tổng quát để suy ra giả thuyết này.

Rovelli nói thời gian, như một dòng chảy liên tục như chúng ta cảm nhận, chỉ tồn tại ở cấp độ vĩ mô. Còn ở các cấp độ sâu hơn, vi mô hơn, nền tảng hơn thì không còn thời gian nữa. Trong các đại lượng vật lý ở cấp độ cơ bản không có đại lượng thời gian. Thời gian là đại lượng thứ sinh, nó “đột sinh” ra cấp độ vĩ mô từ các đại lượng vật lý ở cấp độ vi mô nền tảng.

Một trong các lập luận của Rovelli là hàm sóng mô tả thế giới vi mô không thể hiện thời gian như một biến độc lập, mà chỉ là một tham số thứ sinh giúp mô tả sự tiến hóa của hàm sóng với các kết quả là xác suất khác nhau. (Câu này viết tiếng Việt có vẻ hơi ngu, nhưng đại khái là vậy, vì con người rất không quen với việc không có thời gian.)

(Trên youtube có nhiều khóa dạy vật lý lượng tử miễn phí, chừng 30 tiếng. Thuyết tương đối rộng thì lâu hơn, chừng 45 tiếng, và toán của nó thì khó hơn nhiều, nếu học riêng phần toán thì cũng phải mất chừng 5 tiếng nữa.)

Lee Smolin

Smolin thì có quan điểm ngược với Rovelli, và cũng dùng quantum gravity để lập luận như Rovelli.

Smolin cho rằng thời gian là có thực, nó thực sự tồn tại. Hơn thế nữa, nó là đại lượng vật lý cực kỳ cơ bản, nằm luôn trong căn cốt của vũ trụ. Nó không phải là đại lượng tĩnh, nó động. Nó tạo ra sự tiến hóa của vũ trụ kể từ lúc vũ trụ ra đời và thúc đẩy/tạo ra các tính chất và cấu trúc vật lý của vũ trụ. Vì thời gian nằm trong căn cốt của vũ trụ và là động, nên nó chịu trách nhiệm cho việc “vũ trụ đang trở thành” cái gì đó khác (tiến hóa) chứ không chỉ đơn giản tham gia vào việc tạo ra “vũ trụ đang là” (đang hiện hữu).

David Albert

Albert có quan niệm về thời gian khác cả Rovelli lẫn Smolin. Albert cho rằng thời gian không phải là một thực thể khách quan và độc lập với trải nghiệm của chúng ta. Ông này thách thức khái niệm thời gian là một khía cạnh nền tảng của vũ trụ, theo ông cần phải hiểu thời gian như là một trải nghiệm chủ quan.

Suy luận từ thuyết tương đối tổng quát vốn cho rằng không có một cái “now” phổ quát và khách quan áp đặt lên toàn thể vũ trụ, Albert cho rằng trải nghiệm về thời gian là cái mà các sinh vật có ý thức tri nhận được qua mối liên hệ giữa các sự kiện khác nhau (thứ tự của các sự kiện, quãng thời gian giữa các sự kiện…). Thứ tự và quãng thời gian giữa các sự kiện là kết quả hình thành từ mối quan hệ nhân-quả và dòng thông tin truyền từ sự kiện này qua sự kiện khác.

và entropy

Tính bất đối xứng và một chiều của thời gian có liên hệ gần gũi với một khái niệm quan trọng của nhiệt động học. Entropy là đại lượng đo lường tính mất trật tự và ngẫu nhiên của một hệ. Nó liên kết chặt chẽ với số lượng các trạng thái ở cấp độ vi mô tạo gây ra một trạng thái vĩ mô của cả hệ. Định luật hai nhiệt động học nói rằng entropy của một hệ cô lập luôn tăng. Sự tăng của entropy liên kết với (hoặc là bản chất tự nhiên) của tính bất đối xứng và không thể đảo ngược của các tiến trình xảy ra.  

Mũi tên thời gian chỉ theo hướng entropy tăng lên: các tiến trình trong toàn bộ vũ trụ khi quan sát ở cấp độ vĩ mô sẽ có xu hướng tiến hóa từ các trạng thái entropy thấp hơn (trật tự hơn) lên các trạng thái entropy cao hơn (mất trật tự hơn). Entropy luôn tăng (có thể) là cái tạo ra tính bất đối xứng giữa quá khứ và tương lai cũng như là nguyên nhân của tính chất không thể đảo ngược được của các tiến trình trong tự nhiên. (Tuy nhiên, entropy giúp ta có thêm tri kiến mang tính chất xác suất và thống kê về hướng của thời gian chứ chưa giải thích được trọn vẹn bản chất của thời gian.

PS: Nhân một ngày nhuận, 29 tháng Hai năm 2024