Entropy và “mũi tên thời gian” của vũ trụ
Trong vật lý, khái niệm “mũi tên thời gian” được nhà thiên văn Arthur Eddington đưa ra năm 1927 để mô tả thực tế rằng thời gian dường như chỉ có một chiều: từ quá khứ đến tương lai.
Điều đáng chú ý là các phương trình vật lý cơ bản, từ chuyển động của hạt hạ nguyên tử cho đến quỹ đạo hành tinh, gần như không phân biệt chuyển động tiến hay lùi trong thời gian. Tuy vậy, ở quy mô vũ trụ và đời sống hàng ngày, chúng ta lại luôn quan sát thấy các quá trình chỉ diễn ra theo một hướng.
Câu trả lời phổ biến nhất nằm ở entropy – thước đo mức độ hỗn loạn của một hệ thống. Theo định luật thứ hai của nhiệt động lực học, trong một hệ kín entropy luôn tăng lên. Nói cách khác, các hệ thống tự nhiên có xu hướng chuyển từ trạng thái trật tự sang hỗn loạn.
Quy luật này lý giải vì sao cà phê nóng nguội dần, băng tan, hay một chiếc ly khi rơi xuống sẽ vỡ chứ không thể tự ghép lại. Nhà vật lý Ludwig Boltzmann từng chứng minh rằng trạng thái hỗn loạn có xác suất xuất hiện cao hơn rất nhiều so với trạng thái trật tự.
Tuy nhiên, cách giải thích này lại đặt ra một câu hỏi khó: nếu entropy luôn tăng, vũ trụ ban đầu phải ở trạng thái cực kỳ trật tự với entropy rất thấp. Điều này khiến nhiều nhà khoa học băn khoăn, bởi Big Bang thường được hình dung như một sự kiện hỗn loạn chứ không phải một trạng thái có trật tự cao.
Giả thuyết mới: Trọng lực có thể tạo ra dòng chảy của thời gian
Năm 2014, nhà vật lý Julian Barbour và các cộng sự đưa ra một cách tiếp cận khác cho vấn đề này. Thay vì đặt trọng tâm vào entropy, họ cho rằng chính trọng lực có thể tạo ra mũi tên thời gian.
Nhóm nghiên cứu diễn giải lại các phương trình của Einstein bằng một khuôn khổ toán học gọi là Shape Dynamics (Động lực học hình dạng). Khác với thuyết tương đối rộng – nơi không gian và thời gian hợp thành cấu trúc “không-thời gian”, Shape Dynamics tập trung vào mối quan hệ hình học giữa các vật thể.
Khi mô phỏng một hệ gồm nhiều hạt tương tác với nhau bằng lực hấp dẫn, Barbour phát hiện một điều đáng chú ý: hệ thống tự nhiên phát triển từ trạng thái có entropy thấp sang trạng thái phức tạp hơn, từ đó hình thành một “mũi tên thời gian” mà không cần giả định ban đầu về entropy.
Theo cách nhìn này, thời gian không phải một thực thể độc lập, mà là hệ quả tự nhiên của các tương tác vật lý cơ bản – đặc biệt là trọng lực.
Dù vậy, mô hình này vẫn còn nhiều giới hạn. Nó giả định vũ trụ chỉ gồm các hạt tương tác bằng lực hấp dẫn, trong khi thực tế có bốn lực cơ bản và nhiều loại hạt khác nhau. Ngoài ra, Shape Dynamics dù có nhiều điểm tương đồng với thuyết tương đối rộng, nhưng lại đưa ra dự đoán khác biệt ở những hiện tượng cực đoan như lỗ đen.
Vì thế, giới vật lý vẫn đang tranh luận liệu khuôn khổ này có thể mô tả chính xác vũ trụ hay không. Dù chưa hoàn chỉnh, giả thuyết của Barbour vẫn được xem là một hướng nghiên cứu đáng chú ý.
Nếu được chứng minh đúng, nó có thể thay đổi cách con người hiểu về bản chất của thời gian: chúng ta cảm nhận thời gian trôi không phải vì một “dòng chảy” bí ẩn, mà vì các định luật vật lý của vũ trụ tự nhiên tạo ra hướng đi ấy.