Thời gian có tồn tại hay chỉ là ảo giác?

Sự trôi qua của thời gian là điều mà tất cả chúng ta đều trải nghiệm, vì nó đưa chúng ta từ khoảnh khắc này đến khoảnh khắc tiếp theo. Nhưng liệu tất cả chỉ là một ảo giác?

Thách thức quan niệm về thời gian

Một trong những khía cạnh quan trọng nhất của vật lý, hay của bất kỳ ngành khoa học nào, là luôn đặt ra những thách thức lớn nhất có thể đối với các lý thuyết vật lý hàng đầu. Bạn có thể thách thức các kết quả trước đó, thách thức các phương pháp được sử dụng để đạt được chúng, tạo ra các bài kiểm tra mới trong các phạm vi ứng dụng tiềm năng mới, và thậm chí thách thức các giả định nền tảng của chúng.

Khi nói đến sự hiểu biết của chúng ta về Vũ trụ, chúng ta tin rằng mình đang sống trong một kết cấu bốn chiều được gọi là không – thời gian, bao gồm ba chiều không gian và một chiều thời gian, tất cả đều được dệt chặt với nhau.

Tất cả những điều này tất nhiên giả định rằng bản thân thời gian là một thứ thực sự tồn tại – có tính vật lý và mang bản chất cơ bản. Nhưng liệu những giả định này có thực sự đúng? Có cách nào để bác bỏ chúng không? Liệu thời gian có thể chỉ là một ảo giác, dù rằng một ảo giác rất thuyết phục?

Đây chính là điều mà Dave Drews muốn tìm hiểu khi anh ấy đặt câu hỏi:

Chúng ta đều đã nghe câu hỏi triết học: Nếu một cái cây đổ trong rừng mà không có ai xung quanh để nghe thấy, liệu nó có tạo ra âm thanh không?’ Một số người cho rằng thời gian chỉ là một ảo giác, một cấu trúc được tạo ra bởi trí óc và trải nghiệm của con người. Nếu điều đó đúng, thì nếu không có bất kỳ sinh vật có tri giác nào để trải nghiệm nó, liệu thời gian có tồn tại không?

Đây là một câu hỏi khó, và chúng ta có nhiều cách để tiếp cận nó. Hãy cố gắng trả lời một cách toàn diện nhất có thể để làm sáng tỏ câu hỏi cốt lõi: liệu thời gian có thực sự tồn tại?

Bản chất của thời gian

Hình minh họa dưới đây là một nón ánh sáng, bề mặt ba chiều bao gồm tất cả các tia sáng có thể đến và rời khỏi một điểm trong không – thời gian. Càng di chuyển qua không gian, bạn càng ít di chuyển qua thời gian, và ngược lại. Chỉ những sự kiện nằm trong nón ánh sáng quá khứ của bạn mới có thể ảnh hưởng đến bạn ở hiện tại; chỉ những sự kiện nằm trong nón ánh sáng tương lai của bạn mới có thể được bạn quan sát trong tương lai. Hình minh họa này dựa trên không gian phẳng Minkowski, thay vì không gian cong trong thuyết tương đối rộng.

Chúng ta từng nghĩ, cho đến tận đầu thế kỷ 20, rằng thời gian là như nhau đối với tất cả mọi người. Bất kể bạn ở đâu, di chuyển nhanh đến mức nào, hay đo lường nó vào lúc nào, mọi người, ở mọi nơi, vào mọi thời điểm đều sẽ đồng ý về định nghĩa của thời gian: rằng tất cả chúng ta sẽ đo lường tốc độ trôi qua của nó như nhau, hoàn toàn giống hệt nhau.

Nhưng thực tế, mặc dù chúng ta có thể:

– Đo lường thời gian,

– định lượng thời gian,

– quan sát sự trôi qua của nó,

– và quan sát cũng như đo lường những hệ quả từ sự trôi qua của nó,

việc trả lời câu hỏi tưởng chừng đơn giản bao nhiêu thời gian đã trôi qua giữa hai sự kiện bất kỳ hóa ra lại không giống nhau đối với tất cả mọi người.

Những gì Einstein đã dạy chúng ta là câu trả lời cho câu hỏi này – giữa hai thời điểm như lúc bắt đầu và kết thúc một sự kiện – phụ thuộc rất nhiều vào vị trí của bạn và cách bạn đang di chuyển khi thực hiện các quan sát đó.

Ví dụ, nếu bạn đang ở trên một con tàu đang chuyển động và bạn bắn một chùm ánh sáng từ đầu này của toa tàu sang đầu kia (hoặc chiếu thẳng lên trần và sau đó rơi xuống sàn), bạn sẽ đo được một khoảng thời gian nhất định để ánh sáng đến được đầu kia của tàu.

Tuy nhiên, nếu bạn đang đứng trên một sân ga và quan sát người trên tàu bắn ánh sáng từ đầu này sang đầu kia, bạn sẽ đo được một kết quả khác so với người đang chuyển động trên tàu cùng với chùm sáng.

Sự khác biệt trong đo lường này xuất phát từ một nguyên lý cơ bản của thuyết tương đối: tốc độ ánh sáng là không đổi trong mọi hệ quy chiếu quán tính. Điều này có nghĩa là bất kể bạn đang đứng yên hay di chuyển, nếu bạn đo tốc độ ánh sáng trong chân không, bạn luôn nhận được cùng một giá trị khoảng 299.792.458 m/s.

Nhưng nếu ánh sáng di chuyển với tốc độ không đổi và những người quan sát khác nhau lại đo được khoảng cách khác nhau mà ánh sáng phải đi qua, thì theo định nghĩa, họ cũng sẽ đo được thời gian trôi qua khác nhau. Điều này dẫn đến một hệ quả quan trọng:

– Đối với một người đang di chuyển nhanh so với một quan sát viên đứng yên, đồng hồ của họ sẽ chạy chậm hơn so với đồng hồ của người quan sát đứng yên.

– Đây là hiện tượng giãn nở thời gian trong thuyết tương đối hẹp.

Một thí nghiệm nổi tiếng chứng minh điều này là thí nghiệm về các hạt muon. Các hạt muon, được tạo ra trong bầu khí quyển Trái Đất do tia vũ trụ va chạm với các phân tử không khí, có thời gian sống rất ngắn – chỉ khoảng 2,2 micro giây. Với thời gian ngắn ngủi như vậy, theo tính toán cổ điển, phần lớn muon sẽ phân rã trước khi chạm tới mặt đất. Tuy nhiên, khi đo thực tế, số lượng muon đến được bề mặt Trái Đất nhiều hơn dự đoán. Điều này xảy ra vì muon di chuyển với tốc độ rất cao, làm cho thời gian của chúng bị kéo dài so với hệ quy chiếu trên mặt đất.

Điều này chứng tỏ rằng thời gian không phải là tuyệt đối – nó có thể thay đổi tùy thuộc vào cách bạn di chuyển.

Trong thuyết tương đối rộng, Einstein mở rộng khái niệm này bằng cách đưa vào tác động của hấp dẫn. Ông nhận ra rằng lực hấp dẫn không chỉ làm cong không gian mà còn làm cong cả thời gian. Gần một vật thể có khối lượng lớn, thời gian trôi chậm hơn so với xa vật thể đó.

Ví dụ nổi tiếng nhất về điều này là hiệu ứng giãn nở thời gian hấp dẫn, đã được xác nhận bằng nhiều thí nghiệm, chẳng hạn như:

– Đồng hồ đặt trên máy bay di chuyển nhanh chạy chậm hơn đồng hồ trên mặt đất.

– Đồng hồ đặt gần bề mặt Trái Đất (trong trường hấp dẫn mạnh hơn) chạy chậm hơn so với đồng hồ ở quỹ đạo cao hơn.

Hiện tượng này quan trọng đến mức hệ thống GPS mà chúng ta sử dụng hằng ngày phải tính đến giãn nở thời gian do cả vận tốc (thuyết tương đối hẹp) và lực hấp dẫn (thuyết tương đối rộng). Nếu không có những hiệu chỉnh này, hệ thống định vị vệ tinh của chúng ta sẽ sai lệch đáng kể chỉ sau vài phút.

Bây giờ, chúng ta quay lại câu hỏi ban đầu: liệu thời gian có thực sự tồn tại, hay nó chỉ là một ảo giác?

Một số nhà khoa học và triết gia cho rằng thời gian không phải là một thực thể vật lý cơ bản mà chỉ là một cách con người chúng ta nhận thức sự thay đổi trong vũ trụ. Trong số những ý tưởng nổi bật về vấn đề này có:

– Thuyết khối không – thời gian (block universe): Theo cách nhìn này, toàn bộ vũ trụ – quá khứ, hiện tại và tương lai – đều tồn tại đồng thời như một khối không – thời gian 4 chiều. Chuyển động của chúng ta trong không – thời gian chỉ là cách mà chúng ta trải nghiệm thực tại, nhưng thực chất không có thứ gọi là dòng chảy thời gian.

– Thuyết vũ trụ không thời gian (timeless universe): Một số lý thuyết vật lý tiên tiến, như thuyết hấp dẫn lượng tử vòng (loop quantum gravity), đề xuất rằng thời gian không tồn tại ở cấp độ cơ bản, mà chỉ là một hiện tượng xuất hiện khi chúng ta quan sát hệ thống ở quy mô lớn.

Một đồng hồ ánh sáng sẽ có vẻ chạy khác nhau đối với những người quan sát di chuyển với tốc độ tương đối khác nhau, nhưng điều này là do tốc độ ánh sáng luôn không đổi. Định luật thuyết tương đối hẹp của Einstein chi phối cách mà những biến đổi về thời gian và khoảng cách diễn ra giữa các quan sát viên khác nhau. Tuy nhiên, mỗi quan sát viên sẽ thấy thời gian trôi qua với cùng một tốc độ trong hệ quy chiếu của họ: một giây mỗi giây. Nhưng khi họ đem đồng hồ của mình so sánh sau thí nghiệm, họ sẽ nhận thấy chúng không còn khớp nhau nữa.

Đối với người trên con tàu đang di chuyển, họ sẽ đo được rằng một khoảng thời gian nhất định phải trôi qua để ánh sáng đi đến đầu kia của toa tàu. Nhưng đối với người đứng yên trên mặt đất, họ không chỉ đo được một khoảng thời gian dài hơn mà còn kết luận rằng người trên tàu (và tất cả mọi thứ trên tàu) thực sự đang già đi chậm hơn so với họ. Đối với một quan sát viên đứng yên, một vật thể đang chuyển động sẽ lão hóa chậm hơn một vật thể đứng yên.

Lý do của hiện tượng này là vì trong tự nhiên, đại lượng tuyệt đối không phải là không gian hay thời gian, mà là tốc độ ánh sáng trong chân không – tốc độ tối đa mà một vật có thể di chuyển qua không – thời gian. Điều này dẫn đến một kết luận quan trọng:

– Càng di chuyển nhanh trong không gian, bạn càng di chuyển chậm trong thời gian, và ngược lại.

– Nếu bạn muốn tối đa hóa sự di chuyển của mình qua thời gian, bạn phải đứng yên tuyệt đối; bất kỳ ai di chuyển tương đối với bạn sẽ trải nghiệm thời gian trôi chậm hơn.

Đối với hai người quan sát – một đứng yên trên mặt đất, một di chuyển trên tàu – các phép đo thời gian của họ khác nhau, nhưng khác nhau theo một cách có thể tiên đoán được. Nếu áp dụng thuyết tương đối hẹp, cả hai quan sát viên đều có thể tính toán chính xác không chỉ thời gian trôi qua trong hệ quy chiếu của mình, mà còn thời gian mà người kia đo được.

Bức ảnh này cho thấy các nhà khoa học Hafele và Keating cùng hai chiếc đồng hồ nguyên tử trong chuyến bay vòng quanh thế giới, nơi họ kiểm tra thực nghiệm sự giãn nở thời gian. Một tiếp viên hàng không đang quan sát thí nghiệm. Chuyến bay năm 1972 này là thí nghiệm đầu tiên đo lường trực tiếp sự giãn nở thời gian theo cả thuyết tương đối hẹp và thuyết tương đối rộng.

Thời gian mà chúng ta cảm nhận

Khi nói đến nhận thức của con người, chúng ta biết rõ cảm giác trải nghiệm sự trôi qua của thời gian. Ngay cả khi thời gian là tương đối đối với người quan sát, điều đó vẫn hàm ý rằng nó tồn tại, chỉ là nó có một thuộc tính bất ngờ – đó là tính tương đối, một điều mà chúng ta ít nhận ra do tốc độ di chuyển của con người thường rất nhỏ so với tốc độ ánh sáng.

Tuy nhiên, cũng đáng xem xét một quan điểm khác: có thể cảm nhận của chúng ta về thời gian, hoặc thậm chí chính sự tồn tại của nó, chỉ là một ảo giác – bị chi phối bởi một hiện tượng khác, thay vì do sự chạy của một chiếc đồng hồ mà chúng ta sử dụng để đo lường thời gian.

Một cách tiếp cận thú vị là xem xét các tính chất đối xứng trong vật lý. Một trong những định lý quan trọng nhất trong vật lý là định lý Noether, vốn liên kết các đối xứng trong vật lý với các đại lượng bảo toàn.

Một trong những hệ vật lý đơn giản nhất để phân tích là chuyển động của một quả bóng đang nảy. Nếu bạn xem một đoạn phim về một quả bóng rơi xuống dưới tác động của trọng lực, bạn sẽ không thể phân biệt được rằng:

– Thời gian đang chạy xuôi, và trọng lực kéo quả bóng xuống từ vị trí ban đầu.

– Hay thời gian đang chạy ngược, và bạn đang thấy một quả bóng trước đó đã bị ném lên cao và trọng lực đang cản trở nó.

Điều này là do các định luật chuyển động tuân theo tính đối xứng đảo ngược thời gian – nghĩa là chúng không thay đổi dù bạn chạy thời gian về phía trước hay phía sau.

Không chỉ các định luật chuyển động tuân theo đối xứng thời gian, mà hầu hết các định luật vật lý cũng như vậy. Ba trong số bốn tương tác cơ bản trong vũ trụ – lực hấp dẫn, lực điện từ và lực hạt nhân mạnh – đều tuân theo đối xứng này. Điều đó có nghĩa là, chỉ bằng cách quan sát sự tiến triển của các hạt trong một hệ vật lý theo các quy luật này, chúng ta không thể xác định được thời gian đang trôi về phía trước hay phía sau.

Tuy nhiên, có hai cách để phân biệt một hệ đang diễn ra theo chiều thuận hay nghịch thời gian.

Cách đầu tiên là xem xét các phản ứng diễn ra thông qua lực hạt nhân yếu, chẳng hạn như sự phân rã phóng xạ. Hãy tưởng tượng một hạt nhân nguyên tử nặng, chứa nhiều proton và neutron. Nếu số neutron trong hạt nhân lớn hơn nhiều so với số proton, hạt nhân có thể trải qua một dạng phân rã phóng xạ gọi là phân rã beta.

– Trong phân rã beta, một neutron trong hạt nhân sẽ biến đổi thành một proton, phát ra một electron và một phản neutrino electron.

– Hiện tượng này xảy ra ở nhiều nguyên tố và đồng vị khác nhau, và thậm chí còn xảy ra với cả các neutron tự do (không bị ràng buộc trong một hạt nhân nguyên tử).

Lực hạt nhân yếu là một trong số ít tương tác cơ bản không tuân theo đối xứng thời gian – nghĩa là nó hoạt động khác nhau khi thời gian bị đảo ngược. Đây là một bằng chứng rõ ràng cho thấy có một sự khác biệt giữa việc thời gian chạy xuôi hay ngược.

Hình minh họa sơ đồ về sự phân rã beta trong một hạt nhân nguyên tử khối lượng lớn. Chỉ khi năng lượng và động lượng của neutrino (thành phần bị thiếu) được tính vào thì các đại lượng này mới được bảo toàn. Quá trình chuyển đổi từ neutron sang proton (cùng với electron và phản neutrino electron) là một quá trình thuận lợi về mặt năng lượng, trong đó khối lượng dư thừa được chuyển hóa thành động năng của các sản phẩm phân rã. Ngược lại, quá trình một proton, electron và phản neutrino kết hợp để tạo thành neutron không bao giờ xảy ra trong tự nhiên.

Thường thì một neutron sẽ phân rã thành một proton, một electron và một phản neutrino electron. Nhưng điều ngược lại – một proton, một electron và một phản neutrino electron tự phát kết hợp để tạo thành một neutron – thì chưa từng được quan sát thấy. Trên thực tế, theo nhiều cách khác nhau, tương tác yếu chính là ví dụ điển hình cho các phản ứng bất đối xứng theo thời gian trong vật lý. Không chỉ sự phân rã beta trong neutron vi phạm tính đối xứng nghịch đảo thời gian, mà tất cả các dạng phân rã do tương tác yếu điều khiển cũng vậy.

Cách thứ hai để xác định một hệ đang tiến về phía trước hay đi ngược thời gian phổ biến hơn nhiều và cũng quen thuộc hơn. Mỗi khi chúng ta thực hiện một hành động như:

– Đánh tan và nấu chín một quả trứng,

– Mở cửa tủ lạnh trong một căn nhà đang được sưởi ấm,

– Hoặc vô tình làm vỡ một chiếc ly thủy tinh hoặc đồ sứ,

chúng ta đang tạo ra một tình huống trong đó entropy của hệ thống đã tăng lên, hay nói cách khác, mũi tên nhiệt động lực học của thời gian đã tiến về phía trước.

Chắc hẳn bạn đã từng nghe đến khái niệm entropy như một thước đo sự hỗn loạn của một hệ vật lý, nhưng thực tế, quá trình diễn ra bên trong còn sâu sắc hơn nhiều. Bên trong bất kỳ hệ nào, luôn tồn tại một dạng chênh lệch năng lượng nhất định.

– Một quả trứng chưa bị khuấy có sự chênh lệch năng lượng giữa lòng trắng (albumen) và lòng đỏ, với lớp màng xung quanh lòng đỏ giữ chúng không bị trộn lẫn.

– Một quả trứng sống chứa năng lượng tiềm tàng trong các phân tử của nó, và khi bạn nấu chín, năng lượng hóa học này được giải phóng, tạo ra các liên kết mới và làm thay đổi cấu trúc của trứng.

– Một chiếc ly thủy tinh hoặc đồ sứ cũng chứa năng lượng tiềm tàng trong cấu trúc của nó, và khi nó vỡ, năng lượng tiềm tàng này được giải phóng.

Một chiếc ly rượu vang, khi bị tác động bởi rung động với tần số thích hợp, sẽ vỡ tan. Đây là một quá trình làm tăng mạnh entropy của hệ thống và là một hiện tượng thuận lợi về mặt nhiệt động lực học. Quá trình ngược lại – trong đó các mảnh vỡ của ly tự sắp xếp lại thành một chiếc ly nguyên vẹn, không có vết nứt – là vô cùng hiếm đến mức nó chưa từng xảy ra một cách tự phát trong thực tế.

Tuy nhiên, nếu chuyển động của từng mảnh vỡ được đảo ngược chính xác, chúng thực sự có thể bay trở lại và, ít nhất trong một khoảnh khắc, tái lập lại chiếc ly rượu vang.

Trong cơ học Newton, tính đối xứng nghịch đảo thời gian là hoàn hảo, nhưng trong nhiệt động lực học, nó không được tuân theo.

Mặc dù đúng là mũi tên nhiệt động lực học của thời gian luôn hướng về phía trước – entropy của một hệ kín, cô lập không bao giờ giảm mà chỉ có thể tăng lên – nhưng không đúng khi cho rằng điều này gây ra hoặc có liên hệ với cảm nhận của chúng ta về sự trôi qua của thời gian.

Chúng ta có thể kiểm tra điều này bằng cách làm giảm entropy một cách nhân tạo trong một hệ thống bằng cách không để nó ở trạng thái kín và cô lập, mà bằng cách cung cấp năng lượng theo một cách cụ thể để entropy bên trong hệ giảm xuống.

Ví dụ, ta có thể làm điều này bằng cách lấy một căn phòng chứa đầy các hạt nóng và lạnh, đặt một vách ngăn ở giữa phòng, sau đó mở một lỗ trên vách ngăn mỗi khi:

– Một hạt lạnh di chuyển từ bên trái sang bên phải,

– Một hạt nóng di chuyển từ bên phải sang bên trái,

– Và giữ vách ngăn đóng trong tất cả các trường hợp khác.

Việc chuyển từ một căn phòng có nhiệt độ đồng đều sang trạng thái có hai vùng riêng biệt – một bên chứa toàn hạt nóng và một bên chứa toàn hạt lạnh – thể hiện sự giảm mạnh của entropy.

Tuy nhiên, nếu có một cách nào đó để đo lường sự trôi qua của thời gian từ bên trong căn phòng này, bạn sẽ thấy rằng nhận thức của mình không cho rằng thời gian đang chạy ngược lại, ngay cả khi entropy đang giảm xuống.

Liệu thời gian chỉ là một ảo giác?

Nói cách khác, nhận thức của chúng ta về dòng chảy của thời gian – rằng nó luôn tiến về phía trước với tốc độ một giây mỗi giây đối với bất kỳ người quan sát nào – hoàn toàn không liên quan đến mũi tên nhiệt động lực học của thời gian hay sự gia tăng (hoặc không) của entropy.

Hình minh họa này cho thấy hai bên của một căn phòng: một bên nóng, một bên lạnh, với một con quỷ có khả năng mở và đóng vách ngăn giữa chúng. Nếu vách ngăn được mở, các khí sẽ trộn lẫn; nếu ban đầu các khí đã được trộn đều, con quỷ có thể mở và đóng vách ngăn để sắp xếp lại căn phòng, ngay cả khi hệ thống này khép kín (nhưng không cô lập hoàn toàn).

Vậy còn câu hỏi triết học cổ điển thì sao? Liệu một cây đổ trong rừng mà không ai ở đó thì có gây ra tiếng động?

Như Bart Simpson đã nói rất đúng, câu trả lời chắc chắn là có. Mặc dù quan điểm triết học cho rằng âm thanh không thể tồn tại nếu không có người nghe, nhưng giờ đây chúng ta biết rằng âm thanh thực chất chỉ là một sóng áp suất, được tạo ra từ chuyển động tập thể của các hạt – có thể truyền qua không khí, nước hoặc đất rắn. Điều đó có nghĩa là nó tồn tại độc lập, bất kể có người nghe (hoặc quan sát viên) nào ở đó để trải nghiệm hiệu ứng âm thanh hay không. Thực tại vĩ mô vẫn tồn tại dù có người quan sát hay không.

Tuy nhiên, ý tưởng này không hoàn toàn đúng ở cấp độ lượng tử. Đã có một thí nghiệm nổi tiếng – với nhiều biến thể khác nhau – được thực hiện từ thế kỷ 19: thí nghiệm hai khe. Nếu bạn gửi một làn sóng, chẳng hạn như sóng nước, qua hai khe, phần sóng đi qua sẽ tạo ra một mô hình giao thoa ở phía bên kia. Điều này không chỉ đúng với sóng cổ điển mà còn áp dụng cho photon, electron và bất kỳ hạt lượng tử nào có tính chất sóng, ngay cả khi chúng được gửi qua hai khe từng hạt một.

Tuy nhiên, nếu bạn đo xem mỗi photon hoặc electron đi qua khe nào, bạn sẽ không còn thấy mô hình giao thoa nữa – mà chỉ thu được hai đống hạt. Dường như tự nhiên biết rằng bạn đang quan sát nó hay không.

Bằng cách thiết lập một mặt nạ có thể di chuyển, bạn có thể chọn chặn một hoặc cả hai khe trong thí nghiệm hai khe, từ đó quan sát kết quả và cách nó thay đổi khi mặt nạ di chuyển. Miễn là cả hai khe đều không bị che khuất và bạn không đo xem hạt đi qua khe nào, bạn sẽ thấy mô hình giao thoa xuất hiện.

Liệu điều này cũng đúng với thời gian?

Liệu thời gian có thể không tồn tại, trừ khi – và cho đến khi – có một người quan sát đo lường nó?

Điều này có vẻ rất khó xảy ra, và có một lý do sâu sắc để chúng ta có thể khẳng định: những quan sát trực tiếp về vũ trụ sơ khai. Chúng ta biết, theo các định luật vật lý, rằng trong giai đoạn đầu của vũ trụ, hoàn toàn không có người quan sát nào cả. Đã có rất nhiều sự kiện xảy ra trước khi bất cứ điều gì có thể quan sát được hình thành, bao gồm:

– Sự tạo ra vật chất nhiều hơn phản vật chất,

– Sự hình thành hạt nhân nguyên tử,

– Sự hình thành nguyên tử trung hòa,

– Sự ra đời của nhiều thế hệ sao để tạo ra các nguyên tố nặng,

– Và để những nguyên tố nặng đó trải qua vô số phản ứng hóa học, từ đó hình thành nên một thứ gì đó có khả năng quan sát vũ trụ.

Tất cả những quá trình đó mất ít nhất vài trăm triệu năm để hoàn thành, và có thể là hàng tỷ năm, vì sự xuất hiện và tiến hóa của sự sống diễn ra rất chậm.

Tuy nhiên, khi chúng ta quan sát vũ trụ xa xôi, chúng ta thấy bằng chứng rằng tất cả những điều đó đã xảy ra từ rất lâu – trước khi có bất kỳ người quan sát nào xuất hiện. Điều này mang đến bằng chứng rất mạnh mẽ rằng thời gian đã tồn tại theo một nghĩa vật lý thực sự từ trước khi có bất kỳ người quan sát nào.

Nhờ các đài quan sát hiện đại, chúng ta có thể quay ngược thời gian và nhìn lại những bằng chứng đó bất cứ khi nào chúng ta muốn – từ bức xạ nền vi sóng vũ trụ, sự phong phú của các nguyên tố nhẹ, cho đến những ngôi sao và thiên hà đầu tiên từng được quan sát.

JADES-GS-z14-0 (trong khung nhỏ trên cùng) nằm phía sau (và ngay bên phải) một thiên hà gần hơn, sáng hơn, có màu xanh hơn. Chỉ nhờ vào khả năng quang phổ có độ phân giải cực cao, có thể tách biệt hai nguồn sáng, mà bản chất của thiên thể xa kỷ lục này mới được xác định. Ánh sáng của nó đến với chúng ta từ thời điểm vũ trụ chỉ mới 285–290 triệu năm tuổi, tức khoảng 2,1% tuổi hiện tại của nó. JADES-GS-z14-1, ngay bên dưới nó, có ánh sáng xuất phát từ thời điểm vũ trụ khoảng 300 triệu năm tuổi. So với các thiên hà lớn thời hiện đại, tất cả các thiên hà sơ khai đều có rất ít sao và mang hình dạng bất thường, không rõ ràng.

Liệu thời gian chỉ là một tính chất nảy sinh?

Có một cách mà thời gian có thể chỉ là một ảo giác: đó là nó vẫn có thể là một thuộc tính nảy sinh của vũ trụ, thay vì là một yếu tố cơ bản. Chúng ta thường xem không gian, thời gian và các hạt (lượng tử) như những thực thể cơ bản của vũ trụ, trong khi các đại lượng có thể suy ra từ chúng – chẳng hạn như entropy – lại là những thuộc tính nảy sinh.

Tuy nhiên, có những cách tiếp cận toán học khác, trong đó người ta có thể coi entropy là yếu tố cơ bản, và từ đó, các tính chất khác, bao gồm cả thời gian, có thể được suy ra như những thuộc tính nảy sinh.

Mặc dù cả thời gian và entropy đều rõ ràng tồn tại về mặt vật lý, nhưng không nhất thiết phải rõ ràng yếu tố nào là cơ bản và yếu tố nào là nảy sinh – và hiện tại, chúng ta chưa biết cách kiểm tra điều này.

Tuy nhiên, chúng ta có thể khá chắc chắn rằng thời gian thực sự tồn tại, ít nhất là ở một mức độ nào đó. Khi vật lý đặt câu hỏi liệu một thứ gì đó có tồn tại hay không, chúng ta thường hỏi:

– Chúng ta có thể đo lường nó không?

– Chúng ta có thể định lượng nó không?

– Chúng ta có thể định nghĩa nó theo một cách toán học nhất quán không?

– Nó có phải là một đại lượng có thể quan sát được không?

– Và liệu các đại lượng có thể quan sát khác có phụ thuộc một cách không thể tách rời vào nó không?

Từ cấp độ lượng tử đến vĩ mô rồi đến vũ trụ, câu trả lời cho tất cả những câu hỏi này về thời gian đều là có.

Mặc dù có nhiều điều kỳ lạ trong cách thời gian vận hành, và vẫn còn nhiều thiếu sót trong bất kỳ định nghĩa nào mà chúng ta cố gắng gán cho nó (tương tự như năng lượng), nhưng mọi thứ mà chúng ta có thể quan sát, đo lường và kiểm nghiệm về nó đều chỉ ra rằng thời gian là có thật.

Nếu thời gian thực sự chỉ là một ảo giác, thì đó là một ảo giác đã đánh lừa ngay cả những phương pháp hiểu biết tốt nhất của chúng ta về sự tồn tại vật lý của chính mình cho đến nay.