Sự mâu thuẩn đang tồn tại của mũi tên thời gian

Mũi tên nhiệt động lực học của thời gian giải thích vì sao entropy của bất kỳ hệ cô lập nào cũng luôn tăng.

Nhưng nó không thể giải thích những gì chúng ta cảm nhận được.

Mở đầu

Phần lớn chúng ta, trong cuộc sống hàng ngày, cảm nhận thời gian như một thứ cố định. Nó luôn trôi đi, theo chiều tiến tới, với một tốc độ dễ đo đếm mà mọi người quan sát đều có thể đồng thuận.

Nhưng khi hai người quan sát so sánh điều mà họ cảm nhận là một giây, họ không phải lúc nào cũng đồng ý với nhau. Điều này chỉ được giải thích vào đầu những năm 1900, với sự xuất hiện của thuyết tương đối của Einstein – điều bất ngờ rằng bản thân thời gian, vốn được coi là nền tảng và phổ quát, thực chất lại là tương đối. Những người quan sát khác nhau, miễn là họ di chuyển trong không gian với tốc độ khác nhau hoặc theo các hướng khác nhau, sẽ cảm nhận dòng chảy của thời gian khác nhau. Việc hai sự kiện xảy ra đồng thời hay sự kiện này xảy ra trước sự kiện kia hoàn toàn phụ thuộc vào góc nhìn của người quan sát.

Tuy nhiên, dù thời gian có mơ hồ thế nào, vẫn có những sự thật về nó mà mọi người quan sát đều đồng ý.

Có lẽ sự thật cơ bản nhất – và đồng thời cũng là điều bí ẩn nhất – đó là: ai cũng sẽ thấy thời gian trôi theo một chiều nhất định trong hệ quy chiếu quán tính của riêng mình, và luôn ở cùng một tốc độ: một giây mỗi giây.

Thực tế này được gọi là mũi tên thời gian, hay cụ thể hơn là mũi tên thời gian cảm nhận. Có nhiều giả thuyết được đưa ra để giải thích vì sao chúng ta cảm nhận thời gian theo cách như vậy, và một trong những giả thuyết đó chính là mũi tên thời gian duy nhất khác mà ta biết đến: mũi tên nhiệt động lực học của thời gian, khi entropy luôn tăng.

Đáng tiếc là hai mũi tên này không thể là một.

Mũi tên nhiệt động lực học của thời gian không phải là lời giải thích tốt cho mũi tên thời gian mà chúng ta cảm nhận.

Dù có người lập luận ngược lại, khoa học đã rất rõ ràng về điều này. Dưới đây là lý do tại sao.

Đồng hồ ánh sáng sẽ vận hành khác nhau đối với những người quan sát di chuyển ở các tốc độ tương đối khác nhau

Nhưng đó là do tốc độ ánh sáng là hằng số.

Định luật tương đối hẹp của Einstein chi phối cách mà thời gian và khoảng cách biến đổi giữa các người quan sát khác nhau. Tuy nhiên, mỗi người quan sát cá nhân sẽ thấy thời gian trôi qua với cùng một tốc độ, miễn là họ ở trong hệ quy chiếu của chính mình: một giây mỗi giây – dù khi họ so đồng hồ sau thí nghiệm, họ sẽ phát hiện rằng đồng hồ của họ không còn trùng khớp.

Mỗi khoảnh khắc trôi qua, bất kể điều gì đang xảy ra xung quanh, chúng ta đều trải nghiệm một dạng du hành thời gian cơ bản nhất.

Đó là sự trôi chậm rãi của thời gian khi ta tiến vào tương lai.

Mỗi giây phút trôi qua, ánh sáng tiếp tục lan truyền theo hướng mà nó đang chuyển động, duy trì tốc độ không đổi (tốc độ ánh sáng), và đi được một khoảng cách tương ứng trong mỗi đơn vị thời gian – bất kể có điều gì khác xảy ra xung quanh.

Không có thời điểm nào, và trong bất kỳ hoàn cảnh nào, mà thời gian có vẻ như đứng yên hay đảo ngược – nó chỉ có thể tiếp tục tiến về phía trước.

Nói cách khác, mũi tên thời gian luôn chỉ về hướng tương lai đối với mọi thứ tồn tại trong Vũ trụ của chúng ta

Nhưng đây lại là một điều bí ẩn đối với vật lý cơ bản, vì không có lời giải thích rõ ràng nào cho việc tại sao thời gian lại hành xử theo cách đó.

Các định luật tự nhiên, với rất rất ít ngoại lệ, là hoàn toàn đối xứng thời gian.

Từ Newton đến Einstein, từ Maxwell đến Bohr, từ Dirac đến Feynman – các phương trình chi phối thực tại đều không ưu tiên chiều nào của dòng thời gian.

Hành vi của bất kỳ hệ thống nào đều có thể được mô tả bởi những phương trình có giá trị như nhau dù áp dụng theo chiều thời gian tiến hay lùi.

Tuy nhiên, chúng ta có thể di chuyển lùi cũng như tiến trong cả ba chiều không gian.

Bằng cách nào đó, thời gian lại khác biệt.

Mũi tên thời gian của chúng ta đến từ đâu?

Entropy, ký hiệu là S, đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong vật lý nói chung và nhiệt động lực học nói riêng.

Nó cũng có một mũi tên trùng với mũi tên thời gian.

Nhưng liệu việc entropy không bao giờ giảm có đồng nghĩa rằng chính entropy là nguyên nhân của mũi tên thời gian cảm nhận?

Khẳng định này là điều đáng nghi ngờ.

Theo quan điểm của nhiều người, dường như có một mối liên hệ gợi ý giữa thứ mà ta cảm nhận là mũi tên thời gian và một đại lượng gọi là entropy.

Thường được biết đến là thước đo mức độ hỗn loạn trong một hệ vật lý, thực ra có hai mô tả chính xác hơn khi nói về đại lượng vật lý này.

Entropy có thể được xem là số cách có thể sắp xếp trạng thái lượng tử của hệ thống của bạn.

Nếu bạn có nhiều phương án hơn để sắp xếp hệ thống sao cho nó vẫn giữ nguyên bản chất, thì entropy sẽ cao hơn so với khi có ít phương án hơn.

Một căn phòng có 20 vùng nhiệt độ khác nhau có entropy thấp hơn căn phòng nơi mọi vị trí đều có cùng nhiệt độ.

Một căn phòng với bên nóng và bên lạnh được ngăn cách bằng vách có entropy thấp hơn một căn phòng được khuấy trộn đều sau khi gỡ bỏ vách ngăn.

Khi xét từ góc độ xác suất, entropy là thước đo khả năng xảy ra của trạng thái hiện tại.

Nếu bạn đặt một hệ thống trong một trạng thái thấp entropy, thì theo thời gian nó sẽ tiến hóa thành các trạng thái có xác suất cao hơn – tức là entropy cao hơn.

Điều này dễ thấy trong các thí nghiệm: nếu bạn đổ một cốc mực vào nước, ban đầu mực tập trung ở một chỗ – một trạng thái có entropy thấp.

Nhưng theo thời gian, mực sẽ khuếch tán ra khắp cốc, trộn đều với nước – đó là trạng thái có entropy cao hơn và cũng phổ biến hơn về mặt thống kê.

Chúng ta không bao giờ thấy mực tự động tập trung trở lại về một điểm.

Điều đó không vi phạm bất kỳ định luật vật lý nào, nhưng là cực kỳ không có khả năng xảy ra.

Tuy nhiên, việc entropy luôn tăng không có nghĩa nó gây ra trải nghiệm cảm nhận thời gian.

Chúng ta biết rằng entropy của một hệ cô lập có xu hướng tăng lên.

Nếu bạn bắt đầu ở trạng thái entropy thấp, xác suất rất cao là hệ thống sẽ tiến hóa đến các trạng thái có entropy cao hơn.

Điều này đã được xác nhận trong vô số thí nghiệm và là nền tảng của nhiệt động lực học.

Nhưng điều đó không có nghĩa rằng entropy gây ra sự trải nghiệm về chiều hướng của thời gian.

Đây là một sự nhầm lẫn phổ biến giữa tương quan và nguyên nhân.

Chỉ vì chúng ta thấy rằng entropy luôn tăng khi thời gian trôi, không có nghĩa rằng chính entropy là thứ làm cho thời gian trôi theo một chiều nhất định.

Hai hiện tượng có thể xảy ra đồng thời mà không có mối quan hệ nhân quả trực tiếp giữa chúng.

Vì vậy, ngay cả khi mũi tên nhiệt động lực học trùng với mũi tên thời gian cảm nhận, điều đó không đồng nghĩa rằng chúng là một và như nhau.

Các nhà vật lý vẫn đang tranh luận và nghiên cứu về nguồn gốc thực sự của mũi tên thời gian.

Một số giả thuyết tìm cách giải thích mũi tên thời gian từ những điều kiện ban đầu của Vũ trụ: rằng Vụ Nổ Lớn (Big Bang) tạo ra một trạng thái entropy thấp đặc biệt mà từ đó mọi thứ chỉ có thể tiến hóa theo hướng entropy tăng.

Những người khác thì tìm kiếm lời giải thích trong lĩnh vực nhận thức – tức là não bộ chúng ta và cách nó xử lý thông tin có thể đóng vai trò trong cảm giác một chiều của thời gian.

Thậm chí có những lý thuyết lượng tử cho rằng sự trôi của thời gian là kết quả của việc sự chồng chập lượng tử bị phá vỡ khi một phép đo xảy ra – một ý tưởng gây tranh cãi, nhưng đang thu hút nhiều nghiên cứu.

Dù thế nào đi nữa, câu hỏi về mũi tên thời gian vẫn còn bỏ ngỏ. Chúng ta biết thời gian dường như chỉ trôi theo một hướng – từ quá khứ đến tương lai. Chúng ta cũng biết rằng entropy luôn tăng trong một hệ cô lập.

Nhưng việc hai điều đó liên kết với nhau như thế nào, và liệu chúng có thực sự là biểu hiện của cùng một hiện tượng, thì vẫn còn là một trong những câu hỏi sâu sắc nhất trong vật lý hiện đại.

Cho đến khi có câu trả lời rõ ràng, mũi tên thời gian vẫn là một trong những điều vừa quen thuộc vừa bí ẩn nhất mà chúng ta từng biết.

Nó hiện diện trong từng giây phút, trong từng chuyển động, trong từng ký ức và dự định tương lai – nhưng bản chất thật sự của nó thì vẫn đang chờ được hé lộ.

Entropy và mũi tên thời gian: Mối liên hệ sâu xa hay chỉ là trùng hợp?

Entropy cũng có thể được hiểu như thước đo mức năng lượng nhiệt có thể chuyển thành công cơ học hữu ích.

Khi bạn có nhiều năng lượng sẵn sàng để thực hiện công – ví dụ như một căn phòng với nguồn nhiệt nóng và vùng nhận nhiệt lạnh – thì hệ thống đó có entropy thấp, bởi vì dòng chảy của năng lượng (hoặc nhiệt, hoặc hạt) có thể được khai thác để tạo ra công.

Ngược lại, nếu bạn có rất ít năng lượng có thể sử dụng (chẳng hạn như căn phòng có nhiệt độ gần như đồng đều), thì đó là một hệ thống có entropy cao.

Chuyển động vĩnh cửu từ lâu đã là ước mơ của các nhà phát minh, nhưng điều đó vi phạm các định luật vật lý. Cụ thể, nó mâu thuẫn với định luật thứ ba của Newton và các định luật nhiệt động lực học.

Trong Vũ trụ của chúng ta, entropy không bao giờ có thể tự nhiên giảm xuống – và chỉ điều này thôi cũng đủ để bác bỏ mọi ý tưởng về chuyển động vĩnh cửu. Khi bàn về entropy, chúng ta phải xét đến những giới hạn do khoa học nhiệt động lực học đặt ra. Đặc biệt là các định luật của nhiệt động lực học.

Định luật thứ hai có vai trò cực kỳ quan trọng, khẳng định rằng entropy của một hệ kín và cô lập – nghĩa là không trao đổi vật chất hoặc năng lượng với môi trường bên ngoài – chỉ có thể tăng hoặc giữ nguyên theo thời gian; nó không bao giờ có thể giảm. Mặc dù Vũ trụ chỉ là hệ thống gần đúng với kín và cô lập, nhưng đó là một gần đúng rất tốt cho hầu hết các ứng dụng.

Nói cách khác, theo thời gian, entropy của toàn bộ Vũ trụ phải tăng. Đây là định luật vật lý duy nhất được biết đến thể hiện một hướng ưu tiên của thời gian.

Vậy điều đó có nghĩa là chúng ta chỉ cảm nhận thời gian theo một chiều vì định luật thứ hai của nhiệt động lực học?

Nếu đúng như vậy, điều đó sẽ cho thấy có một mối liên hệ sâu sắc giữa mũi tên thời gian và entropy.

Nhiều người trong cộng đồng triết học (bao gồm cả các nhà vật lý bước chân vào triết học) cho rằng có thể tồn tại mối liên hệ như vậy.

Tuy nhiên, đây không chỉ là vấn đề của triết học.

Thay vào đó, chúng ta có thể tìm đến bằng chứng vật lý từ các hệ thống mà trong đó entropy tăng, entropy giữ nguyên, hoặc thậm chí bị tác động bên ngoài để làm giảm một cách nhân tạo (trong hệ không còn kín và cô lập).

Nếu mũi tên thời gian cảm nhận được luôn tiến về phía trước, bất kể entropy bên trong hệ tăng hay giảm, thì mối liên hệ được đề xuất này sẽ bị bác bỏ.

Có rất nhiều bằng chứng khoa học ủng hộ mô hình Vũ trụ giãn nở và Vụ Nổ Lớn

Trong suốt hàng tỷ năm đầu của lịch sử vũ trụ, tốc độ giãn nở và mật độ năng lượng tổng thể đã cân bằng chính xác, cho phép Vũ trụ tiếp tục tồn tại và hình thành các cấu trúc phức tạp.

Ngày nay, năng lượng tối chiếm ưu thế trong Vũ trụ.

Còn vào thời kỳ đầu, trước khi Vụ Nổ Lớn nóng bắt đầu, đã diễn ra một pha lạm phát vũ trụ học, mở đường và chuẩn bị điều kiện cho Big Bang diễn ra. Trên thực tế, đảo ngược chiều của entropy trong hầu hết các hệ thống là điều rất khó

Bạn có thể dễ dàng làm trứng bị đánh tan và nấu chín – nhưng quá trình ngược lại, tức là làm cho trứng sống và chưa bị đánh tan lại từ trứng đã nấu chín, thì cực kỳ khó khăn.

Dù về mặt lý thuyết điều đó không bị cấm, nhưng về mặt thực tiễn thì gần như không thể xảy ra một cách tự nhiên trong Vũ trụ này.

Việc đó sẽ đòi hỏi sự can thiệp vô cùng tinh vi ở cấp độ phân tử.

Tương tự, nếu bạn đổ kem vào cà phê và khuấy đều, thì việc tách hỗn hợp đó trở lại thành cà phê và kem riêng biệt là điều cực kỳ khó, gần như không xảy ra tự phát. Như bạn có thể đoán, nhiệt động lực học và entropy đóng vai trò chi phối trong những quá trình này

Chúng ta có thể đo lường sự khác biệt rõ rệt về entropy giữa trạng thái ban đầu (trứng sống chưa đánh, hoặc cà phê và kem chưa khuấy) và trạng thái cuối cùng (trứng đã nấu chín, hoặc hỗn hợp đã khuấy đều).

Không có gì đáng ngạc nhiên khi trạng thái cuối cùng luôn là trạng thái có entropy cao hơn.

Đây là một ví dụ cụ thể về cách entropy hoạt động: một hệ thống ban đầu có entropy thấp (với nhiều năng lượng có thể sinh công) chuyển sang trạng thái có entropy cao hơn (với ít năng lượng hơn để thực hiện công).

Như bạn đã thấy, chiều hướng của mũi tên nhiệt động lực học – nơi entropy tăng – thực sự trùng khớp với sự cảm nhận thời gian trôi về phía trước.

Khi đá tan trong đồ uống, hệ thống tiến tới cấu hình cân bằng. Lúc này, tất cả các phân tử bên trong đạt đến cùng một nhiệt độ, trái ngược với trạng thái trước khi đá tan, khi đá lạnh hơn đáng kể so với chất lỏng.

Đồ uống không bao giờ tự nóng lên và hình thành các viên đá mới; chỉ có quá trình ngược lại – nơi đồ uống ấm và đá lạnh tiến dần tới trạng thái cân bằng nhiệt.

Thiên nhiên đầy rẫy những ví dụ về các phản ứng không thể đảo ngược

Ví dụ như việc trộn kem vào cà phê, hoặc đánh trứng và nấu chín.

Khi bạn thả một viên đá vào cốc nước ấm, đá sẽ tan ra, làm nước mát hơn và tạo thành một dung dịch đồng đều có nhiệt độ thấp hơn.

Ngược lại, một cốc nước mát sẽ không bao giờ tự chia tách thành nước ấm và đá viên – điều đó bị cấm bởi định luật thứ hai của nhiệt động lực học.

Tương tự, nếu bạn tạo ra một căn phòng với vách ngăn chia đôi – một bên nóng, một bên lạnh – thì khi bạn mở cánh cửa trong vách ngăn, các hạt sẽ bắt đầu trộn lẫn.

Theo thời gian, căn phòng sẽ tiến đến trạng thái cân bằng nhiệt. Vào một thời điểm đủ muộn, cả hai bên căn phòng sẽ có các hạt ở nhiệt độ trung gian.

Không bao giờ – bất kể bạn chờ bao lâu – hai bên của căn phòng sẽ tự phát tách lại thành bên nóng và bên lạnh.

Đây chính là cái giá mà các định luật nhiệt động lực học buộc Vũ trụ phải trả theo thời gian: entropy tổng thể của một hệ kín và cô lập không bao giờ có thể giảm.

Những tương tác mà chúng ta đang mô tả ở đây không thể tự phát đảo ngược. Tuy nhiên, nếu bạn loại bỏ điều kiện tự phát và kín – cô lập, thì một hệ thống có thể bị điều khiển để làm giảm entropy.

Điều này mở ra khả năng cho một số hệ thống cục bộ có thể được thao túng từ bên ngoài nhằm đảo ngược entropy, dù chỉ trong phạm vi giới hạn.

Việc này không vi phạm các định luật vật lý – miễn là hệ thống không còn cô lập hoàn toàn – nhưng nhấn mạnh rằng mũi tên thời gian mà chúng ta cảm nhận được không phải lúc nào cũng trực tiếp gắn chặt với entropy.

Nếu vậy, khả năng đảo ngược entropy là điều khả thi – nhưng chỉ khi hệ thống không còn là một hệ kín và cô lập

Một hệ thống mở – nơi mà vật chất hoặc năng lượng được đưa vào từ bên ngoài – có thể giảm entropy một cách cục bộ.

Điều này xảy ra xung quanh chúng ta mọi lúc.

Cây cối, động vật, con người, thậm chí cả hành tinh Trái Đất – tất cả đều là những hệ thống có entropy cục bộ thấp hơn nhiều so với tổng thể môi trường mà chúng ta sống trong đó.

Điều này được duy trì nhờ vào việc lấy năng lượng từ bên ngoài – chẳng hạn như Mặt Trời – và sau đó thải nhiệt ra môi trường xung quanh, qua đó tăng tổng entropy của hệ lớn hơn (bao gồm cả hệ thống và môi trường).

Sự sống tồn tại không phải bằng cách chống lại entropy, mà bằng cách điều hướng nó

Chúng ta lấy vào năng lượng có tổ chức (ánh sáng Mặt Trời, thức ăn, oxy…) và sau đó thải ra năng lượng ít tổ chức hơn (nhiệt, CO₂, chất thải…).

Quá trình này không vi phạm định luật thứ hai của nhiệt động lực học, bởi vì mặc dù entropy cục bộ có thể giảm, nhưng entropy tổng thể của toàn hệ – sinh vật + môi trường – vẫn tăng.

Đây là cách mà các dạng sống có trật tự cao vẫn có thể phát triển trong một vũ trụ có entropy ngày càng tăng.

Nhưng nếu bạn cố cô lập một hệ thống như vậy – không trao đổi vật chất hay năng lượng với môi trường – thì entropy không thể giảm.

Đây là lý do tại sao các cỗ máy vĩnh cửu là bất khả thi.

Không có hệ thống cô lập nào có thể duy trì công suất hoặc hiệu suất mà không có thất thoát.

Và vì entropy không bao giờ tự giảm trong một hệ như vậy, cuối cùng nó sẽ tiến đến trạng thái cân bằng – nơi không còn khả năng sinh công – và chết nhiệt.

Cái gọi là cái chết nhiệt của vũ trụ là trạng thái entropy cực đại, nơi không còn sự khác biệt về năng lượng để thực hiện công. Nếu Vũ trụ tiếp tục giãn nở mãi mãi và không có sự kiện nào làm mới năng lượng khả dụng (chẳng hạn như co lại hoặc chu kỳ), thì tất cả các dạng năng lượng sẽ dần phân tán đến mức không còn khả năng thực hiện bất kỳ công nào.

Khi đó, mọi quá trình nhiệt động lực học sẽ dừng lại.

Không còn các vì sao hình thành, không còn sự sống, không còn ánh sáng – chỉ còn một trạng thái lạnh, tối, đồng đều, và không đổi: một Vũ trụ chết nhiệt.

Và đó là hướng mà entropy đang dẫn dắt chúng ta. Từ một Vũ trụ sơ khai với entropy thấp và năng lượng dồi dào – đến một tương lai xa, nơi không còn gì để chuyển động, thay đổi, hay sinh công.

Mặc dù những đảo ngược cục bộ của entropy là có thể, đặc biệt trong những hệ mở và có điều khiển, nhưng mũi tên nhiệt động lực học của thời gian – trên quy mô lớn – vẫn chỉ về phía trước.

Đó không chỉ là một định luật vật lý, mà còn là lý do chúng ta nhớ quá khứ, nhưng không bao giờ nhớ tương lai.

Hệ thống có cửa đóng và mở: So sánh Entropy

Một hệ thống được thiết lập với điều kiện ban đầu ở bên trái và được phép tiến triển sẽ có entropy thấp hơn nếu cửa vẫn đóng (bên trái) so với khi cửa được mở (bên phải). Nếu các hạt được phép trộn lẫn, sẽ có nhiều cách hơn để sắp xếp gấp đôi số hạt ở cùng một nhiệt độ cân bằng so với việc sắp xếp một nửa số hạt đó, mỗi nửa ở hai nhiệt độ khác nhau. Điều này dẫn đến entropy lớn hơn nhiều cho hệ thống bên phải so với hệ thống bên trái.

Có một lưu ý mà hầu hết mọi người thường quên khi nói đến định luật nhiệt động lực học thứ hai và sự tăng entropy tưởng như không thể tránh khỏi: định luật này chỉ đúng khi chúng ta áp dụng nó cho một hệ thống đóng và cách ly. Chừng nào chúng ta có một hệ thống mà không có năng lượng từ bên ngoài đưa vào hay rút ra, không có hạt nào được thêm vào hay lấy đi, và không có sự bổ sung hay suy giảm entropy liên quan đến môi trường bên ngoài, thì định luật nhiệt động lực học thứ hai là bắt buộc. Không có ngoại lệ nào được biết đến đối với định luật này trong các hệ thống đóng và cách ly.

Nhưng điều gì xảy ra nếu chúng ta thiết lập hệ thống vật lý theo cách mà những điều kiện đó bị vi phạm? Hóa ra, khi chúng ta đưa năng lượng vào hệ thống, hoặc khi chúng ta thêm hay loại bỏ vật chất khỏi hệ thống, thì đột nhiên việc vi phạm định luật nhiệt động lực học thứ hai trở nên khả thi. Hãy xem lại một lần nữa, một cái hộp có một bên nóng và một bên lạnh, được ngăn cách bằng một vách ngăn, so với cùng cái hộp đó khi hai bên được trộn đều và có cùng nhiệt độ. Liệu có cách nào để đảo ngược phản ứng hai nửa của hộp không – tức là bắt đầu từ trạng thái trộn đều và kết thúc với một bên nóng và một bên lạnh của hộp?

Một biểu diễn của Quỷ Maxwell, có thể phân loại các hạt theo năng lượng ở mỗi bên của hộp. Bằng cách mở và đóng vách ngăn giữa hai bên, dòng các hạt có thể được kiểm soát tinh vi, làm giảm entropy của hệ thống bên trong hộp. Tuy nhiên, quỷ này phải tiêu tốn năng lượng để thực hiện điều đó, và tổng entropy của hệ thống hộp + quỷ vẫn tăng lên khi bạn tính đến ảnh hưởng của quỷ.

Thực tế đúng là có một cách. Ý tưởng này được nhà vật lý vĩ đại James Clerk Maxwell nghĩ ra từ những năm 1870. Bằng cách giả định một thực thể bên ngoài có khả năng nhanh chóng mở hoặc đóng một vách ngăn hay cánh cửa giữa hai bên của căn phòng vào thời điểm then chốt, các phân tử lạnh có thể được thu gom về một bên và không được phép đi sang phía đối diện, trong khi các phân tử nóng cũng được giữ lại ở bên kia. Ý tưởng này hiện nay được gọi là Quỷ Maxwell, và nó cho phép bạn giảm entropy của hệ thống, nhưng chỉ với một cái giá: cái giá là năng lượng cần thiết để giám sát hệ thống và mở – đóng cửa phân cách hai bên.

Tuy nhiên, theo quy trình này, bạn không vi phạm định luật nhiệt động lực học thứ hai, vì cái hộp không còn là một hệ thống đóng và cách ly nữa. Thay vào đó, bạn phải xem xét tổng entropy của cái hộp cộng với entropy của quỷ (hoặc các hành động của quỷ), và khi cộng lại, bạn sẽ thấy tổng entropy luôn tăng lên, như bạn mong đợi. Chỉ khi bạn chỉ nhìn vào một phần của hệ thống – chẳng hạn như chỉ cái hộp (và bỏ qua quỷ và hành động của nó) – thì bạn mới thấy sự giảm entropy.

Nhưng tình huống bên trong cái hộp này chính là điều mà chúng ta cần để bác bỏ mối liên hệ giả định giữa mũi tên nhiệt động lực học của thời gian và mũi tên cảm nhận của thời gian. Ngay cả khi bạn sống trong cái hộp và quỷ không thể bị phát hiện – tương tự như việc bạn sống trong một túi của Vũ trụ nơi entropy cục bộ của hệ thống không đóng và không cách ly của bạn đang giảm – thì thời gian vẫn sẽ trôi về phía trước đối với bạn. Điều này đủ để rút ra kết luận lớn: mũi tên nhiệt động lực học của thời gian không quyết định mũi tên cảm nhận của chúng ta về thời gian.

Thời gian có thật không?

Thời gian thông thường là thứ mà chúng ta đo bằng đồng hồ: thiết bị ghi lại sự trôi qua của nó từ khoảnh khắc này đến khoảnh khắc khác. Dù có một lập luận triết học thú vị rằng thời gian chỉ là ảo giác, thực tế rằng chúng ta có thể đo lường, định lượng và không thể ngăn cản sự trôi qua của nó đều cho thấy rằng nó thực sự tồn tại.

Để thực hiện một thí nghiệm như vậy một cách có trách nhiệm – hoặc thậm chí thiết lập một thí nghiệm như vậy – bạn phải kiểm soát cẩn thận năng lượng và entropy đầu vào và đầu ra của hệ thống của bạn. Nếu bạn được phép đưa năng lượng vào (hoặc chuyển hạt vào) hệ thống của mình, thì tất cả các phản ứng trước đó mà chúng ta từng gán nhãn là không thể đảo ngược đột nhiên có thể xảy ra, bao gồm:

– Nấu chín và khuấy trứng thành trứng sống chưa khuấy.

– Phân tách cà phê và kem đã trộn thành từng phần riêng biệt.

– Phân tách một ly nước ấm thành một phần nóng và một viên đá.

– Tách một căn phòng có nhiệt độ đồng nhất thành một nửa nóng và một nửa lạnh.

Cũng giống như việc dọn dẹp phòng hay sắp xếp một bộ bài bị xáo có thể làm giảm entropy, nhưng chỉ với cái giá là năng lượng bạn đưa vào để tạo ra trật tự đó, các hành động này cũng phải trả giá bằng một yếu tố bên ngoài. Tuy nhiên, dù entropy trong hệ thống của bạn tăng, giảm hay không đổi – ngay cả khi bạn làm cho các phản ứng xảy ra theo cách (cục bộ) đảo ngược entropy – thì tất cả các đồng hồ trong hệ thống của bạn vẫn sẽ chạy tiến. Trong các hệ thống tự nhiên nơi entropy vẫn không đổi, chẳng hạn như một đám mây vật chất không va chạm giãn nở một cách đoạn nhiệt, thời gian vẫn trôi về phía trước. Hơn nữa, thời gian không chỉ trôi về phía trước, mà còn trôi với cùng một tốc độ đối với tất cả người quan sát, bất kể entropy của họ thay đổi ra sao: với tốc độ một giây trên mỗi giây.

Vũ trụ giãn nở và thời gian

Từ lạm phát vũ trụ đến Vụ Nổ Lớn nóng, đến sự ra đời và cái chết của các ngôi sao, thiên hà và hố đen, cho đến số phận cuối cùng của năng lượng tối, chúng ta biết rằng entropy không bao giờ giảm theo thời gian. Nhưng chúng ta vẫn không hiểu tại sao bản thân thời gian lại trôi về phía trước. Tuy nhiên, chúng ta khá chắc chắn rằng entropy, và mũi tên nhiệt động lực học của thời gian, không phải là câu trả lời.

Theo như chúng ta biết, định luật nhiệt động lực học thứ hai là đúng: entropy không bao giờ giảm đối với bất kỳ hệ thống đóng và cách ly nào trong Vũ trụ, bao gồm toàn bộ Vũ trụ quan sát được nếu xét như một hệ thống tập thể. Cũng đúng rằng thời gian, như bất kỳ ai cảm nhận, luôn trôi theo một hướng duy nhất: tiến về phía trước, với cùng một tốc độ trải nghiệm đối với tất cả mọi người. Điều mà nhiều người không nhận ra, tuy nhiên, là hai loại mũi tên này – mũi tên nhiệt động lực học của entropy và mũi tên cảm nhận của thời gian – không thể thay thế cho nhau.

Trong giai đoạn lạm phát vũ trụ đã thiết lập và đi trước Vụ Nổ Lớn nóng, nơi entropy vẫn thấp và không đổi, thời gian vẫn trôi về phía trước. Khi ngôi sao cuối cùng tắt lửa, hố đen cuối cùng phân rã và Vũ trụ cuối cùng trống rỗng bị chi phối hoàn toàn bởi năng lượng tối, thời gian vẫn sẽ trôi về phía trước. Và ở mọi thời điểm giữa hai đầu mút đó, bất kể điều gì đang xảy ra trong Vũ trụ hay entropy của bất kỳ hệ thống nào trong Vũ trụ, thời gian vẫn sẽ trôi về phía trước với đúng tốc độ phổ quát đó đối với tất cả người quan sát: một giây trên mỗi giây. Nếu bạn muốn biết tại sao ngày hôm qua là quá khứ không thể thay đổi, ngày mai sẽ đến trong một ngày, và hiện tại là những gì bạn đang trải nghiệm ngay bây giờ, bạn không đơn độc; không ai biết tại sao thời gian lại có những đặc tính đó. Điều mà chúng ta biết, tuy nhiên, là nhiệt động lực học – dù thú vị đến đâu – không phải là lời giải cho câu đố đó.