Vì sao thời gian trôi một chiều, vĩnh viễn không thể đảo ngược?

Nỗ lực đảo ngược thời gian bị ngăn bởi những quy luật vật lý như nhiệt động lực học và cấu trúc không-thời gian. Ảnh: Colossal.

Theo khoa học, thời gian không phải là một đường thẳng vô tri mà giống như một “mũi tên” chỉ tiến về phía trước và không thể quay lại. Các nhà khoa học gọi đó là “mũi tên thời gian”, khái niệm do thiên văn học Arthur Eddington đưa ra năm 1927 để mô tả thực tại không đối xứng của thế giới.

Mọi nỗ lực đảo ngược thời gian đều vấp phải những giới hạn nghiêm ngặt, từ định luật nhiệt động lực học đến cấu trúc của không-thời gian.

Quy luật entropy

Thời gian luôn trôi về phía trước và không bao giờ quay ngược lại, đó không chỉ là cảm nhận trong đời sống hàng ngày mà còn là một hiện tượng có cơ sở khoa học.

Trong vật lý, mối liên hệ giữa thời gian và entropy hay sự “hỗn loạn” của một hệ thống giúp lý giải điều này. Theo định luật thứ hai của nhiệt động lực học, trong một hệ đóng, entropy chỉ có thể tăng chứ không thể giảm xuống, và chính xu hướng này tạo nên “mũi tên thời gian” mà chúng ta quan sát được trong thế giới tự nhiên.

Nhờ entropy luôn tăng lên theo thời gian, các quá trình như cà phê nóng nguội đi, trứng vỡ hay băng tan đều diễn ra một chiều và hầu như không thể đảo ngược.

Mặc dù các định luật cơ bản của vật lý ở cấp độ vi mô không phân biệt quá khứ hay tương lai, sự gia tăng liên tục của entropy ở quy mô lớn chính là lý do khiến ta chỉ cảm nhận được thời gian trôi về phía trước và không thể quay lại quá khứ.

Vào những năm 1870, nhà vật lý Ludwig Boltzmann chứng minh rằng entropy tăng lên vì có nhiều cách để một hệ thống trở nên hỗn loạn hơn là trật tự. Nói cách khác, tự nhiên luôn có xu hướng đi từ gọn gàng sang lộn xộn.

Ví dụ, hãy tưởng tượng một hộp chứa 100 phân tử khí. Chỉ có rất ít cách để toàn bộ số hạt này nằm gọn trong một góc (trạng thái trật tự, entropy thấp). Ngược lại, có hàng tỷ tỷ cách để chúng bay khắp hộp (trạng thái hỗn loạn, entropy cao).

Do xác suất để hàng tỷ tỷ hạt tự động quay về trạng thái trật tự ban đầu là cực kỳ nhỏ, gần như bằng không trong suốt tuổi đời vũ trụ, nên các quá trình như trứng vỡ, băng tan hay kim loại gỉ sét đều không thể đảo ngược. Chính sự gia tăng entropy đã tạo nên hướng đi của thời gian.

Nhà vật lý Sean Carroll cho rằng những gì chúng ta quan sát ngày nay thực chất là quá trình vũ trụ đang “tháo gỡ” dần trật tự ban đầu. Từ sự hình thành các vì sao đến hoạt động sống của con người, tất cả đều nằm trong quá trình chuyển tiếp từ trật tự sang hỗn loạn. Hướng chuyển ấy chính là hướng của thời gian.

Lịch sử của vũ trụ và chiều kim đồng hồ. Ảnh: NASA.

Những nghịch lý ngăn con người quay về quá khứ

Ngay cả khi bỏ qua các rào cản vật lý, việc quay về quá khứ vẫn đối mặt với những mâu thuẫn logic nghiêm trọng. Những nghịch lý này cho thấy du hành thời gian không chỉ khó thực hiện về mặt kỹ thuật, mà còn đe dọa trực tiếp đến tính nhất quán của thực tại.

Nổi tiếng nhất là nghịch lý "Ông nội". Theo kịch bản này, nếu một người quay về quá khứ và ngăn cản ông bà mình gặp nhau, người đó sẽ không bao giờ được sinh ra. Nhưng nếu không tồn tại, sẽ không có ai thực hiện chuyến du hành đó. Mâu thuẫn này khiến chuỗi nguyên nhân - kết quả bị phá vỡ.

Một ví dụ khác là nghịch lý Bootstrap, hay còn gọi là “vòng lặp thông tin”. Trong trường hợp này, một người mang bản nhạc của Beethoven từ tương lai về đưa cho chính ông khi còn trẻ. Bản nhạc sau đó trở nên nổi tiếng và chính là tác phẩm mà người du hành mang đi. Khi đó, nguồn gốc thực sự của tác phẩm trở nên mơ hồ, như thể nó tồn tại mà không có điểm khởi đầu.

Những nghịch lý như vậy làm lung lay nguyên tắc nhân quả - quy luật cho rằng nguyên nhân phải luôn xảy ra trước kết quả. Trong thuyết tương đối, giới hạn tốc độ ánh sáng cũng được xem như một hàng rào tự nhiên, ngăn thông tin truyền ngược về quá khứ để thay đổi lịch sử.

Du hành về quá khứ không chỉ vấp rào cản vật lý, mà còn đối mặt những nghịch lý logic đe dọa tính nhất quán của thực tại. Ảnh: Total News.

Trước các mâu thuẫn này, giới khoa học đã đưa ra nhiều cách lý giải nhằm bảo vệ tính nhất quán của vũ trụ. Theo Thuyết Đa vũ trụ (Multiverse), mỗi hành động can thiệp vào quá khứ sẽ tạo ra một nhánh thời gian mới, tương ứng với một vũ trụ song song. Trong kịch bản “giết ông nội”, người du hành chỉ làm thay đổi dòng thời gian mới, còn vũ trụ ban đầu vẫn giữ nguyên, vì vậy bản thân họ vẫn tồn tại.

Trong khi đó, Nguyên lý tự nhất quán của Novikov cho rằng vũ trụ có cơ chế “tự điều chỉnh” để ngăn lịch sử bị thay đổi. Nếu một người cố gắng can thiệp vào quá khứ, mọi nỗ lực sẽ thất bại theo những cách ngẫu nhiên, như sự cố kỹ thuật hay nhầm lẫn ngoài ý muốn. Con người có thể xuất hiện trong quá khứ, nhưng không thể làm thay đổi những gì đã xảy ra.

Ở góc độ triết học, nhiều học giả xem các nghịch lý này là bằng chứng cho tính bất biến của thời gian. Theo quan điểm này, du hành về quá khứ chỉ tồn tại trong lý thuyết, còn trong thực tế, các sự kiện buộc phải tuân theo một trật tự tuyến tính duy nhất để tránh sự sụp đổ của logic và nhân quả.

Từ đó, các nhà khoa học cho rằng sự bất khả nghịch của thời gian không phải là khiếm khuyết, mà là đặc tính thiết yếu của vũ trụ. Nhờ mũi tên thời gian, thông tin được tích lũy, sự sống tiến hóa và mọi lựa chọn của con người mới mang ý nghĩa. Nếu thời gian có thể quay ngược một cách dễ dàng, mọi thành tựu của tiến hóa sẽ bị xóa bỏ, và vũ trụ sẽ rơi vào trạng thái hỗn độn, không còn trật tự.