Mũi tên Thời gian

Một ví dụ đời thường

Đánh rơi một cốc cà phê. Cốc vỡ thành trăm mảnh và cà phê tràn ra. Hãy hỏi: liệu các mảnh có thể bay lại với nhau và cà phê nhảy ngược vào cốc không? Vật lý theo Newton không có gì cấm điều đó — mọi va chạm riêng lẻ đều có thể đảo ngược. Vậy mà trong thực tế nó không bao giờ xảy ra. Vì sao? Vì chỉ có một cấu hình "cốc nguyên vẹn" nhưng có vô số cấu hình "cốc vỡ". Tách ra là dễ về mặt thống kê; ráp lại là không thể về mặt thống kê. Mũi tên thời gian chỉ là sự thật đó, áp dụng cho cả vũ trụ.

Câu đố: phương trình không chọn hướng, nhưng thế giới thì có

Lấy các phương trình của Newton, Maxwell, Schrödinger, Einstein — mọi định luật cơ bản của vật lý. Thay $t$ bằng $-t$. Các phương trình trông chính xác như cũ. Một hành tinh quay ngược, một sóng điện từ chạy ngược, một hàm sóng tiến hoá từ trạng thái cuối về trạng thái đầu — tất cả đều là các nghiệm hợp lệ hoàn hảo của cùng vật lý. Các định luật vi mô đối xứng thời gian.

Tuy nhiên ta trải nghiệm thời gian chỉ chảy theo một hướng. Cà phê nguội đi, không bao giờ tự nóng lại. Cốc vỡ, không bao giờ tự lắp lại. Ta nhớ quá khứ, không bao giờ tương lai. Các phương trình vi mô không có hướng ưu tiên; trải nghiệm vĩ mô có một hướng sắc nét. Đây là vấn đề mũi tên thời gian.

Năm mũi tên thời gian, tất cả chỉ cùng một hướng

Roger Penrose, Stephen Hawking và những người khác đã liệt kê nhiều mũi tên thời gian riêng biệt, tất cả (một cách bí ẩn) chỉ cùng một hướng:

Vì sao cả năm chỉ cùng một hướng? Vật lý chuẩn không có câu trả lời thống nhất sạch sẽ nào. Đoán hàng đầu — rằng tất cả là hậu quả của mũi tên vũ trụ học, là hậu quả của trạng thái entropy thấp ban đầu — hợp lý nhưng vòng quanh: nó chỉ đẩy câu hỏi trở lại "vì sao trạng thái ban đầu entropy thấp?"

Vấn đề Bộ não Boltzmann

Tệ hơn: trong một vũ trụ đủ già với các thăng giáng nhiệt ngẫu nhiên, một bộ não tự ý thức có xu hướng thăng giáng vào sự tồn tại tự phát nhiều hơn cả vũ trụ của các điều kiện ban đầu entropy thấp và 13.8 tỷ năm tiến hoá đã sản sinh bộ não bạn. Theo xác suất, bạn nên là một Bộ não Boltzmann — một tai nạn nhiệt động lực học tạm thời với ký ức sai — không phải một sản phẩm thực sự của lịch sử vũ trụ. Sự thật rằng ta không phải bộ não Boltzmann đòi hỏi một giải thích. Vật lý chuẩn vật lộn để cung cấp một cái.

Giải pháp của Thuyết Thái Cực Vạn Vật: thời gian LÀ chia tách

Chia tách về cơ bản là một-chiều

Khi Một Thái Cực chia tách, một node trở thành hai. Hai node không giống hệt với cái ban đầu — chúng chia sẻ lớp phủ của nó nhưng mỗi cái có pha riêng. Chạy quá trình ngược và hai cái sẽ phải tự phát hợp nhất thành một — bảo tồn mọi chi tiết vi mô của các pha của chúng. Hướng tiến về cấu trúc dễ hơn hướng ngược. Một node có thể tách theo một ngàn cách; ngược lại đòi hỏi sự phối hợp hoàn hảo. Sự bất đối xứng đó là cái cho thời gian hướng của nó.

Điều này giống cấu trúc với vì sao trứng vỡ dễ nhưng không-vỡ về cơ bản là không thể: có một trạng thái trứng nguyên vẹn nhưng hàng tỷ trạng thái trứng-vỡ. Tách được ưu tiên về mặt thống kê; tái hợp bị triệt tiêu bởi tổ hợp. Mũi tên thời gian là một sự thật tổ hợp về chia tách, không phải một định luật riêng biệt.

Cả năm mũi tên suy ra từ một

Năm mũi tên, một nguyên nhân. Cả năm là hậu quả hậu quả của cùng sự thật: chia tách là hướng vũ trụ phát triển hữu cơ. Thời gian LÀ hướng phát triển đó. Mũi tên không được thêm lên; đó là cái thời gian là về mặt hình học.

Vì sao trạng thái ban đầu entropy thấp?

Đây là câu hỏi vật lý chuẩn không thể trả lời. Thuyết Thái Cực Vạn Vật trả lời nó trực tiếp: vũ trụ bắt đầu với Một node Thái Cực — trạng thái entropy thấp nhất có thể, vì chỉ có một cấu hình. Khi chia tách diễn ra, số cấu hình tăng theo cấp số nhân, và entropy cũng vậy. Trạng thái entropy thấp ban đầu không phải một tai nạn đặc biệt; đó là điểm bắt đầu khả dĩ duy nhất. Big Bang không phải một sự kiện kỳ dị của entropy thấp không thể tin được; đơn giản đó là Một, trước khi chia tách tiến hành xa.

Vì sao ta không phải Bộ não Boltzmann

Nghịch lý Bộ não Boltzmann giả định vũ trụ là một bồn nhiệt cũ, cân bằng trong đó người quan sát thỉnh thoảng thăng giáng vào sự tồn tại. Thuyết Thái Cực Vạn Vật bác bỏ tiền đề: vũ trụ không ở cân bằng nhiệt và sẽ không bao giờ — chia tách đang tiếp diễn, và miễn là Một tiếp tục chia, vũ trụ ở ngoài cân bằng. Các thăng giáng não tự phát không phải nguồn người quan sát chiếm ưu thế; các dòng dõi tiến hoá đầy đủ từ các điều kiện ban đầu entropy thấp mới là. Bộ não Boltzmann hiếm tan biến trong bức tranh này, chính xác như quan sát gợi ý.

Sợi dây thời gian có chạy cả hai hướng?

Một sự tinh tế thú vị. Sợi dây thời gian có hai đầu. Chia tách diễn ra theo một hướng (hướng ta gọi là "tương lai"). Cái gì ở phía bên kia của Một — hướng "trước quá khứ"? Câu trả lời thử nghiệm của Thuyết Thái Cực Vạn Vật: một vũ trụ gương, trong đó chia tách diễn ra hướng khác, với mũi tên thời gian riêng chỉ ngược với ta. Từ bên trong nhánh của ta, ta không thể thấy nó; từ bên trong nhánh của nó, họ không thể thấy ta. Hai mũi tên thời gian, lưng đối lưng, phát triển ra ngoài từ Một Thái Cực. Điều này giống cấu trúc với đề xuất 1967 của Andrei Sakharov về một vũ trụ CPT-gương trước Big Bang, và với các ý tưởng gần đây của Julian Barbour. Không cái nào được xác nhận, nhưng hình học là tự nhiên.

Sự thống nhất, trong một câu

Bí ẩn lớn nhất trong vật lý không phải vì sao thời gian có một mũi tên. Đó là vì sao ta từng mong đợi bất cứ điều gì khác.

Bảng thuật ngữ — các từ dùng trong bài này

Tò mò liệu SPT có cho phép quay về quá khứ hoặc đi tới tương lai không? Xem Du hành Thời gian trong SPT — một câu trả lời cẩn thận về điều mô hình cho phép và cấm.