Thời gian là khái niệm để diễn tả trình tự xảy ra của các sự kiện, biến cố và khoảng kéo dài của chúng. Thời gian được xác định bằng số lượng các chuyển động của các đối tượng có tính lặp lại (sự lượng hoá các chuyển động lặp lại) và thường có một thời điểm mốc gắn với một sự kiện nào đó. (cần lưu ý nếu khái niệm chỉ đơn thuần như trên thì không có cơ sở logic để khẳng định thời gian chỉ có một chiều).
Từ "thời gian" có trong tất cả các ngôn ngữ của loài người. Khái niệm thời gian có thể có cả ở động vật. Định nghĩa về thời gian là định nghĩa khó nếu phải đi đến chính xác. Đa số chúng ta ai cũng phải dùng từ đó và nói đến nó, ví dụ "thời gian trôi",... và do đó dứt khoát phải có một cách hiểu chung nhất.
Thời gian là thuộc tính của vận động và phải được gắn với vật chất, vật thể. Các nhà triết học đúc kết rằng "thế giới" vận động không ngừng (luôn vận động). Giả sử rằng nếu mọi vật trong vũ trụ đứng im, khái niệm thời gian trở nên vô nghĩa. Các sự vật luôn vận động song hành cùng nhau. Có những chuyển động có tính lặp lại, trong khi đó có những chuyển động khó xác định. Vì thế để xác định thời gian người ta so sánh một quá trình vận động với một quá trình khác có tính lặp lại nhiều lần hơn, ổn định hơn và dễ tưởng tượng hơn. Ví dụ chuyển động của con lắc (giây), sự tự quay của Trái Đất hay sự biến đổi của Mặt Trời trên bầu trời (ngày), sự thay đổi hình dạng của Mặt Trăng (tháng âm lịch),... hay đôi khi được xác định bằng quãng đường mà một vật nào đó đi được, sự biến đổi trạng thái lặp đi lặp lại của một "vật".
Thời gian chỉ có một chiều duy nhất (cho đến nay được biết đến) đó là từ quá khứ đến hiện tại và tương lai. Do sự vận động không ngừng của thế giới vật chất từ vi mô đến vĩ mô (và kể cả trong ý thức, nhận thức) mà trạng thái và vị trí (xét theo quan điểm động lực học) của các vật không ngừng thay đổi, biến đổi. Chúng luôn có những quan hệ tương hỗ với nhau và vì thế "vị trí và trật tự" của chúng luôn biến đổi, không thể trở về với trạng thái hay vị trí trước đó được. Đó chính là trình tự của thời gian. Theo Stephen Hawking, thời gian có liên quan đến entropi (trạng thái động lực học) vĩ mô[1]. Hay nói cách khác thời gian là một đại lượng mang tính vĩ mô. Nó luôn luôn gắn với mọi mọi vật, không trừ vật nào. Thời gian gắn với từng vật là thời gian riêng, và thời gian riêng thì có thể khác nhau tuỳ thuộc vào bản chất của vật đó và hệ quy chiếu gắn với nó, ví dụ với mỗi hệ chuyển động có vận tốc khác nhau thời gian có thể trôi đi khác nhau. Thời gian của vật này có thể ảnh hưởng đến vật khác.Tuy nhiên,thời gian nếu là sự hoạt động và tương tác vật chất thì nó phải được xác định các sự kiện là hệ quả của nhau.Nếu như các sự kiện mà con người đo đạc chỉ là các sự kiện ngẫu nhiên,hoặc không thể xác định sự liền mạch khi tái chuẩn hoá hoặc lượng tử hoá qua hằng số planck, thời gian có vẻ không tồn tại.
Như vậy, "thời điểm" là một trạng thái vật lý cụ thể (có thể xác định được) của một hệ và "thời gian" là diễn biến của các trạng thái vật lý của một hệ là hệ quả của nhau trong lý thuyết hỗn độn (xem hệ vật lý kín).
Bất cứ khái niệm phổ quát nào của thời gian cuối cùng cũng phải dựa trên chính sự phát triển của vũ trụ. Khi bạn nhìn vào vũ trụ, bạn đang thấy các sự kiện đã diễn ra trong quá khứ, bởi ánh sáng cần thời gian để đến với chúng ta. Trong thực tế, thậm chí việc quan sát đơn giản nhất cũng có thể giúp chúng ta hiểu về thời gian vũ trụ: lấy ví dụ thực tế là bầu trời đêm tối. Nếu vũ trụ có một quá khứ vô hạn và vô biên, thì bầu trời đêm sẽ phải hoàn toàn sáng do được lấp đầy bởi ánh sáng từ vô số các vì sao trong vũ trụ đã luôn luôn tồn tại.
Trong một thời gian dài, các nhà khoa học, kể cả Albert Einstein, nghĩ rằng vũ trụ là tĩnh lặng và vô hạn. Các quan sát sau này đã chỉ ra rằng vũ trụ thực ra đang giãn nở, và thậm chí là đang giãn nở ngày càng nhanh hơn. Điều này có nghĩa là nó phải có nguồn gốc từ một trạng thái nhỏ gọn mà chúng ta gọi là Vụ Nổ Lớn (Big Bang), ngụ ý rằng thời gian có điểm khởi đầu. Trong thực tế, nếu chúng ta quan sát ánh sáng có tuổi đời đủ cao, chúng ta thậm chí có thể nhìn thấy các bức xạ tàn dư từ Vụ Nổ Lớn - bức xạ nền vũ trụ (Cosmic Microwave Background - CMB). Nhận thức này là bước đầu tiên để xác định tuổi của vũ trụ.
Nhưng có một trở ngại, thuyết tương đối đặc biệt của Einstein chỉ ra rằng thời gian là... tương đối! Nếu bạn di chuyển càng nhanh đến tôi, thời gian của bạn sẽ trôi qua chậm hơn tương đối với nhận thức của tôi về thời gian. Do đó trong vũ trụ của các thiên hà đang di chuyển xa nhau, các ngôi sao quay quanh nhau và các hành tinh đang quay, thực nghiệm về thời gian cũng khác nhau: Quá khứ, hiện tại, và tương lai của mọi thứ là tương đối.
Vậy liệu có một thời gian phổ quát mà tất cả chúng ta đều thừa nhận hay không?
Bởi vì vũ trụ về bình diện là như nhau ở mọi nơi, và nhìn chung là giống nhau ở mọi hướng, nên có tồn tại một "thời gian vũ trụ". Để đo được nó, tất cả những gì chúng ta phải làm là đo đạc các tính chất của bức xạ nền vũ trụ. Các nhà vũ trụ học đã dùng điều này để xác định tuổi của vũ trụ và xác định rằng, vũ trụ có khoảng 13.799 tỷ năm tuổi.
Chúng ta biết thời gian rất có thể bắt đầu từ Vụ Nổ Lớn. Nhưng có một câu hỏi dai dẳng vẫn tồn tại: Thời gian chính xác nó là gì?
Để giải đáp câu hỏi này, chúng ta phải nhìn vào tính chất cơ bản của không gian và thời gian. Trong chiều của không gian, bạn có thể di chuyển tới hoặc lùi; tất cả mọi người đều trải nghiệm việc di chuyển này hàng ngày. Nhưng thời gian thì khác, nó có một chiều mà thôi, bạn luôn luôn phải đi tới, không bao giờ quay lại được. Vậy rại sao chiều thời gian lại không thể quay ngược? Đây là một vấn đề lớn chưa được giải quyết của vật lý.
Để giải thích tại sao bản thân thời gian là không thể đảo ngược, chúng ta cần phải tìm đến các quá trình trong tự nhiên đồng thời cũng không thể đảo ngược. Một trong những khái niệm vật lý (và cuộc sống!) là mọi thứ có xu hướng bớt "gọn gàng" khi thời gian trôi qua. Chúng ta mô tả điều này bằng một tính chất vật lý gọi là entropy, thứ đang mã hóa cách mà mọi thứ được xếp đặt.
Hãy tưởng tượng một hộp chứa chất khí, trong đó tất cả các hạt ban đầu được đặt ở một góc (một trạng thái trật tự). Theo thời gian chúng sẽ tự nhiên tìm cách lấp đầy chiếc hộp (một trạng thái rối loạn). Để đưa các hạt này trở lại trạng thái trật tự sẽ cần đến năng lượng. Điều này gọi là không thể đảo ngược. Nó giống như đập vỡ một quả trứng để làm món trứng tráng, một khi quả trứng đã lan ra và tràn vào chảo, nó sẽ không bao giờ quay lại hình dạng của quả trứng nữa. Cũng tương tự với vũ trụ: khi vũ trụ phát triển, entropy tổng thể sẽ tăng lên.
Hóa ra entropy là một cách khá tốt để giải thích mũi tên thời gian. Và trong khi vũ trụ có vẻ như đang trở nên trật tự hơn - ví dụ là khi nó đi từ sự rối loạn trong giai đoạn đầu hình thành các ngôi sao, các hành tinh đến giai đoạn có vẻ trật tự hiện nay - thì vũ trụ vẫn có thể có khả năng gia tăng sự rối loạn. Bởi vì lực hấp dẫn liên quan đến các khối lượng lớn có thể kéo vật chất vào trạng thái gần như trật tự mà chúng ta vẫn thấy, thì với sự gia tăng rối loạn mà chúng ta đang nghĩ phải xảy ra bằng cách nào đó ẩn giấu trong trường hấp dẫn. Do đó sự rối loạn có thể tăng lên cho dù chúng ta không nhìn thấy được.
Nhưng với xu hướng của tự nhiên thiên về sự rối loạn, tại sao vũ trụ lại bắt đầu từ trạng thái ổn định ban đầu? Điều này vẫn được xem là một bí ẩn. Một số nhà nghiên cứu cho rằng Vụ Nổ Lớn có thể không phải là sự bắt đầu, mà trong thực tế có thể có các "vũ trụ song song", nơi mà thời gian chạy theo các hướng khác nhau.
Thời gian có điểm khởi đầu, nhưng liệu nó sẽ có kết thúc hay không tùy thuộc và bản chất của năng lượng tối đang khiến cho vũ trụ giãn nở ngày càng nhanh. Sự gia tăng của quá trình giãn nở này có thể cuối cùng sẽ xé toạc vũ trụ, buộc vũ trụ phải kết thúc bằng một Vụ Xé Lớn (Big Rip); khả năng khác là năng lượng tối có thể phân rã, đảo ngược vũ trụ trở lại Vụ Nổ Lớn và vũ trụ kết thúc bằng một Vụ Co Lớn (Big Crunch); hoặc vũ trụ đơn giản là sẽ giãn nở mãi mãi.
Nhưng liệu những viễn cảnh này có kết thúc thời gian? Theo các định luật kỳ lạ của cơ học lượng tử, các hạt ngẫu nhiên nhỏ xíu có thể trong giây lát bật ra khỏi chân không - một thứ gì đó nhìn thấy liên tục trong các thí nghiệm vật lý hạt. Một số cho rằng năng lượng tối có thể khiến các "thăng giáng lượng tử" này tạo nên một Vụ Nổ Lớn mới, kết thúc dòng thời gian của chúng ta và bắt đầu một dòng thời gian mới. Trong khi điều này là rất lý thuyết và không chắc chắn, thì thứ chúng ta biết hiện nay là: chỉ khi chúng ta hiểu được năng lượng tối thì chúng ta sẽ biết được số phận của vũ trụ.
Người đăng: