Ở trường trung học, tôi được dạy rằng năng lượng làm cho thế giới này vận động. Ta cần năng lượng - như từ xăng dầu, từ Mặt trời, hay từ các nguồn hạt nhân. Năng lượng khiến động cơ của ta chạy, làm cho cây lớn lên, và giúp chúng ta thức dậy mỗi buổi sáng tràn đầy sinh lực.

Nhưng có một điều đã đứng ngoài cuộc. Năng lượng - như tôi được học ở trường - được bảo toàn. Nó không được tạo thành và không bị phá hủy. Nếu năng lượng được bảo toàn, tại sao ta phải liên tục cung cấp nó? Tại sao ta không thể tái sử dụng?

Sự thực là có vô khối năng lượng không thể tiêu thụ. Năng lượng không phải là thứ mà thế giới này cần để vận động. Cái thế giới cần là entropy nhỏ.

Năng lượng (có thể là cơ học, hóa học, điện từ học hoặc thế năng nào đó) biến đổi thành nhiệt năng, nghĩa là, thành nhiệt: nó đi vào các vật lạnh, và chẳng có cách nào lấy lại nó để tái sử dụng, để làm một cái cây lớn lên, hay cung cấp động lực cho động cơ. Trong quá trình này, năng lượng được bảo toàn nhưng entropy lại tăng trưởng, và đó chính là cái không thể nào đảo ngược. Nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học khẳng định điều đó.

Điều khiến thế giới này vận động vốn chẳng phải là các nguồn năng lượng, mà là nguồn entropy nhỏ. Không có entropy nhỏ, năng lượng sẽ tan thành nhiệt đồng đều và thế giới sẽ ngủ sâu vào một trạng thái cân bằng - sẽ chẳng còn sự phân biệt quá khứ và tương lai, sẽ chẳng có gì xảy ra cả.

Gần Trái đất chúng ta là một nguồn entropy nhỏ: Mặt trời. Mặt trời cho ta những photon nóng. Sau đó, Trái đất tản nhiệt vào không gian bằng những photon nguội. Năng lượng đi vào về cơ bản là bằng năng lượng đi ra, do vậy ta thường không lấy thêm năng lượng trong quá trình trao đổi này. (Lấy thêm năng lượng trong quá trình trao đổi này chính là thảm họa của chúng ta: sự nóng lên toàn cầu.) Với mỗi photon nóng đi tới, Trái đất phát xạ mười photon lạnh và năng lượng cân bằng với nhau. Photon nóng có entropy nhỏ hơn mười photon lạnh, bởi vì số lượng các cấu hình của một photon nóng thấp hơn số lượng các cấu hình của mười photon lạnh. Theo đó, Mặt trời là một nguồn entropy nhỏ liên tục của chúng ta. Ta có ngay trong tầm tay một nguồn entropy nhỏ, và chính nó làm cây cối và động vật sinh trưởng, cho phép chúng ta xây dựng các động cơ và thành phố - và cho phép chúng ta suy nghĩ, viết lách như tôi đang làm đây.[1]

Entropy nhỏ của Mặt trời có từ đâu? Nó bắt nguồn từ chỗ Mặt trời được sinh ra từ một trạng thái có entropy còn nhỏ hơn: một đám mây bụi tiền thân của hệ Mặt trời hình thành với entropy nhỏ. Và cứ như vậy, ngược dòng về quá khứ, ta đạt đến trạng thái ban đầu của vũ trụ với entropy cực nhỏ.

Chính sự tăng trưởng entropy này là động lực của câu chuyện vĩ đại về vũ trụ.

Nhưng sự tăng trưởng entropy của vũ trụ không diễn ra nhanh chóng như không khí giãn nở đột ngột trong một chiếc hộp: nó tăng từ từ, trong thời gian dài. Dù có một cái muỗng vĩ đại đi nữa, ta cũng phải cần thời gian để quấy đều nồi súp vũ trụ này. Và trên hết, có những cản trở và những cánh cổng đóng kín với sự tăng trưởng của entropy - những chặng đường mà entropy chỉ có thể tăng trưởng với rất nhiều khó khăn.

Một đống gỗ, chẳng hạn, sẽ tồn tại lâu dài nếu chẳng ai đụng đến. Nó không phải là một trạng thái với entropy cực đại, bởi các thành phần cấu thành nó, như carbon và hydro, được kết hợp với nhau theo một cách rất đặc biệt (“có trật tự”) để tạo nên hình dạng của gỗ. Entropy tăng khi sự kết hợp đặc biệt này bị phá vỡ. Đó là khi gỗ bị cháy: các thành phần của nó tự tách rời từ cái cấu trúc đặc biệt làm nên gỗ, và entropy tăng vọt (cháy vốn rõ ràng là một quá trình bất thuận nghịch). Nhưng tự bản thân gỗ không cháy. Nó tồn tại ở trạng thái entropy nhỏ trong một thời gian dài cho đến khi có gì đó mở toang cánh cửa cho phép nó chuyển sang trạng thái có entropy lớn. Một đống gỗ là một trạng thái không bền, cũng như một tập bài được sắp thứ tự, nhưng trước khi có gì đó làm nó chuyển hóa, nó sẽ không tự chuyển hóa. Cái gì đó có thể là một que diêm châm lửa. Ngọn lửa này là quá trình mở ra con kênh cho phép đống gỗ chuyển sang trạng thái có entropy lớn.

Có những tình huống ngăn trở và do đó kìm hãm sự tăng entropy trong toàn vũ trụ. Chẳng hạn trong quá khứ, vũ trụ về cơ bản là một sự giãn nở khổng lồ của hydro. Hydro có thể hợp hạch thành heli, và heli có entropy cao hơn hydro. Nhưng để điều này có thể xảy ra, một con kênh cần được khơi mở: một ngôi sao cần phải châm ngòi để khí hydro có thể cháy tạo thành heli. Điều gì khiến cho các ngôi sao châm ngòi sự cháy? Một quá trình khác làm tăng entropy: sự co cụm do hấp dẫn của một đám mây hydro bồng bềnh trong thiên hà. Một đám mây hydro khi co lại sẽ có entropy cao hơn một đám mây tản mạn. Nhưng những đám mây hydro đều có kích cỡ khổng lồ và cần hàng triệu năm để co lại. Chỉ khi đã co lại, chúng mới đạt đến nhiệt độ để châm ngòi cho quá trình hóa hợp hạt nhân. Sự châm ngòi của quá trình hóa hợp hạt nhân mở ra cánh cổng cho phép entropy tiếp tục tăng: hydro cháy tạo thành heli.

Toàn bộ lịch sử của vũ trụ là những sự kìm hãm rồi nhảy vọt như vậy của entropy. Quá trình đó chẳng nhanh gọn, chẳng đồng đều, bởi vì đây đó có những cái bẫy giữ entropy nhỏ (chẳng hạn một đống gỗ, một đám mây hydro...) cho đến khi cuối cùng có gì đó mở ra cánh cửa cho một quá trình cho phép entropy tăng. Bản thân sự tăng trưởng của entropy tình cờ lại mở ra những cánh cửa mới cho entropy tiếp tục tăng. Cũng giống như một con đập tự nhiên giữ nước lại trên núi, cho đến khi nó dần bị bào mòn theo thời gian rồi đến lúc nước được giải phóng tiếp tục đổ xuống, khiến cho entropy tăng lên. Trên lộ trình của quỹ đạo không đều đặn này, những phần lớn nhỏ của vũ trụ có thể lưu tồn lại ở những trạng thái tương đối bền vững trong thời gian rất dài.

Những sinh thể cũng được cấu thành bởi quá trình quanh co như vậy. Sự quang hợp tích tụ entropy nhỏ từ Mặt trời vào trong thực vật. Động vật tiếp nhận entropy nhỏ này qua ăn uống. (Nếu tất cả những điều ta muốn chỉ là năng lượng chứ không phải entropy, thì ta sẽ nhao cả về sa mạc Sahara thay vì tìm đến bữa ăn kế tiếp.) Bên trong tế bào sống, một mạng lưới các quá trình hóa học chính là cấu trúc đóng mở các cánh cổng cho trạng thái entropy nhỏ có thể tăng. Các phân tử đóng vai trò như những chất xúc tác dẫn lái các tiến trình đó; hoặc ngược lại có thể kìm hãm chúng. Sự tăng trưởng entropy trong từng quá trình là động lực đằng sau tất cả những hiện tượng này. Sự sống là một mạng lưới chằng chịt các quá trình - các quá trình xúc tác lẫn nhau. Hoàn toàn sai lầm khi người ta vẫn hay nói rằng sự sống sản sinh ra các cấu trúc hoàn toàn trật tự, hoặc giảm thiểu entropy một cách cục bộ: nó đơn thuần là một quá trình tiêu thụ entropy nhỏ từ thức ăn. Nó chỉ là một hệ thống mất trật tự tự tổ chức, giống như những phần còn lại của thế giới.

Ngay cả những hiện tượng tưởng như vô vị nhất cũng bị chi phối bởi Nguyên lý thứ hai của nhiệt động học. Một hòn đá rơi xuống đất. Tại sao? Ta thường nghe rằng hòn đá rơi xuống vì nó tìm đến “trạng thái có năng lượng thấp”. Nhưng tại sao hòn đá lại muốn tìm đến trạng thái có năng lượng thấp? Tại sao nó lại mất đi năng lượng nếu năng lượng là bảo toàn? Câu trả lời là khi hòn đá va chạm vào mặt đất, nó làm nóng mặt đất: năng lượng cơ học đã chuyển thành nhiệt. Và chẳng có cách nào đảo ngược quá trình này. Nếu không có Nguyên lý thứ hai của nhiệt động học, nếu không có nhiệt, nếu không có những chuyển động vi mô cuồn cuộn kia, hòn đá sẽ mãi mãi nảy lên nảy xuống; nó sẽ chẳng bao giờ nằm im.

Chính entropy chứ không phải năng lượng đang giữ cho hòn đá nằm yên trên đất, và khiến cho thế giới này vận động.

Toàn bộ vũ trụ của hiện tại là kết quả của một quá trình dần dần mất trật tự, giống như một tập bài bắt đầu từ trạng thái trật tự và dần trở nên mất trật tự bởi sự xáo trộn. Chẳng có bàn tay nào xáo trộn vũ trụ. Nó tự xáo trộn, các tương tác giữa các thành phần của nó sẽ đóng mở các cánh cống trong tiến trình phát triển của vũ trụ, từng bước một. Hầu hết các nơi sẽ bị bẫy vào các trạng thái tương đối trật tự, cho đến khi đây đó có một kênh phát triển mới được mở và sự mất trật tự lan ra.

Điều đứng sau các sự kiện trong thế giới này, cái đã viết nên lịch sử của nó, là sự hỗn loạn hóa không thể kìm hãm của vạn vật, sự tiến hóa từ một vài cấu hình trật tự đến vô số các cấu hình mất trật tự. Toàn bộ vũ trụ giống như một ngọn núi đang sụp đổ chầm chậm. Giống như một cấu trúc đang rất từ từ vụn vỡ.

Từ những sự kiện nhỏ bé vụn vặt cho đến những sự kiện phức tạp khác đều là vũ điệu tăng entropy không ngừng này, nuôi nấng bởi một trạng thái ban đầu với entropy nhỏ. Đó chính là điệu nhảy thực sự của Shiva, vị thần hủy diệt.

❀ ❀ ❀

[1] Một cách chính xác, “nguồn entropy nhỏ” ở đây là sự chênh lệch nhiệt độ giữa Mặt trời và phần không gian vũ trụ quanh Trái đất chúng ta. (ND)