Có hay không những tinh thể thời gian?

Nếu các tinh thể tồn tại trong các chiều không gian, thì chúng cũng phải tồn tại trong chiều thời gian.

Một trong những quan niệm có sức mạnh nhất trong vật lí hiện đại là Vũ trụ bị chi phối bởi sự đối xứng. Đây là quan niệm cho rằng những tính chất nhất định của một hệ không thay đổi khi nó chịu một quá trình biến đổi thuộc loại nào đó.

Ví dụ, nếu một hệ hành xử y như cũ bất chấp sự định hướng hay chuyển động của nó trong không gian, thì nó phải tuân theo định luật bảo toàn động lượng.

Nếu một hệ mang lại kết quả như nhau cho dù nó diễn ra khi nào, thì nó phải tuân theo định luật bảo toàn năng lượng.

Chúng ta có nhà toán học người Đức, Emmy Noether, là nhờ cách suy nghĩ đầy sức mạnh này. Theo định lí nổi tiếng của bà, mỗi đối xứng là tương đương với một định luật bảo toàn. Và các định luật vật lí về cơ bản là kết quả của sự đối xứng.

Cũng có sức mạnh không kém là quan niệm phá vỡ đối xứng. Khi vũ trụ biểu hiện kém đối xứng hơn các phương trình mô tả nó, thì các nhà vật lí nói sự đối xứng đã bị phá vỡ.

Một ví dụ nổi tiếng là dung dịch năng lượng thấp xuất hiện cùng với sự kết tủa một chất rắn từ một dung dịch – sự hình thành tinh thể, chúng có tính tuần hoàn không gian. Trong trường hợp này, sự đối xứng không gian bị phá vỡ.

Một tinh thể không gian. Vũ trụ có cho phép tồn tại những tinh thể thời gian hay không?

Các tinh thể không gian đã được nghiên cứu và tìm hiểu kĩ càng. Nhưng chúng làm phát sinh một câu hỏi thú vị: vũ trụ có cho phép sự hình thành những trật tự tuần hoàn tương tự như vậy trong thời gian hay không?

Hôm 16/2, Frank Wilczek tại Viện Công nghệ Massachussettsi và Al Shapere tại trường Đại học Kentucky, đã thảo luận vấn đề này và kết luận rằng sự đối xứng thời gian có thể bị phá vỡ giống hệt như sự đối xứng không gian ở những năng lượng thấp.

Quá trình sẽ dẫn tới những trật tự tuần hoàn mà họ gọi là các tinh thể thời gian. Ngoài ra, các tinh thể phải tồn tại, có khả năng ngay trước mắt chúng ta.

Hãy nhìn kĩ hơn vấn đề này một chút. Trước tiên, đối với một hệ phá vỡ đối xứng thời gian thì có ý nghĩa gì? Wilczek và Shapere nghĩ như thế này. Họ tưởng tượng ra một hệ ở trạng thái năng lượng thấp nhất của nó được mô tả đầy đủ, độc lập với thời gian.

Vì ở trong trạng thái năng lượng thấp nhất của nó, nên hệ này phải đóng băng trong không gian. Do đó, nếu hệ di chuyển, nó phải phá vỡ đối xứng thời gian. Đây là cái tương đương với quan niệm rằng trạng thái năng lượng thấp nhất có một giá trị cực tiểu trên một đường cong trong không gian thay vì tại một điểm cô lập.

Điều đó thật ra chẳng có gì lạ lẫm. Wilczek trình bày rằng một chất siêu dẫn có thể mang một dòng điện – chuyển động hàng loạt của các electron – ngay cả ở trạng thái năng lượng thấp nhất của nó.

Cái còn lại về cơ bản là toán học thôi. Theo cách tương tự như các phương trình vật lí cho phép sự hình thành tự phát của các tinh thể không gian, những trật tự tuần hoàn trong không gian, nên chúng cũng phải cho phép hình thành những trật tự tuần hoàn trong thời gian hay các tinh thể thời gian.

Đặc biệt, Wilczrek xét sự phá vỡ đối xứng tự phát trong một hệ cơ lượng tử cô lập. Đây là chỗ toán học có một chút lạ lẫm. Cơ học lượng tử buộc các nhà vật lí nghĩ tới những giá trị ảo của thời gian hay iTime, như Wilczek gọi như vậy.

Ông trình bày rằng những trật tự tuần hoàn tương tự cũng phải phát sinh trong iTime và điều này sẽ tự biểu hiện dưới dạng hành trạng tuần hoàn của những loại tính chất nhiệt động lực học khác nhau.

Điều đó có một số hệ quả quan trọng. Trước tiên là khả năng quá trình này mang lại một cơ chế để đo thời gian, vì hành trạng tuần hoàn đó giống như một con lắc. “Sự hình thành tự phát của một tinh thể thời gian tương ứng với sự xuất hiện tự phát của một đồng hồ,” Wilczek nói.

Một hệ quả nữa là có khả năng khai thác tinh thể thời gian để tiến hành các phép tính sử dụng năng lượng điểm không. Như Wilczek trình bày, “cái đáng nghiên cứu là… một hệ cơ lượng tử có những trạng thái có thể biểu diễn là một tập hợp qubit, có thể xử lí kĩ thuật để truyền một diện mạo đã lập trình sẵn của những trạng thái có cấu trúc trong không gian Hilbert theo thời gian.”

Đây là một lập luận đơn giản. Nhưng sự đơn giản thường có sức mạnh vô địch của nó. Tất nhiên, sẽ có những tranh luận về một số vấn đề phát sinh từ kết quả này. Một trong số chúng là sự chuyển động phá vỡ đối xứng thời gian trông có chút bí ẩn. Wilczek và Shapere hiểu điều này: “Nói hết sức đại khái, cái chúng tôi đang đi tìm trông rất gần với sự chuyển động vĩnh cửu.”

Tham khảo: arxiv.org/abs/1202.2539: Quantum Time Crystals; arxiv.org/abs/1202.2537 Classical Time Crystals

Xuân Nguyễn – thuvienvatly.com
Nguồn: technologyreview.com

Bài trước | Bài kế tiếp