Từ khi biết nhìn đồng hồ, con người đã mặc nhiên xem thời gian là một dòng chảy đều đặn trôi ở bên ngoài, hoàn toàn độc lập với mọi biến cố xung quanh. Tuy nhiên, nhận thức này vừa bị thách thức bởi một công trình nghiên cứu của Giáo sư Giovanni Barontini từ Đại học Birmingham (Anh), được đăng trên tạp chí Physical Review Research.
Theo đó, nhóm nghiên cứu của Giáo sư Barontini đã dựng nên một hệ lượng tử cô lập từ 24.000 nguyên tử được làm lạnh xuống gần độ 0 tuyệt đối. Ở môi trường cực hạn này, các hiệu ứng lượng tử bộc lộ rõ nét, tạo điều kiện thuận lợi để giới khoa học thực hiện quan sát tỉ mỉ.
Cấu trúc của mô hình bao gồm một vùng sáng được theo dõi trực tiếp và một vùng tối hoàn toàn không bị tác động, được ngăn cách bởi hàng rào mỏng tạo từ 2 chùm tia laser. Dù không tương tác với môi trường bên ngoài, các nguyên tử vẫn liên tục di chuyển qua lại giữa 2 khu vực, làm cho vùng sáng không ngừng giãn nở rồi co lại.
Vòng tuần hoàn biến đổi này vô tình phác họa nên những nét tương đồng kỳ lạ với kịch bản đại khai sinh Big Bang, tiếp nối bằng viễn cảnh đại suy vong Big Crunch - nơi vũ trụ ngừng mở rộng, đổi chiều rồi tự sụp đổ vào bên trong tâm điểm.
Nhóm nghiên cứu của Giáo sư Barontini vừa tạo ra một "vũ trụ thu nhỏ" nhăm chứng minh thời gian có thể tự nảy sinh mà không cần đồng hồ. Hình minh họa: EFE
Tuy nhiên, mục tiêu chính của thí nghiệm chỉ dừng lại ở việc kiểm tra khả năng tiến triển của một hệ lượng tử, mà không cần sự hiện diện của chiếc đồng hồ đo đạc bên ngoài. Các tác giả cho biết, công trình còn tập trung giải quyết một bài toán thời gian vốn gây tranh cãi trong giới vật lý suốt nhiều thập kỷ.
Trong phương trình Wheeler-DeWitt kết hợp cơ học lượng tử với lực hấp dẫn, vũ trụ được mô tả như một trạng thái duy nhất, bất biến và hoàn toàn thiếu vắng biến thời gian. Đứng trước thực tế đó, câu hỏi đặt ra là nếu thiếu đi một chiếc đồng hồ chuẩn hóa từ bên ngoài, điều gì sẽ định đoạt trật tự trước sau của các sự kiện?
Giới nghiên cứu gọi đây là "bài toán thời gian" đầy nan giải của lĩnh vực hấp dẫn lượng tử. Hướng giải thích được nhiều người kỳ vọng cho rằng, thời gian thực chất nảy sinh từ chính mạng lưới quan hệ và sự chuyển hóa nội tại giữa các bộ phận cấu thành vũ trụ.
Chính thí nghiệm của Giáo sư Barontini đã hiện thực hóa định hướng lý thuyết ấy, đưa những phỏng đoán từ trên trang giấy bước thẳng vào môi trường kiểm chứng trong phòng thí nghiệm.
Để hiện thực hóa giả thuyết trên, thước đo mang tên "thời gian entropy" đã được xây dựng dựa trên mức độ phân tán của vật chất. Khi sự phân bố nguyên tử giữa hai vùng thay đổi, thước đo này sẽ nhích về phía trước và dừng lại khi "vũ trụ thu nhỏ" của ông Barontini đạt trạng thái đứng yên.
Kết quả thu được cho thấy, "thời gian entropy" mang đầy đủ tính chất quen thuộc như khả năng định hình chiều tiến từ quá khứ đến tương lai và sắp xếp các sự kiện theo trình tự logic. Điểm khác biệt nằm ở tốc độ vận hành có thể nhanh hay chậm, tùy thuộc vào mức độ biến đổi nội tại.
Đáng chú ý, phương trình Schrödinger - nền tảng của cơ học lượng tử - hoàn toàn có thể được viết lại theo thước đo "thời gian entropy" mà vẫn giữ nguyên khả năng dự đoán chính xác các hành vi vật lý. Phát hiện này mang lại lời giải thích thực nghiệm đầu tiên cho mũi tên thời gian, hiện tượng khiến con người chỉ nhớ được quá khứ mà không thể biết trước tương lai.
Giới khoa học nhận định thí nghiệm chưa đủ để kết luận thời gian ngoài đời thực là ảo giác, hay khẳng định vũ trụ hoàn toàn thiếu vắng thời gian nền tảng. Dẫu vậy, công trình đã thành công trong việc đưa những câu hỏi lý thuyết trừu tượng về bản chất thời gian ra khỏi các phương trình giấy, để chúng được kiểm chứng trực tiếp trong phòng thí nghiệm.
Không những vậy, việc làm chủ mô hình 24.000 nguyên tử còn hứa hẹn mở đường cho nhiều nghiên cứu chuyên sâu hơn về nguồn gốc vũ trụ, cũng như bí ẩn của các hố đen trong tương lai.