Tất cả chúng ta đều biết rõ một điều rằng, mũi tên thời gian luôn luôn hướng về phía tương lai, nhưng các nhà vật lý vẫn luôn gặp khó khăn trong việc giải thích tại sao điều này lại xảy ra? Hỗn hợp của chloroform và axeton có thể tạo ra một điều kiện kì lạ để giải đáp cho vấn đề này. Từ đó, các nhà khoa học đã thật sự tạo ra một môi trường nơi mà thời gian có thể bị đảo ngược.
Nghiên cứu sẽ không đưa chúng ta trở ngược về quá khứ để chiêm ngưỡng khủng long, nhưng nó sẽ cho chúng ta một lời giải thích: tại sao vũ trụ chỉ chuyển động theo một hướng? Thử nghiệm đột phá này được thực hiện bởi một nhóm các nhà vật lý quốc tế. Họ tập trung vào một đặc điểm chính mà chúng ta thường sử dụng để xác định thời gian - sự chuyển động của năng lượng.
Chúng ta có thể nhận biết thời gian theo trực giác một cách khá đơn giản: chúng ta có thể nhớ được quá khứ nhưng không thể đoán trước tương lai. Nhưng khi phá vỡ quy tắc đơn giản này, chúng ta lại không hiểu vì sao nguyên nhân phải xảy ra trước kết quả?
Ở mức độ cực kì nhỏ, chúng ta có thể lật ngược công thức mô tả các chuyển động và tương tác của các hạt và mọi chuyện vẫn diễn ra bình thường. Vậy tại sao thời gian không thể chuyển động về phía trước và phía sau?
Lời giải thích nằm ở một thứ được gọi là entropy (nội chuyển nhiệt). Trong một hệ thống bị cắt giảm năng lượng - chẳng hạn như vũ trụ của chúng ta - mọi thứ có khuynh hướng đi từ trật tự đến hỗn độn. Điều này giúp tạo ra các hệ thống quy mô lớn có thể giải thích cách phân bố của năng lượng.
Theo luật về nhiệt động lực học, bạn không thể đặt một vật thể nóng trong một căn phòng lạnh và mong rằng căn phòng sẽ trở nên lạnh đi và vật thể trở nên nóng hơn. Bởi vì trong tự nhiên, mọi thứ có khuynh hướng trở nên lạnh đi. Có lẽ nhiệt động lực học không thể cho chúng ta một câu trả lời rõ ràng cho sự tồn tại của thời gian, nhưng nó cho các nhà khoa học một hướng nghiên cứu mới.
Chúng ta có thể nhớ được quá khứ nhưng không thể đoán trước tương lai. (Ảnh: Shutterstock).
Nhiều thí nghiệm đã chỉ ra rằng, ngay cả ở mức độ lượng tử, hoạt động của các hạt vẫn phụ thuộc vào điều kiện ban đầu: có nghĩa là chúng tuân theo quy luật thời gian. Tuy nhiên, có những giới hạn nào đối với công thức tổng quát này không?
Nhóm nghiên cứu đã xem xét chloroform – đây là phân tử gồm một nguyên tử carbon liên kết với một nguyên tử hydro và ba nguyên tử chlorine. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một từ trường mạnh để xếp hàng cho các hạt nhân của các nguyên tử cacbon và hydro. Lúc này, chúng đang nằm trong phân tử hữu cơ axeton và các nhà khoa học cũng điều chỉnh một đặc tính của các hạt gọi là spin.
Quá trình này cho phép nhóm nghiên cứu "lắng nghe" hành vi của các hạt khi hạt nhân của chúng được làm nóng lên từ từ bằng máy cộng hưởng từ hạt nhân. Theo nguyên tắc thời gian, khi một hạt nhân nóng lên, nó sẽ truyền các chuyển động ngẫu nhiên tới các hạt lạnh hơn cho đến khi cả hai có cùng nhiệt độ. Sự thay đổi này có thể nhận biết được thông qua các trạng thái năng lượng tương ứng của chúng.
Trong điều kiện bình thường, đây chính xác là những gì đã xảy ra. Nhưng các nhà nghiên cứu tìm thấy một ngoại lệ khá hấp dẫn khi giữa các hạt có mối tương quan với nhau. Điều này khiến các hạt dù ở xa nhau nhưng vẫn có thể liên kết với nhau – nó giống như một phiên bản thu nhỏ của hiện tượng “vướng víu lượng tử”.
Sự tương quan hạt tạo ra những khác biệt đáng kể trong cách chia sẻ năng lượng giữa các cơ thể hạt. Các hạt hydro nóng thậm chí còn nóng hơn trước, trong khi các phân tử cacbon gắn với chúng lại trở nên lạnh hơn. Nói cách khác, nghiên cứu này cho thấy thời gian đã bị đảo ngược tại một phần rất nhỏ của vũ trụ.
"Chúng tôi quan sát được dòng nhiệt tự động di chuyển theo chiều từ lạnh đến nóng”, nhóm nghiên cứu viết nói. Dù thí nghiệm mới chỉ được thực hiện ở một quy mô rất nhỏ - nó sẽ không thể cho chúng ta một tụ điện mạnh mẽ để có thể giúp chúng ta quay về những năm 60, nhưng nó cho thấy: mũi tên của thời gian không phải lúc nào cũng hướng về phía trước.
Thí nghiệm cũng cung cấp các chi tiết đầy hứa hẹn về địa điểm mà cơ học lượng tử và nhiệt động lực học có sự giao nhau – đây chính là vấn đề mà nhiều nhà vật lý vẫn đang nỗ lực tìm kiếm. Ở một mức độ nào đó, kết quả nghiên cứu cho thấy cách chuyển động kì lạ của nhiệt độ khi được áp các quy tắc của vật lý lượng tử. Có thể chúng ta sắp có một số ứng dụng kỹ thuật thú vị liên quan tới vấn đề này.
Để biến những thí nghiệm từ các hệ thống nhỏ như thế này trở thành nghiên cứu có kích thước của một vũ trụ là một điều còn rất xa xôi. Nhưng ít nhất, thí nghiệm mới đã lấp đầy một chỗ trống nhỏ trong câu hỏi muôn thuở: có phải thời gian lúc nào cũng đi theo một hướng?
Nghiên cứu đã được xuất bản trên arXiv.