Tinh thể thời gian

Các nhà khoa học chính thức xác nhận sự tồn tại của “tinh thể thời gian”, dạng vật chất hoàn toàn mới có khả năng chuyển động vĩnh cửu mà không cần năng lượng.

Tinh thể thời gian hoặc tinh thể không-thời gian là một hệ thống mở không cân bằng với môi trường của nó thể hiện sự phá vỡ đối xứng thời gian dịch (TTSB). Không thể cho một tinh thể thời gian được trong sự cân bằng với môi trường của nó. Ý tưởng về pha lê thời gian lần đầu tiên được Nobel đoạt giải và giáo sư Frank Wilczek của MIT vào năm 2012^[a]. Một tinh thể không gian thời gian mở rộng sự đối xứng ba chiều thường thấy trong tinh thể để bao gồm chiều thứ tư của thời gian; Một tinh thể thời gian tự nhiên phá vỡ tính đối xứng của bản dịch thời gian. Kiểu của tinh thể không lặp lại trong không gian, nhưng theo thời gian cho phép tinh thể được chuyển động vĩnh viễn . Các tinh thể thời gian có liên quan mật thiết đến khái niệm năng lượng không điểm và hiệu ứng Casimir động

Vào năm 2016, Norman Yao và các đồng nghiệp của ông từ Đại học California, Berkeley, đưa ra một đề xuất cụ thể cho phép tạo ra các tinh thể thời gian trong môi trường phòng thí nghiệm. Kế hoạch chi tiết của Yao sau đó được sử dụng bởi hai đội, nhóm do Christopher Monroe thuộc Đại học Maryland và một nhóm do Mikhail Lukin làm việc tại Đại học Harvard, đã thành công trong việc tạo ra một tinh thể thời gian. Cả hai thí nghiệm đã được công bố trên tạp chí Nature tháng 3 năm 2017.

Phát hiện này nghe có vẻ trừu tượng, nhưng nó báo hiệu một kỷ nguyên mới trong vật lý. Trong nhiều thập kỷ chúng ta đã nghiên cứu các vật chất ‘trong trạng thái cân bằng (in equilibrium)’, như kim loại và chất cách điện. Nhưng có phỏng đoán cho rằng trong vũ trụ có rất nhiều dạng vật chất không trong trạng thái cân bằng mà chưa được biết đến, bao gồm tinh thể thời gian. Và với phát hiện mới này, chúng ta biết rằng chúng tồn tại.

Sự tồn tại của vật chất không trong trạng thái cân bằng có thể đem đến những hiểu biết đột phá về thế giới xung quanh, cũng như các công nghệ mới như tính toán lượng tử (quantum computing).

Thông thường các tinh thể có cấu trúc nguyên tử lặp lại trong không gian, tương tự mạng tinh thể cacbon của kim cương. Nhưng, giống với viên kim cương, chúng không chuyển động vì trong trạng thái cơ bản, chúng sẽ ở trong trạng thái cân bằng.

Nhưng tinh thể thời gian có một cấu trúc lặp lại trong thời gian, chứ không chỉ trong không gian. Chính vì vậy, nó không ngừng dao động trong trạng thái cơ bản.

Ý tưởng về dạng vật chất này đã được Giáo sư Frank Wilczek đưa ra vào năm 2012, trong đó miêu tả lý thuyết về sự hình thành của dạng vật chất đặc biệt này dựa trên nghiên cứu của Đại học UCSB, California. Theo đó, tinh thể thời gian là các cấu trúc dường như có tồn tại chuyển động ngay cả ở trạng thái năng lượng thấp nhất của nó, được gọi là trạng thái cơ bản (ground state).