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.

Trong nhiều tháng, có phỏng đoán cho rằng các nhà nghiên cứu cuối cùng đã chế tạo được tinh thể thời gian – loại tinh thể kỳ dị có cấu trúc nguyên tử lặp lại không chỉ trong không gian, mà còn trong thời gian, từ đó đặt chúng vào trạng thái chuyển động vĩnh cửu mà không cần tiêu tốn năng lượng.

Hiện nó đã trở thành hiện thực: Một nhóm các nhà nghiên cứu gần đây đã đưa ra bản kế hoạch chi tiết cách thức chế tạo và đo lường tinh thể này. Không chỉ vậy, hai nhóm nhà khoa học, một từ ĐH Maryland và một từ ĐH Harvard, đã độc lập tạo ra được tinh thể thời gian trong phòng thí nghiệm dựa trên bản kế hoạch này, qua đó xác nhận sự tồn tại của một dạng vật chất hoàn toàn mới.

tinh the thuy tinh (4)(Ảnh: Internet)

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).

Hãy cùng truy nguồn khái niệm tinh thể thời gian để hiểu rõ hơn về nó.

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).

tinh the thuy tinh (2)(Ảnh: Internet)

Thông thường khi một vật chất ở trạng thái cơ bản, cũng gọi là ‘năng lượng điểm không’ của một hệ thống, thì trên lý thuyết không thể tồn tại bất kỳ sự chuyển động nào, vì sẽ tiêu tốn năng lượng.

Nhưng Wilczek dự đoán điều này không áp dụng với tinh thể thời gian.

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.

Hãy tưởng tượng nó giống như một viên thạch: khi bạn chạm vào, nó sẽ không ngừng đung đưa. Điều tương tự xảy ra với tinh thể thời gian, nhưng sự khác biệt nằm ở chỗ chuyển động xảy ra mà không cần bất kỳ năng lượng nào.

Tinh thể thời gian cũng giống viên thạch liên tục dao động trong trạng thái cơ bản tự nhiên của mình, và đó là điều khiến nó trở thành một dạng vật chất hoàn toàn mới – một vật chất không cân bằng. Nói cách khác, nó không thể “ngồi yên một chỗ”.

tinh thể thời gian(Ảnh: Internet)

Nhưng dự đoán sự tồn tại của những tinh thể này là một việc, còn chế tạo ra chúng lại hoàn toàn là một việc khác, và nó sẽ thuộc phạm vi của nghiên cứu sắp được công bố tới đây.

Nhóm nghiên cứu hiện đã đưa ra một bản kế hoạch chi tiết miêu tả cách thức chế tạo và đo lường các tính chất của tinh thể thủy tinh, thậm chí dự đoán các pha khác nhau của tinh thể loại này – một dạng thức tương đồng với 3 pha rắn, lỏng, khí ở một tinh thể bình thường.

TS Norman Yao, trưởng nhóm nghiên cứu, gọi nghiên cứu này là “một cầu nối giữa lý thuyết và thực hành”.

Nghiên cứu được đăng trên Physical Review Letters.

Quý Khải (theo Science Alert)

Xem thêm:

Từ Khóa: