Tinh thể thời gian – Dạng vật chất kỳ lạ mới được phát hiện là gì?

Loại vật chất mới được chứng minh về sự tồn tại là tinh thể thời gian, trong đó các nguyên tử được sắp xếp theo cấu trúc tương tự như kim cương hoặc băng đá, nhưng các nguyên tử dao động cộng hưởng theo vòng lặp vĩnh cửu mà không bị mất năng lượng. Trạng thái kỳ lạ này của vật chất đã được Frank Wilczek đề xuất vào năm 2012.

Cấu trúc của tinh thể thời gian

Với tinh thể thông thường, các nguyên tử sắp xếp lặp đi lặp lại theo một cấu trúc trong không gian, như học sinh xếp hàng, ba đứa một hàng, ba đứa một hàng, kết hợp lại tạo thành một khối, các nguyên tử cũng thế, kết lại tạo thành một tinh thể.

Còn tinh thể thời gian, cấu trúc tinh thể lặp đi lặp lại theo thời gian. Nó có cấu trúc nhất định một lúc, rồi chuyển thành cấu trúc khác, lặp đi, lặp lại, nôm na như bốn mùa trên Trái Đất, Xuân, Hạ, Thu, Đông, Xuân, Hạ, Thu, Đông….

Bạn sẽ thấy là việc lặp đi lặp lại theo thời gian không thiếu, kiểu hết ngày đến đêm, hết đêm lại đến ngày, thế thì có gì đặc biệt?

 

Điểm đặc biệt của tinh thể thời gian

Điểm khác của tinh thể thời gian là, có hai điểm, một là chúng ổn định, hai là chúng tồn tại ở mức năng lượng thấp nhất, trạng thái cơ bản. Có nghĩa là, chúng có thể giữ trạng thái dao động như thế vĩnh viễn. Chắc bạn có nghe về ý tưởng tạo ra động cơ vĩnh cửu, những cố máy chạy vĩnh viễn không cần xăng, điện. Điều như thế có thể tồn tại được không?

Tinh thể thời gian có tồn tại và nó chống lại định luật bảo toàn năng lượng.

Để hiểu rõ hơn về vấn đề này, bạn buộc phải làm quen với một khái niệm của vật lý, là đối xứng. Đối xứng không phải là khái niệm lạ lẫm gì, đối xứng dọc, nghĩa là trái như nào thì phải cũng thế, đối xứng ngang, nghĩa là trên như nào thì dưới cũng thế. Đối xứng có ở khắp nơi, hầu hết mọi thứ, đối xứng luôn là quan trọng, đối xứng trong vật lý hiện đại cũng là một trong những vấn đề quan trọng bậc nhất. Nhưng khái niệm đối xứng hơi khác với thông thường một chút

Một vấn đề rất đơn giản nhưng chắc mọi người cũng ít khi đặt câu hỏi đến mà xem như là điều dĩ nhiên, rằng nếu bạn làm một thí nghiệm là thả một hòn sỏi xuống đất, hòn sỏi rơi xuống mất 1 giây, bạn quay qua chỗ khác cách đó mấy bước, liệu thả hòn sỏi xuống rơi xuống đất có mất 1 giây không? Thay đổi địa điểm có làm cho định luật vật lý thay đổi không? Câu trả lời là không – Đó là đối xứng về không gian, và động lượng bảo toàn.

Nếu bạn làm một thí nghiệm vật lý, rồi chờ đến ngày mai làm tiếp, liệu thí nghiệm đó có còn giống thế nữa không? Câu trả lời là có – Đó là đối xứng về thời gian, và năng lượng bảo toàn.

 

Phá vỡ đối xứng

Chân không là môi trường đối xứng hoàn hảo, tuân theo định luật bảo toàn. Điều đáng nói ở đây là, tinh thể cũng có lúc phá vỡ đối xứng, ví dụ nhiều chỗ không giống chỗ có lại. Kể cả động lượng đôi khi cũng không được bảo toàn, bạn có thể đọc về tán xạ “Umklapp” (nhưng cũng khó vì ít tài liệu online tiếng Việt lắm)

Tán xạ Umklapp

Tinh thể thời gian được lý thuyết hóa từ năm 2012 (đến 2017 mới được kiểm chứng thực nghiệm), nó không tồn tại trong môi trường cân bằng, khi tất cả các lực cân bằng, đối xứng hoàn hảo về thời gian nghĩa là không thể phá vỡ bảo toàn năng lượng. Sau đó các thí nghiệm của “nhiệt động lực học không cân bằng – (mình ko biết dịch là gì, mà cũng không cần quan tâm lắm đâu), khi làm một electron chuyển động vòng quanh một nguyên cử bằng cách tác động vào bằng laser, và người ta nhận thấy rằng electron chuyển động quanh nguyên tử không phụ thuộc vào tác động của laser – một dấu hiệu cho thấy rằng hệ thống nằm ở trạng thái năng lượng thấp nhất – trạng thái cơ bản – đó là lúc tinh thể thời gian hình thành

 

Động cơ vĩnh cửu

Tinh thể thời gian không tuân theo đối xứng thời gian, nó lặp lại theo thời gian, phá vỡ bảo toàn năng lượng, một định luật mà bạn đã được học vỡ lòng và quen thuộc bao lâu nay rồi.
Vậy thì tinh thể thời gian có phủ nhận định luật bảo toàn, có làm sai trái mọi thứ không? Động cơ vĩnh cửu có thể tồn tại không?

Về động cơ vĩnh cửu, tinh thể thời gian tồn tại ở môi trường không cân bằng, bạn cần áp một cơ chế để nuôi dưỡng nó, khi tắt tia laser đi, hệ thống cũng sụp đổ theo. Thứ hai là hệ thống ở trạng thái cơ bản, nên bạn cũng không tận dụng được năng lượng từ hệ thống này.

Còn về bảo toàn năng lượng, định luật chỉ đúng khi môi trường là đối xứng, mà đối xứng thì có thể bị bẻ gãy, nên không có gì đáng lo ngại về chuyện có gì sai trái ở đây cả