Thời gian có thể chỉ là ảo ảnh sinh ra từ thế giới lượng tử

Từ những ngày đầu của ngành vật lý, các nhà khoa học đã phải vật lộn để hiểu bản chất của thời gian. Một nghiên cứu mới gợi ý rằng, thời gian có thể không phải là một yếu tố cơ bản của vũ trụ mà là một ảo ảnh nảy sinh từ sự vướng víu lượng tử.

Thời gian là một vấn đề nan giải đối với các nhà vật lý. Hành vi không nhất quán của nó giữa các lý thuyết tốt nhất của chúng ta về vũ trụ là một trở ngại đối với các nhà nghiên cứu muốn tìm kiếm một “lý thuyết về mọi thứ”, hay một khuôn khổ để giải thích tất cả các hiện tượng vật lý trong vũ trụ.

Nhưng trong nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu cho rằng họ có thể đã tìm thấy manh mối để giải quyết vấn đề đó: bằng cách biến thời gian thành hệ quả của sự vướng víu lượng tử, mối liên kết kỳ lạ giữa hai hạt cách xa nhau. Nhóm nghiên cứu đã công bố phát hiện của họ vào ngày 10/5 trên tạp chí Physical Review A.

Alessandro Coppo, nhà vật lý thuộc Hội đồng Nghiên cứu Quốc gia Ý, chia sẻ với Live Science: “Chúng tôi đã tìm ra phương pháp kết hợp khái niệm thời gian vào cả vật lý cổ điển lẫn lượng tử, dựa trên hiện tượng vướng víu lượng tử. Mối tương quan giữa đồng hồ và hệ thống vật lý tạo ra sự xuất hiện của thời gian, một yếu tố then chốt trong cuộc sống của chúng ta”.

Trong cơ học lượng tử, lý thuyết tốt nhất của chúng ta về thế giới vi mô, thời gian là một hiện tượng cố định – một dòng chảy đơn hướng, không thể tránh khỏi từ quá khứ đến hiện tại. Nó vẫn nằm ngoài các hệ thống lượng tử kỳ lạ và luôn thay đổi mà nó đo lường và chỉ có thể đo được bằng cách quan sát những thay đổi đối với các thực thể bên ngoài, chẳng hạn như kim đồng hồ.

Coppo nói: “Có vẻ như có một sự mâu thuẫn nghiêm trọng trong lý thuyết lượng tử. Đây là điều mà chúng ta gọi là vấn đề thời gian”.

Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã chuyển sang một lý thuyết gọi là cơ chế Page và Wootters. Được đề xuất lần đầu tiên vào năm 1983, lý thuyết cho rằng thời gian xuất hiện đối với một vật thể thông qua sự vướng víu lượng tử của nó với một vật thể khác đóng vai trò như một chiếc đồng hồ. Mặt khác, đối với một hệ thống không vướng víu, thời gian không tồn tại, và hệ thống nhận thức vũ trụ như bị đóng băng và không thay đổi.

Bằng cách áp dụng cơ chế Page và Wootters cho hai trạng thái lượng tử vướng víu nhưng không tương tác – một dao động điều hòa và một tập hợp các nam châm nhỏ đóng vai trò như một chiếc đồng hồ – các nhà vật lý nhận thấy rằng hệ thống của họ có thể được mô tả hoàn hảo bằng phương trình Schrödinger, dự đoán hành vi của các vật thể lượng tử. Tuy nhiên, thay vì thời gian, phiên bản phương trình nổi tiếng của họ dựa trên sự thay đổi trạng thái của các nam châm nhỏ đóng vai trò như một chiếc đồng hồ.

Kiến thức này không phải là mới, nhưng bước tiếp theo của nhóm nghiên cứu là mới. Họ lặp lại các tính toán của mình hai lần, giả định đầu tiên rằng đồng hồ nam châm và sau đó là bộ dao động điều hòa là các vật thể vĩ mô (lớn hơn). Các phương trình của họ được đơn giản hóa thành các phương trình cho vật lý cổ điển, cho thấy dòng chảy của thời gian là hệ quả của sự vướng víu ngay cả đối với các vật thể trên quy mô lớn.

Coppo nói: “Chúng tôi tin tưởng mạnh mẽ rằng hướng đi đúng đắn và hợp lý là bắt đầu từ vật lý lượng tử và hiểu cách để tiếp cận vật lý cổ điển, chứ không phải ngược lại”.

Tuy nhiên, theo thuyết tương đối rộng của Einstein – mô tả các vật thể lớn hơn, chẳng hạn như các ngôi sao và thiên hà của chúng ta – thời gian được đan xen với không gian và có thể bị cong vênh và giãn nở ở tốc độ cao hoặc khi có trọng lực. Điều này khiến hai lý thuyết tốt nhất của chúng ta về thực tại rơi vào bế tắc cơ bản. Nếu không có giải pháp của nó, một lý thuyết mạch lạc về mọi thứ vẫn nằm ngoài tầm với.

Các nhà vật lý khác đã bày tỏ sự thận trọng. Mặc dù nhận thấy cơ chế Page và Wootters là một ý tưởng hấp dẫn về nguồn gốc lượng tử của thời gian, họ cho biết nó vẫn chưa tạo ra bất cứ điều gì có thể kiểm chứng được.

Vlatko Vedral, giáo sư khoa học thông tin lượng tử tại Đại học Oxford, người không tham gia vào công việc, nói với Live Science: “Vâng, về mặt toán học, việc coi thời gian phổ quát là sự vướng víu giữa các trường lượng tử và trạng thái lượng tử của không gian 3D là nhất quán. Tuy nhiên, không ai biết liệu có bất cứ điều gì mới hoặc hữu ích sẽ xuất hiện từ bức tranh này – chẳng hạn như các sửa đổi vật lý lượng tử và thuyết tương đối rộng, và các thử nghiệm tương ứng”.

Bất chấp những nghi ngờ này, việc xây dựng các lý thuyết cơ bản về thời gian từ cơ học lượng tử dù sao cũng có thể là một điểm khởi đầu đầy hứa hẹn – miễn là chúng có thể được điều chỉnh để phù hợp với các thí nghiệm.

Theo Livescience