Dấu vết tinh thể thời gian trong… đồ chơi trẻ em

Loại đá huyền bí này không chỉ tồn tại trong phòng thí nghiệm, mà có thể ở ngay cạnh chúng ta.

Các tinh thể thời gian là một sự bất thường khi chúng vi phạm định luật bảo toàn năng lượng, theo đó năng lượng không thể tự sinh ra hoặc mất đi. Các tinh thể thời gian vô cùng hiếm, chỉ có 2 mẫu được tạo ra năm 2016 trong phòng thí nghiệm, nhưng đến nay các nhà khoa học ở Đại học Yale đã xác định được dấu hiệu về sự tồn tại của nó bên trong các mầm tinh thể, tương tự loại được sử dụng trong các dự án khoa học dành cho trẻ em.

Tinh thể monoammonium phosphate chứa đựng manh mối về một tinh thể thời gian đơn lẻ. (Ảnh: Michael Marsland/Đại học Yale).

Trong thời gian dài, lý thuyết về tinh thể thời gian vẫn chỉ nằm trên giấy cho đến khi các nhà khoa học có thể tạo ra một mẫu trong phòng thí nghiệm năm 2016. Mặc dù chúng nhìn chẳng khác gì tinh thể bình thường, ở cấp độ phân tử, khi tiếp xúc với xung điện từ, nguyên tử trong tinh thể sẽ dao động và di chuyển theo hướng mới, trích báo cáo của trang chuyên ngành Science Alert.

Tinh thể thời gian không thể tồn tại trong tự nhiên mà phải được tạo ra, nhưng các nghiên cứu mới được công bố trực tuyến trên 2 tạp chí chuyên ngành vật lý (Physical Review Letters và Physical Review B) cho thấy điều này có thể thay đổi trong tương lai gần.

Theo định nghĩa, các tinh thể truyền thống là một sự sắp xếp các nguyên tử hoặc phân tử theo một mô hình lặp đi lặp lại thường xuyên trong không gian, theo trang Space.com. Tinh thể thời gian lại là sự sắp xếp của các nguyên tử hoặc phân tử tạo thành một mô hình lặp đi lặp lại đều đặn trong thời gian, dao động hoặc di chuyển qua lại với tốc độ xác định.

Các nguyên tử tinh thể thời gian chuyển động không phải nhờ năng lượng được lưu trữ mà là từ sự đối xứng của thời gian bị phá vỡ. Vì thế, định bảo toàn năng lượng không còn áp dụng được với chúng. Ngoài ra, trước khi phát hiện ra tinh thể thời gian, tất cả sự đối xứng được tìm thấy trong tự nhiên đã bị phá vỡ bằng cách nào đó ngoại trừ tính đối xứng của trạng thái tĩnh.

Các dao động theo chu kỳ của nguyên tử tinh thể thời gian không tiêu thụ cũng như tiêu tốn năng lượng. (Đồ họa markdow.blogspot.com).

Các nhà nghiên cứu đã tìm thấy dấu hiệu về tinh thể thời gian bên trong tinh thể monoammonium phosphate (MAP) - công thức hóa học NH₄H₂PO₄ - đã phát triển. Tinh thể tứ giác này thường được sử dụng trong các bài thực hành khoa học trên lớp, cũng như bộ đồ chơi nuôi mầm tinh thể tại nhà dành cho trẻ em. Nói cách khác, MAP là hàng hóa thương mại phổ biến ở phương Tây. Tuy nhiên, khi các nhà nghiên cứu sử dụng cộng hưởng từ hạt nhân để phân tích những tinh thể thường gặp này, họ đã tìm thấy thứ gì đó bất thường: dấu hiệu của một tinh thể thời gian gián đoạn — manh mối chắc chắn về sự tồn tại của tinh thể thời gian trong MAP.

"Khi hiển thị, số liệu đo đạc gây ấn tượng khá mạnh với chúng tôi", Sean Barrett - giáo sư vật lý thuộc Đại học Yale cho biết. Theo trang PhysOrgng , ông là tác giả chính của hai nghiên cứu mới công bố. "Công việc của chúng tôi cho thấy là dấu hiệu của một tinh thể thời gian có thể xác định được, trên lý thuyết, bằng cách quan sát các tinh thể phát triển trong bộ đồ chơi trẻ em", ông nói.

Ngoài một dấu hiệu về tinh thể thời gian gián đoạn, nhóm nghiên cứu cũng thử dùng phương pháp “phản hồi” tinh thể khiến chúng lộ ra liên kết ẩn, còn gọi là thứ bậc lượng tử bên trong hệ thống. Đây là bằng chứng mạnh mẽ cho sự tồn tại của một tinh thể thời gian.

Tinh thể thời gian không chỉ đơn giản là khái niệm vật lý, khi các ứng dụng trong thực tế của chúng đang được nghiên cứu. (Ảnh: Pan Andrii/Shutterstock).

Theo trang Phys.org, các tinh thể này có thể giúp cải tiến đồng hồ nguyên tử, thiết bị đo thời gian cực kỳ chính xác qua dao động nguyên tử; hoặc con quay hồi chuyển, thiết bị giúp xác định hướng bằng cách sử dụng trọng lực; và từ kế, thiết bị đo đạc từ trường.

Trong thực tế, các nhà nghiên cứu chưa hoàn toàn chắc chắn về tương lai của những tinh thể thời gian. “Toàn bộ lý thuyết về tinh thể thời gian mới được phát triển gần đây, và mọi người đều đang cố gắng trả lời những câu hỏi rất cơ bản về chúng”, giáo sư Barrett nói với tờ Newsweek. “Không dễ dự đoán các ứng dụng thực tế của chúng vào thời điểm này”.