Các nhà khoa học Trung Quốc vừa đề xuất một đột phá lý thuyết nhằm giải thích một trong những câu hỏi cổ xưa nhất của vật lý: vì sao thời gian chỉ trôi về phía trước và tại sao việc quay ngược về quá khứ là điều bất khả thi.
Nhà vật lý Cai Qingyu cùng nhóm nghiên cứu tại Đại học Hải Nam, Trung Quốc, đã phát triển một cách lý giải hoàn toàn mới ở cấp độ lượng tử cho việc vì sao con người không thể “trẻ lại” hay “hoàn nguyên một quả trứng đã vỡ”, dù các định luật cơ bản của vật lý về mặt toán học vẫn cho phép thời gian chạy ngược.
Khác với nhiều lý thuyết trước đây, khung lý thuyết này không dựa vào quan sát, phép đo hay các tác động từ bên ngoài, theo nghiên cứu được công bố trong tháng này trên tạp chí khoa học bình duyệt Annals of Physics. Thay vào đó, nhóm tác giả cho thấy “mũi tên thời gian” có thể tự nhiên xuất hiện từ cách mà các thành phần lượng tử liên kết với nhau, một quá trình vốn đã ăn sâu trong cấu trúc của vật lý vi mô.
Từ cuối thế kỷ 19, nhà vật lý Áo Ludwig Boltzmann từng cho rằng thời gian trôi theo một chiều vì các hệ cô lập có xu hướng chuyển từ trật tự sang hỗn loạn – khái niệm được gọi là entropy. Tuy nhiên, điều nghịch lý là các phương trình nền tảng chi phối chuyển động, từ định luật Newton cho tới phương trình Schrödinger, đều có tính đảo ngược theo thời gian. Nếu thay biến thời gian t bằng –t và cho “đồng hồ chạy lùi”, các phương trình này vẫn hoàn toàn hợp lệ.
Để giải quyết mâu thuẫn này ở cấp độ lượng tử, nhiều lý thuyết trước đây tập trung vào vai trò của môi trường bên ngoài. Khi một hệ lượng tử tương tác với môi trường, các trạng thái lượng tử mong manh có thể sụp đổ theo cách không thể đảo ngược – hiện tượng gọi là khử kết hợp (decoherence) – từ đó tạo ra cảm giác về hướng của thời gian.
Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu tại Đại học Hải Nam đã tiếp cận vấn đề theo hướng khác, bằng cách nhìn vào bên trong một hệ lượng tử khép kín, nơi không có bất kỳ sự trao đổi nào với môi trường bên ngoài.
Trong một bước tiến lý thuyết hiếm hoi, ông Cai Qingyu và các cộng sự phát hiện rằng khi các hạt tương tác và trở nên liên kết với nhau thông qua các tương quan lượng tử, những mối liên kết này không thể bị xóa bỏ, qua đó “khóa chặt” hướng tiến của thời gian.
Nhà vật lý lý thuyết cao cấp, Viện sĩ Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc Sun Changpu – người không tham gia nghiên cứu – đánh giá đây là một bước tiến quan trọng. Ông cho rằng công trình này mang lại những hiểu biết sâu sắc về mối liên hệ nền tảng giữa vật lý lượng tử và vật lý cổ điển, đồng thời “chạm tới một trong những câu hỏi sâu sắc nhất của khoa học”, theo thông cáo của Đại học Hải Nam.
Trong nghiên cứu, nhóm tác giả sử dụng độ tương quan để đo lường lượng thông tin được chia sẻ giữa các phần khác nhau của hệ khép kín, qua đó theo dõi những gì xảy ra theo thời gian. Kết quả then chốt là một định lý “không thể” về mặt toán học, chứng minh rằng một khi các tương quan này đã hình thành, sẽ không tồn tại một phép toán phổ quát nào có thể xóa bỏ chúng.
Tương tự như entropy luôn tăng theo thời gian trong các hệ cổ điển, tương quan trong thế giới lượng tử cũng chỉ có thể tăng lên. Quan trọng hơn, sự gia tăng này là không thể đảo ngược, cung cấp một lời giải thích nội tại mới cho việc vì sao thời gian chỉ trôi về phía trước.
Theo các nhà nghiên cứu, phát hiện này mang tính thống nhất: sự tăng trưởng của tương quan lượng tử không chỉ chỉ ra hướng của thời gian trong thế giới vi mô, mà còn giúp lý giải vì sao entropy tăng và nhiều hiện tượng quen thuộc khác trong thế giới vĩ mô.
Dẫu vậy, nhóm tác giả cũng nhấn mạnh rằng nghiên cứu này vẫn mang tính lý thuyết, dựa trên các mô hình lý tưởng của một hệ hoàn toàn cô lập – điều gần như không tồn tại trong thực tế. Và trong khi nghiên cứu này liên kết các tương quan lượng tử ngày càng tăng với các hiệu ứng vĩ mô quen thuộc, thì cầu nối hoàn chỉnh giữa tính bất thuận nghịch lượng tử và cổ điển vẫn chưa được xây dựng. Đây sẽ là hướng nghiên cứu tiếp theo trong tương lai, theo nhóm tác giả.
Theo SCMP
