'Vũ trụ nhỏ' với 24.000 nguyên tử cho thấy thời gian có thể nảy sinh từ entropy như thế nào

Giáo sư Giovanni Barontini và nhóm của ông tại Đại học Birmingham đã xây dựng một "vũ trụ nhỏ" trên mặt bàn, mang đến câu trả lời đầy bất ngờ cho một trong những câu hỏi sâu thẳm nhất của vật lý: Thời gian là gì? Bằng cách làm lạnh khoảng 24.000 nguyên tử rubidium-87 xuống chỉ còn vài phần tỷ độ trên độ không tuyệt đối (khoảng -273,15°C), tạo thành một trạng thái vật chất đặc biệt gọi là Ngưng tụ Bose-Einstein, và chia đôi đám mây nguyên tử này bằng một hàng rào laser mỏng, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một hệ lượng tử kín với hai khu vực riêng biệt—khu vực "sáng" (được quan sát) và khu vực "tối" (bị ẩn). Thí nghiệm, được công bố trên tạp chí Physical Review Research, cung cấp bằng chứng thực nghiệm đầu tiên trong môi trường kiểm soát rằng một mũi tên thời gian nhất quán có thể xuất hiện từ bên trong một hệ cô lập hoàn toàn, chỉ dựa trên sự trao đổi entropy giữa các phần của nó, mà không cần bất kỳ chiếc đồng hồ bên ngoài nào.

Bối cảnh thí nghiệm: Một vũ trụ lượng tử kín

Thí nghiệm này đối mặt với một câu đố lý thuyết lâu đời trong lĩnh vực hấp dẫn lượng tử mang tên "bài toán thời gian". Theo khuôn khổ Wheeler–DeWitt—một hướng tiếp cận kinh điển để thống nhất cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng—toàn bộ vũ trụ được mô tả bằng một phương trình độc lập với thời gian. Điều này ngụ ý rằng vũ trụ không hề có một chiếc đồng hồ ngoại tại được cài sẵn. Nếu thời gian là thực, thì nó phải xuất hiện một cách tương đối từ bên trong chính hệ thống đó. Nhóm của Barontini đã bắt tay vào kiểm chứng khái niệm này trong thực tế.

Họ tạo ra một Ngưng tụ Bose-Einstein—trạng thái mà ở đó các nguyên tử siêu lạnh hoạt động như một thực thể lượng tử thống nhất—và giữ nó trong một cái bẫy bảo toàn không phụ thuộc thời gian. Một bức tường laser quang học được tinh chỉnh sau đó đã phân chia đám mây này thành một khu vực "sáng" được quan sát và một khu vực "tối" không được quan sát, cho phép các nguyên tử có thể chui hầm hoặc vượt qua rào cản giữa hai bên. Điều cốt yếu là, entropy vi mô của toàn bộ hệ thống được giữ không đổi, một đặc điểm của hệ kín và cô lập. Do đó, bất kỳ sự thay đổi nào trong entropy thô của khu vực sáng cũng phải bắt nguồn từ sự trao đổi entropy với khu vực tối bí ẩn kia.

Quan sát mũi tên thời gian

Với hệ thống đã được niêm phong và phân vùng, nhóm nghiên cứu theo dõi sự tiến triển của khu vực sáng và khám phá ra một chuỗi các hiện tượng tương đồng đáng kinh ngạc với vũ trụ học.

Chu kỳ Vụ Nổ Lớn và Vụ Co Lớn

Khu vực sáng liên tục giãn nở rồi lại co sụp khi các nguyên tử vượt qua hàng rào laser, một chu kỳ mô phỏng sự "nảy" của vũ trụ. Thời điểm các nguyên tử lần đầu tiên xuất hiện ở khu vực sáng được diễn giải như một "Vụ Nổ Lớn" (Big Bang), trong khi thời khắc chúng hoàn toàn quay trở lại khu vực tối đánh dấu một "Vụ Co Lớn" (Big Crunch). Chu kỳ nảy này lặp đi lặp lại nhiều lần, tạo ra một lịch sử vũ trụ thu nhỏ và tuần hoàn ngay trong phòng thí nghiệm.

Thời gian Entropy như một chiếc đồng hồ nội tại

Từ sự lên xuống của các nguyên tử này, các nhà nghiên cứu đã định nghĩa ra "thời gian entropy". Vì tổng entropy của hệ được bảo toàn, sự di chuyển có hướng của các nguyên tử giữa hai khu vực đã tạo ra một dòng chảy entropy một chiều, có thể đo lường được trong khu vực sáng. Dòng chảy này đóng vai trò như một chiếc đồng hồ nội tại đáng tin cậy và thể hiện một số đặc tính nổi bật:

• Một mũi tên nhất quán: Thời gian entropy chảy theo một hướng duy nhất, sắp xếp chính xác các sự kiện qua nhiều chu kỳ giãn nở–co sụp.
• Tốc độ biến thiên: Chiếc đồng hồ này tăng tốc hoặc chậm lại tùy thuộc vào tốc độ trao đổi entropy giữa hai khu vực.
• Dự đoán chính xác: Barontini đã rút ra một phương trình tương tự phương trình Schrödinger được tham số hóa bằng thời gian entropy nội tại này—chứ không phải thời gian thông thường trong phòng thí nghiệm—và cho thấy nó tái tạo chính xác sự tiến triển đo được của khu vực sáng.

Cái chết Nhiệt và Sự Kết thúc của Thời gian

Khi sự phân bố nguyên tử giữa hai khu vực sáng và tối cuối cùng đạt đến trạng thái ổn định và ngừng thay đổi, sự trao đổi entropy cũng dừng lại. Tại thời điểm này, từ góc nhìn của khu vực được quan sát, thời gian về cơ bản đã ngừng trôi—một sự tương đồng với "cái chết nhiệt" được dự đoán cho chính vũ trụ của chúng ta.

Vì sao điều này quan trọng với hiểu biết của chúng ta về vũ trụ

Thí nghiệm này có ý nghĩa lớn vì nó chuyển một câu hỏi nền tảng từ suy đoán lý thuyết sang lĩnh vực vật lý thực nghiệm. Bằng cách phân vùng một hệ lượng tử kín và quan sát thời gian xuất hiện chỉ từ động lực học entropy, nhóm nghiên cứu đã cung cấp một bàn thử nghiệm có kiểm soát đầu tiên cho các cấu trúc thời gian quan hệ. Phát hiện của họ ủng hộ ý tưởng rằng thời gian không phải là một phông nền cơ bản, ngoại tại, mà đúng hơn là một hiện tượng nhiệt động lực học phát sinh khi một người quan sát phân biệt một hệ con—giống như sự phân biệt giữa khu vực sáng và tối—với một tổng thể lớn hơn và phi thời gian. Vũ trụ thu nhỏ trên mặt bàn này giờ đây mở ra một cánh cửa thực nghiệm mới để khám phá vật lý của vũ trụ thực sự.