Thời gian là thứ ai cũng nghĩ mình hiểu rõ. Nó chạy về một chiều, từ quá khứ sang tương lai, đều đặn và không thể đảo ngược. Bạn không thể đến nơi trước khi bạn khởi hành. Bạn không thể rời đi trước khi bạn đến. Đó là lẽ thường của thế giới vật chất mà chúng ta sống.
Thế nhưng ở cấp độ hạt cơ bản, vũ trụ dường như không đọc cùng một cuốn sách đó.
Vào tháng 4 năm nay, một nhóm các nhà vật lý từ Đại học Griffith tại Úc và Đại học Toronto công bố trên tạp chí Physical Review Letters kết quả thí nghiệm xác nhận điều mà giới khoa học từng biết nhưng không dám tin hoàn toàn: thời gian âm là có thật. Không phải ẩn dụ, không phải lý thuyết trên giấy. Một hạt ánh sáng có thể trải qua một khoảng thời gian âm khi đi qua một đám mây nguyên tử, và lần này chính các nguyên tử đó xác nhận điều đó.
Vậy thời gian âm nghĩa là gì?
Hãy tưởng tượng bạn đi qua một căn phòng. Bình thường, bạn vào cửa trước rồi ra cửa sau. Thời gian bạn ở trong phòng là một con số dương, dù chỉ vài giây.
Thời gian âm có nghĩa là theo tính toán, bạn ra khỏi phòng trước khi bạn vào. Không phải bạn đi rất nhanh. Không phải có lỗ hổng không gian nào. Chỉ đơn giản là khi đo đạc cẩn thận, con số thời gian bạn ở trong phòng ra âm.
Đối với ánh sáng đi qua đám mây nguyên tử, hiện tượng này đã được quan sát từ năm 1993. Nhưng suốt hơn 30 năm qua, giới khoa học vẫn tranh cãi liệu đó có thực sự là thời gian âm hay chỉ là một ảo giác thống kê, một sản phẩm phụ của cách đo đạc chứ không phải bản chất thật của hiện tượng.
Hỏi thẳng nhân chứng
Các thí nghiệm trước đo thời gian bằng cách theo dõi khi nào hạt ánh sáng đến đích. Vấn đề là cách đo này có một lỗ hổng logic: những hạt ánh sáng vượt qua được đám mây nguyên tử thường là những hạt may mắn ngay từ đầu, nên chúng đến sớm hơn dự kiến. Điều đó có thể giải thích kết quả mà không cần đến khái niệm thời gian âm.
Nhóm nghiên cứu mới quyết định thử một cách tiếp cận hoàn toàn khác: thay vì đo thời gian đến của hạt ánh sáng, họ hỏi thẳng các nguyên tử trong đám mây. Cụ thể, khi một hạt ánh sáng đi qua đám mây, nó có thể được các nguyên tử hấp thụ tạm thời rồi nhả ra. Trong khoảng thời gian bị hấp thụ đó, các nguyên tử chuyển sang trạng thái kích thích, giống như một chiếc lò xo bị nén lại. Khi nhả hạt ánh sáng ra, chúng trở về trạng thái bình thường.
Câu hỏi đặt ra là: các nguyên tử ở trạng thái kích thích trong bao lâu? Thời gian đó chính là thời gian hạt ánh sáng lưu trú bên trong đám mây, đo theo một cách hoàn toàn độc lập với cách đo trước.
Giáo sư Howard Wiseman, đồng tác giả nghiên cứu, tóm tắt ý tưởng này bằng một câu rất đơn giản: Bạn sẽ nhận được cùng một câu trả lời nếu hỏi các nguyên tử ‘hạt ánh sáng ở lại với bạn bao lâu?’ Chúng cũng sẽ cho bạn biết một con số âm.
1 triệu lần thử để nghe câu trả lời
Nghe có vẻ đơn giản, nhưng thực hiện thì cực kỳ phức tạp. Trong thế giới lượng tử, chỉ cần quan sát một hệ thống là bạn đã làm nó thay đổi. Nếu đo quá chính xác xem các nguyên tử có đang hấp thụ hạt ánh sáng hay không, chính hành động đo đó sẽ ngăn quá trình hấp thụ xảy ra, phá hủy hoàn toàn thí nghiệm.
Giải pháp là đo rất nhẹ, rất gián tiếp. Nhóm nghiên cứu chiếu thêm một chùm tia laser thứ hai qua đám mây nguyên tử, không liên quan đến hạt ánh sáng đang được theo dõi, và quan sát những thay đổi cực nhỏ trong chùm tia này để suy ra trạng thái của các nguyên tử. Mỗi lần đo riêng lẻ cho kết quả quá nhiễu, không đáng tin cậy. Chỉ sau khi lấy trung bình của khoảng một triệu lần đo, trải dài trong 70 giờ thực nghiệm, tín hiệu rõ ràng mới nổi lên.
Và kết quả hoàn toàn khớp với những gì thí nghiệm năm 1993 từng gợi ý: thời gian lưu trú là một con số âm. Điều đặc biệt là hai phương pháp đo hoàn toàn khác nhau, một cách đo thời gian đến của hạt ánh sáng, một cách hỏi trạng thái của nguyên tử, lại cho ra cùng một kết quả. Đây là điều mà ngay cả các nhà vật lý lý thuyết cũng không dự đoán trước.
Vậy điều này có nghĩa là gì với chúng ta?
Trước khi trí tưởng tượng bay quá xa, câu trả lời ngắn gọn là: không có máy thời gian nào sắp được chế tạo. Bản thân giáo sư Wiseman khẳng định rõ ràng rằng toàn bộ hiện tượng này hoàn toàn giải thích được bằng vật lý thông thường, không vi phạm bất kỳ quy luật nào đã biết.
Nhưng ý nghĩa sâu xa hơn lại nằm ở chỗ khác. Thời gian âm không phải là lỗi trong phép đo hay ảo giác thống kê. Nó là một tính chất thực sự của thế giới lượng tử, có thể đo được, có thể xác nhận bằng nhiều cách độc lập. Nói cách khác, ở cấp độ hạt cơ bản, vũ trụ vận hành theo những quy tắc mà trực giác thông thường của con người hoàn toàn không chuẩn bị để đón nhận.
Các nhà nghiên cứu cho biết bước tiếp theo là kiểm tra những hạt ánh sáng không đi thẳng qua đám mây mà bị bắn ra theo các hướng ngẫu nhiên. Lý thuyết dự đoán rằng những hạt này sẽ mang thời gian dương đủ để bù lại thời gian âm của những hạt đi thẳng, giữ cho tổng thể cân bằng. Nhưng đó vẫn là dự đoán chưa được kiểm chứng.
Như giáo sư Wiseman nhận xét, con người đã tính toán về hiện tượng này từ gần 100 năm trước, vậy mà nó vẫn còn mang lại bất ngờ. Đó có lẽ là điều kỳ diệu nhất trong câu chuyện này: vũ trụ vẫn còn giữ những bí mật ngay trong những thứ tưởng chừng đơn giản nhất.
Nguồn: GenK