Jinu
Intern Writer
Thời gian là gì? Câu hỏi nghe như mở đầu một triết lý sâu xa, nhưng nó đã khiến các nhà vật lý đau đầu suốt hàng trăm năm. Từ Newton với quan niệm thời gian tuyệt đối, đến Einstein gắn liền nó với không gian, rồi đến cơ học lượng tử, thời gian lại trở nên mơ hồ, không ai có thể đưa ra một định nghĩa rõ ràng.
Thế nhưng, vào năm 2026, một nhóm nghiên cứu tại Đại học Birmingham (Anh) đã quyết định không chỉ dừng lại ở những công thức khô khan. Họ bắt tay vào xây dựng một "tiểu vũ trụ" ngay trong phòng thí nghiệm, với hy vọng quan sát xem liệu thời gian có tự nó xuất hiện hay không. Nguyên liệu cho vũ trụ tí hon này chính là một đám mây nguyên tử.
Các nhà khoa học đã sử dụng 24.000 nguyên tử Rubidium, làm lạnh chúng xuống một nhiệt độ cực thấp, chỉ vài tỷ độ trên độ không tuyệt đối (khoảng -273,15°C). Mức độ lạnh này gần như không tồn tại trong tự nhiên, ngay cả không gian sâu thẳm nhất giữa các vì sao cũng ấm hơn. Khi lạnh đến mức đó, các nguyên tử trở nên tĩnh lặng, tụ lại thành một đám mây lượng tử cô lập. Các nhà khoa học đã dùng đám mây này như một "tấm toan" để mô phỏng toàn bộ không thời gian. Nghe có vẻ khoa trương, nhưng vật lý học đôi khi lại vận hành theo cách đó.
Tiếp theo, họ thực hiện một thao tác khá tinh vi. Hai chùm tia laser được dùng để tạo ra một rào chắn giữa đám mây lượng tử, chia hệ thống thành hai phần: một "vùng sáng" có thể quan sát được và một "vùng tối" bị che khuất. Toàn bộ thiết bị được cách ly hoàn toàn với thế giới bên ngoài, không có tín hiệu nào có thể đi vào hay đi ra. Điều quan trọng nhất là họ không sử dụng bất kỳ đồng hồ bên ngoài nào, không nhìn vào chiếc đồng hồ treo tường, mà chỉ tập trung vào những thay đổi nội tại của hệ thống.
Mục tiêu của họ là làm rõ một điều: trong một thế giới không có tham chiếu bên ngoài, liệu thời gian có tự nó "lớn lên" hay không. Và kết quả quan sát đã khiến nhiều người bất ngờ.
Trong tiểu vũ trụ này, vùng sáng liên tục giãn nở rồi lại co lại, lặp đi lặp lại như một nhịp thở. Nhịp điệu này gợi nhớ đến mô hình "Vụ Nổ Lớn – Vụ Co Lớn" trong vũ trụ học, nơi vũ trụ giãn nở rồi lại co lại theo chu kỳ. Trước đây, những kịch bản như vậy chỉ tồn tại trên giấy tờ, trong các sơ đồ minh họa, chưa ai từng thực sự chứng kiến. Giờ đây, nó đang diễn ra ngay trên một thiết bị có kích thước để bàn.
Nhịp thở của một đám nguyên tử lại có thể tương ứng với số phận tiềm năng của toàn bộ vũ trụ. Khái niệm cốt lõi của nghiên cứu này được gọi là "thời gian entropy" (entropy time), hiểu nôm na là gắn thời gian với "sự hỗn loạn". Entropy là thước đo mức độ vô trật tự của một hệ thống. Khi các nguyên tử liên tục di chuyển giữa vùng sáng và vùng tối, sự phân bố vật chất thay đổi liên tục, mức độ hỗn loạn cũng thay đổi, và thời gian cứ thế trôi đi.
Một khi sự phân bố ổn định và không còn thay đổi, thời gian cũng sẽ dừng lại. Ý tưởng này khá đi ngược lại trực giác của chúng ta. Chúng ta thường nghĩ thời gian là một phông nền, một thước đo luôn chuyển động, nhưng thí nghiệm này lại cho thấy, không có sự thay đổi thì không có thời gian. Điều đáng ngạc nhiên hơn là thời gian entropy này có một hướng xác định, và hướng đó luôn nhất quán. Ngay cả khi hệ thống trải qua nhiều chu kỳ giãn nở và co lại, nó vẫn có thể sắp xếp các sự kiện theo đúng trình tự, không hề lộn xộn. Tốc độ trôi của thời gian cũng không cố định: entropy thay đổi nhanh thì thời gian trôi nhanh, entropy thay đổi chậm thì thời gian cũng chậm lại.
Điều này đã chạm đến một vấn đề nan giải của vật lý học – "mũi tên thời gian" (arrow of time). Tại sao các định luật vật lý đều có thể hoạt động theo cả hai chiều, nhưng thời gian lại chỉ trôi theo một hướng? Trước đây, chúng ta chỉ có thể suy đoán, nhưng giờ đây, cuối cùng chúng ta đã có thể thử nghiệm nó trong phòng thí nghiệm.
Giáo sư Barontini, người đứng đầu nhóm nghiên cứu, đã có một phát biểu khá thú vị. Ông cho rằng, trong một số lý thuyết hấp dẫn lượng tử (quantum gravity), thời gian không phải là một thuộc tính nội tại của vũ trụ, nhưng trong cuộc sống hàng ngày, thời gian lại rõ ràng trôi từ quá khứ đến tương lai. Sự mâu thuẫn này đã khiến giới vật lý đau đầu hàng thập kỷ.
Thí nghiệm này chưa đưa ra câu trả lời cuối cùng, nhưng nó đã làm được một điều mà trước đây chưa ai làm được. Nó đã đưa câu hỏi trừu tượng "thời gian đến từ đâu" từ trên giấy xuống bàn thí nghiệm. Bước tiến này có ý nghĩa lớn hơn cả bản thân kết luận.
Nhóm nghiên cứu còn làm một việc "khó nhằn" khác. Họ đã sử dụng thời gian entropy để viết lại một phiên bản của phương trình Schrödinger, chứng minh rằng cơ học lượng tử vẫn đúng trong khuôn khổ mới này, và vẫn có thể dự đoán sự tiến hóa của xác suất lượng tử. Điều này cho thấy thời gian entropy không phải là một phép ẩn dụ triết học, mà là một đại lượng vật lý thực sự có thể đưa vào phương trình và tính toán được.
Đối với các nhà vật lý, đây là một ngưỡng cửa quan trọng. Một khái niệm, chỉ cần có thể đưa vào phương trình và đưa ra các dự đoán có thể kiểm chứng, thì nó sẽ từ "ý tưởng" trở thành "công cụ". Thời gian từ một đối tượng được thảo luận đã trở thành một thứ có thể được "tạo ra". Thành quả này đã được công bố trên tạp chí *Physical Review Research*, cung cấp một nền tảng thí nghiệm mới cho vật lý lý thuyết.
Trong vài thập kỷ qua, các chủ đề như hấp dẫn lượng tử, nguồn gốc vũ trụ, bản chất của thời gian, phần lớn chỉ dừng lại ở các công thức, mà các thiết bị hiện có không thể chạm tới. Một tiểu vũ trụ được xây dựng từ 24.000 nguyên tử siêu lạnh đã mở ra một cánh cửa mới cho vật lý lý thuyết. Dù chỉ là một khe hở nhỏ, nhưng ánh sáng lọt qua cũng đủ để thay đổi tầm nhìn của toàn bộ lĩnh vực. Sự đột phá của khoa học thường là như vậy, biến những điều không thể đo lường thành có thể đo lường.
Nhìn vào năm 2026, sự kiện này càng trở nên thú vị hơn. Năm nay, cuộc đua công nghệ lượng tử toàn cầu đang ngày càng gay gắt. Mỹ, châu Âu, Trung Quốc đều đang tăng cường đầu tư vào điện toán lượng tử và mô phỏng lượng tử, không ai muốn bỏ lỡ. Các phòng thí nghiệm quốc gia ở Hợp Phì (Trung Quốc), các viện nghiên cứu thông tin lượng tử ở Bắc Kinh và Thượng Hải đã liên tục công bố những thành tựu mới trong những năm gần đây, và chương trình Quantum Flagship của châu Âu cũng đang tăng tốc. Cách tiếp cận của nhóm Birmingham, sử dụng nguyên tử lạnh để mô phỏng vũ trụ, về bản chất thuộc về lĩnh vực "mô phỏng lượng tử" – một đỉnh cao mà các quốc gia đều muốn chinh phục.
Ai đi tiên phong trên con đường này sẽ giành được quyền chủ động trong khoa học cơ bản. Trong lĩnh vực nguyên tử lạnh, Trung Quốc cũng không hề vắng mặt. Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc đã nghiên cứu sâu về vật lý nguyên tử siêu lạnh trong nhiều năm, và nhóm của Giáo sư Phan Kiến Vĩ đã đạt được nhiều thành tựu quan trọng trong đo lường chính xác lượng tử và mô phỏng lượng tử. Việc sử dụng nguyên tử siêu lạnh làm nền tảng thí nghiệm có thể kiểm soát được, để mô phỏng chân trời sự kiện của lỗ đen hay sự giãn nở của vũ trụ sơ khai, đã trở thành một nhận thức chung trong giới học thuật quốc tế.
Công trình của Birmingham lần này thu hút sự chú ý vì nó lần đầu tiên đưa vấn đề trừu tượng nhất là "sự phát sinh của thời gian" vào thực nghiệm. Chắc chắn, các đồng nghiệp trên toàn cầu sẽ nhanh chóng theo dõi và kiểm chứng lại.
Nhóm của Giáo sư Barontini cũng đã tiết lộ kế hoạch tiếp theo. Họ muốn sử dụng nền tảng này để mô phỏng các điều kiện cực đoan hơn của vũ trụ sơ khai, kiểm tra một số lý thuyết hấp dẫn lượng tử cạnh tranh, và thậm chí muốn tái tạo hành vi không thời gian gần lỗ đen trong phòng thí nghiệm. Những mục tiêu này nghe có vẻ như khoa học viễn tưởng, nhưng mỗi mục tiêu đều có lộ trình công nghệ thực tế. Nếu thực sự có thể mô phỏng lỗ đen trên bàn làm việc, sự hiểu biết của nhân loại về lực hấp dẫn và không thời gian sẽ phải được viết lại.
Đối với các viện nghiên cứu của chúng ta, đây cũng là một tín hiệu rõ ràng. Bước đột phá tiếp theo của vật lý cơ bản có thể không nằm trong kính thiên văn, mà có thể nằm ngay trong buồng chân không của phòng thí nghiệm.
Quay trở lại câu hỏi ban đầu, thời gian rốt cuộc là tấm màn của vở kịch vĩ đại mang tên vũ trụ, hay là sản phẩm phụ được tạo ra từ tất cả các hành động trên sân khấu? Thí nghiệm của Birmingham lần này nghiêng về vế sau. Không có sự thay đổi, không có thời gian; sự thay đổi càng dữ dội, thời gian trôi càng nhanh. Kết luận này nghe có vẻ đơn giản, nhưng đằng sau nó là sự tiếp nối của nhiều thế hệ nhà vật lý.
Người bình thường đọc tin tức này có thể cảm thấy nó xa rời cuộc sống của mình, nhưng nếu suy nghĩ kỹ, cảm nhận của mỗi người về thời gian cũng chẳng phải như vậy sao? Khi buồn chán, từng giây phút trôi qua thật khó khăn; khi tập trung, vài giờ trôi qua như chớp mắt. Thời gian chưa bao giờ là đồng đều.
Tiểu vũ trụ được tạo ra từ 24.000 nguyên tử không thể chứa đựng toàn bộ câu trả lời, nhưng nó đã đưa chúng ta đến gần sự thật hơn một bước. Sức hấp dẫn của khoa học nằm ở chỗ đó, nó không bao giờ hứa hẹn sẽ giải quyết tất cả bí ẩn trong một hơi, nhưng mỗi lần nó lại biến điều không thể thành có thể, biến lời nói suông thành bằng chứng thực nghiệm.
Tiểu vũ trụ này có thể sẽ được ghi vào sách giáo khoa, được gọi là điểm khởi đầu của kỷ nguyên vũ trụ học lượng tử đi vào thực nghiệm. Thời gian thực sự là gì, câu trả lời có lẽ còn phải chờ đợi vài thập kỷ nữa, nhưng ít nhất chúng ta biết rằng, nó không phải từ trên trời rơi xuống, mà là từ điệu nhảy của các nguyên tử mà ra.
Thế nhưng, vào năm 2026, một nhóm nghiên cứu tại Đại học Birmingham (Anh) đã quyết định không chỉ dừng lại ở những công thức khô khan. Họ bắt tay vào xây dựng một "tiểu vũ trụ" ngay trong phòng thí nghiệm, với hy vọng quan sát xem liệu thời gian có tự nó xuất hiện hay không. Nguyên liệu cho vũ trụ tí hon này chính là một đám mây nguyên tử.
Các nhà khoa học đã sử dụng 24.000 nguyên tử Rubidium, làm lạnh chúng xuống một nhiệt độ cực thấp, chỉ vài tỷ độ trên độ không tuyệt đối (khoảng -273,15°C). Mức độ lạnh này gần như không tồn tại trong tự nhiên, ngay cả không gian sâu thẳm nhất giữa các vì sao cũng ấm hơn. Khi lạnh đến mức đó, các nguyên tử trở nên tĩnh lặng, tụ lại thành một đám mây lượng tử cô lập. Các nhà khoa học đã dùng đám mây này như một "tấm toan" để mô phỏng toàn bộ không thời gian. Nghe có vẻ khoa trương, nhưng vật lý học đôi khi lại vận hành theo cách đó.
Tiếp theo, họ thực hiện một thao tác khá tinh vi. Hai chùm tia laser được dùng để tạo ra một rào chắn giữa đám mây lượng tử, chia hệ thống thành hai phần: một "vùng sáng" có thể quan sát được và một "vùng tối" bị che khuất. Toàn bộ thiết bị được cách ly hoàn toàn với thế giới bên ngoài, không có tín hiệu nào có thể đi vào hay đi ra. Điều quan trọng nhất là họ không sử dụng bất kỳ đồng hồ bên ngoài nào, không nhìn vào chiếc đồng hồ treo tường, mà chỉ tập trung vào những thay đổi nội tại của hệ thống.
Mục tiêu của họ là làm rõ một điều: trong một thế giới không có tham chiếu bên ngoài, liệu thời gian có tự nó "lớn lên" hay không. Và kết quả quan sát đã khiến nhiều người bất ngờ.
Trong tiểu vũ trụ này, vùng sáng liên tục giãn nở rồi lại co lại, lặp đi lặp lại như một nhịp thở. Nhịp điệu này gợi nhớ đến mô hình "Vụ Nổ Lớn – Vụ Co Lớn" trong vũ trụ học, nơi vũ trụ giãn nở rồi lại co lại theo chu kỳ. Trước đây, những kịch bản như vậy chỉ tồn tại trên giấy tờ, trong các sơ đồ minh họa, chưa ai từng thực sự chứng kiến. Giờ đây, nó đang diễn ra ngay trên một thiết bị có kích thước để bàn.
Nhịp thở của một đám nguyên tử lại có thể tương ứng với số phận tiềm năng của toàn bộ vũ trụ. Khái niệm cốt lõi của nghiên cứu này được gọi là "thời gian entropy" (entropy time), hiểu nôm na là gắn thời gian với "sự hỗn loạn". Entropy là thước đo mức độ vô trật tự của một hệ thống. Khi các nguyên tử liên tục di chuyển giữa vùng sáng và vùng tối, sự phân bố vật chất thay đổi liên tục, mức độ hỗn loạn cũng thay đổi, và thời gian cứ thế trôi đi.
Một khi sự phân bố ổn định và không còn thay đổi, thời gian cũng sẽ dừng lại. Ý tưởng này khá đi ngược lại trực giác của chúng ta. Chúng ta thường nghĩ thời gian là một phông nền, một thước đo luôn chuyển động, nhưng thí nghiệm này lại cho thấy, không có sự thay đổi thì không có thời gian. Điều đáng ngạc nhiên hơn là thời gian entropy này có một hướng xác định, và hướng đó luôn nhất quán. Ngay cả khi hệ thống trải qua nhiều chu kỳ giãn nở và co lại, nó vẫn có thể sắp xếp các sự kiện theo đúng trình tự, không hề lộn xộn. Tốc độ trôi của thời gian cũng không cố định: entropy thay đổi nhanh thì thời gian trôi nhanh, entropy thay đổi chậm thì thời gian cũng chậm lại.
Điều này đã chạm đến một vấn đề nan giải của vật lý học – "mũi tên thời gian" (arrow of time). Tại sao các định luật vật lý đều có thể hoạt động theo cả hai chiều, nhưng thời gian lại chỉ trôi theo một hướng? Trước đây, chúng ta chỉ có thể suy đoán, nhưng giờ đây, cuối cùng chúng ta đã có thể thử nghiệm nó trong phòng thí nghiệm.
Giáo sư Barontini, người đứng đầu nhóm nghiên cứu, đã có một phát biểu khá thú vị. Ông cho rằng, trong một số lý thuyết hấp dẫn lượng tử (quantum gravity), thời gian không phải là một thuộc tính nội tại của vũ trụ, nhưng trong cuộc sống hàng ngày, thời gian lại rõ ràng trôi từ quá khứ đến tương lai. Sự mâu thuẫn này đã khiến giới vật lý đau đầu hàng thập kỷ.
Thí nghiệm này chưa đưa ra câu trả lời cuối cùng, nhưng nó đã làm được một điều mà trước đây chưa ai làm được. Nó đã đưa câu hỏi trừu tượng "thời gian đến từ đâu" từ trên giấy xuống bàn thí nghiệm. Bước tiến này có ý nghĩa lớn hơn cả bản thân kết luận.
Nhóm nghiên cứu còn làm một việc "khó nhằn" khác. Họ đã sử dụng thời gian entropy để viết lại một phiên bản của phương trình Schrödinger, chứng minh rằng cơ học lượng tử vẫn đúng trong khuôn khổ mới này, và vẫn có thể dự đoán sự tiến hóa của xác suất lượng tử. Điều này cho thấy thời gian entropy không phải là một phép ẩn dụ triết học, mà là một đại lượng vật lý thực sự có thể đưa vào phương trình và tính toán được.
Đối với các nhà vật lý, đây là một ngưỡng cửa quan trọng. Một khái niệm, chỉ cần có thể đưa vào phương trình và đưa ra các dự đoán có thể kiểm chứng, thì nó sẽ từ "ý tưởng" trở thành "công cụ". Thời gian từ một đối tượng được thảo luận đã trở thành một thứ có thể được "tạo ra". Thành quả này đã được công bố trên tạp chí *Physical Review Research*, cung cấp một nền tảng thí nghiệm mới cho vật lý lý thuyết.
Trong vài thập kỷ qua, các chủ đề như hấp dẫn lượng tử, nguồn gốc vũ trụ, bản chất của thời gian, phần lớn chỉ dừng lại ở các công thức, mà các thiết bị hiện có không thể chạm tới. Một tiểu vũ trụ được xây dựng từ 24.000 nguyên tử siêu lạnh đã mở ra một cánh cửa mới cho vật lý lý thuyết. Dù chỉ là một khe hở nhỏ, nhưng ánh sáng lọt qua cũng đủ để thay đổi tầm nhìn của toàn bộ lĩnh vực. Sự đột phá của khoa học thường là như vậy, biến những điều không thể đo lường thành có thể đo lường.
Nhìn vào năm 2026, sự kiện này càng trở nên thú vị hơn. Năm nay, cuộc đua công nghệ lượng tử toàn cầu đang ngày càng gay gắt. Mỹ, châu Âu, Trung Quốc đều đang tăng cường đầu tư vào điện toán lượng tử và mô phỏng lượng tử, không ai muốn bỏ lỡ. Các phòng thí nghiệm quốc gia ở Hợp Phì (Trung Quốc), các viện nghiên cứu thông tin lượng tử ở Bắc Kinh và Thượng Hải đã liên tục công bố những thành tựu mới trong những năm gần đây, và chương trình Quantum Flagship của châu Âu cũng đang tăng tốc. Cách tiếp cận của nhóm Birmingham, sử dụng nguyên tử lạnh để mô phỏng vũ trụ, về bản chất thuộc về lĩnh vực "mô phỏng lượng tử" – một đỉnh cao mà các quốc gia đều muốn chinh phục.
Ai đi tiên phong trên con đường này sẽ giành được quyền chủ động trong khoa học cơ bản. Trong lĩnh vực nguyên tử lạnh, Trung Quốc cũng không hề vắng mặt. Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc đã nghiên cứu sâu về vật lý nguyên tử siêu lạnh trong nhiều năm, và nhóm của Giáo sư Phan Kiến Vĩ đã đạt được nhiều thành tựu quan trọng trong đo lường chính xác lượng tử và mô phỏng lượng tử. Việc sử dụng nguyên tử siêu lạnh làm nền tảng thí nghiệm có thể kiểm soát được, để mô phỏng chân trời sự kiện của lỗ đen hay sự giãn nở của vũ trụ sơ khai, đã trở thành một nhận thức chung trong giới học thuật quốc tế.
Công trình của Birmingham lần này thu hút sự chú ý vì nó lần đầu tiên đưa vấn đề trừu tượng nhất là "sự phát sinh của thời gian" vào thực nghiệm. Chắc chắn, các đồng nghiệp trên toàn cầu sẽ nhanh chóng theo dõi và kiểm chứng lại.
Nhóm của Giáo sư Barontini cũng đã tiết lộ kế hoạch tiếp theo. Họ muốn sử dụng nền tảng này để mô phỏng các điều kiện cực đoan hơn của vũ trụ sơ khai, kiểm tra một số lý thuyết hấp dẫn lượng tử cạnh tranh, và thậm chí muốn tái tạo hành vi không thời gian gần lỗ đen trong phòng thí nghiệm. Những mục tiêu này nghe có vẻ như khoa học viễn tưởng, nhưng mỗi mục tiêu đều có lộ trình công nghệ thực tế. Nếu thực sự có thể mô phỏng lỗ đen trên bàn làm việc, sự hiểu biết của nhân loại về lực hấp dẫn và không thời gian sẽ phải được viết lại.
Đối với các viện nghiên cứu của chúng ta, đây cũng là một tín hiệu rõ ràng. Bước đột phá tiếp theo của vật lý cơ bản có thể không nằm trong kính thiên văn, mà có thể nằm ngay trong buồng chân không của phòng thí nghiệm.
Quay trở lại câu hỏi ban đầu, thời gian rốt cuộc là tấm màn của vở kịch vĩ đại mang tên vũ trụ, hay là sản phẩm phụ được tạo ra từ tất cả các hành động trên sân khấu? Thí nghiệm của Birmingham lần này nghiêng về vế sau. Không có sự thay đổi, không có thời gian; sự thay đổi càng dữ dội, thời gian trôi càng nhanh. Kết luận này nghe có vẻ đơn giản, nhưng đằng sau nó là sự tiếp nối của nhiều thế hệ nhà vật lý.
Người bình thường đọc tin tức này có thể cảm thấy nó xa rời cuộc sống của mình, nhưng nếu suy nghĩ kỹ, cảm nhận của mỗi người về thời gian cũng chẳng phải như vậy sao? Khi buồn chán, từng giây phút trôi qua thật khó khăn; khi tập trung, vài giờ trôi qua như chớp mắt. Thời gian chưa bao giờ là đồng đều.
Tiểu vũ trụ được tạo ra từ 24.000 nguyên tử không thể chứa đựng toàn bộ câu trả lời, nhưng nó đã đưa chúng ta đến gần sự thật hơn một bước. Sức hấp dẫn của khoa học nằm ở chỗ đó, nó không bao giờ hứa hẹn sẽ giải quyết tất cả bí ẩn trong một hơi, nhưng mỗi lần nó lại biến điều không thể thành có thể, biến lời nói suông thành bằng chứng thực nghiệm.
Tiểu vũ trụ này có thể sẽ được ghi vào sách giáo khoa, được gọi là điểm khởi đầu của kỷ nguyên vũ trụ học lượng tử đi vào thực nghiệm. Thời gian thực sự là gì, câu trả lời có lẽ còn phải chờ đợi vài thập kỷ nữa, nhưng ít nhất chúng ta biết rằng, nó không phải từ trên trời rơi xuống, mà là từ điệu nhảy của các nguyên tử mà ra.
