Lần đầu tiên, các nhà vật lý đã khiến cho ánh sáng dường như dịch chuyển đồng thời theo cả hai chiều trong thời gian. Kỹ thuật mới này có thể giúp các nhà khoa học cải tiến các máy tính lượng tử và hiểu rõ hơn về hấp dẫn lượng tử.
Bằng cách tách một photon bằng một tinh thể quang học đặc biệt, hai nhóm nghiên cứu độc lập đã có thu được thứ mà họ gọi là "sự đảo ngược thời gian lượng tử", trong đó photon tồn tại cùng lúc ở hai trạng thái tiến lên và lùi lại trong thời gian.
Những kế quả này có được dựa trên hai nguyên lý "kỳ lạ" trong cơ học lượng tử, những qui luật phản trực giác chi phối hành vi của những hạt vi mô. Nguyên lý đầu tiên là sự chồng chất lượng tử, cho phép các hạt vi mô tồn tại cùng lúc ở nhiều trạng thái khác nhau, hay nói cách khác là nhiều phiên bản khác nhau của hạt cùng tồn tại cho tới trước khi chúng được quan sát. Nguyên lý thứ hai gọi là đối xứng CPT (đối xứng về điện tích, tính chẵn lẻ và đảo ngược thời gian), nó cho biết bất cứ hệ nào chứa các hạt đều chịu ảnh hưởng của những qui luật vật lý như nhau ngay cả khi điện tích, tọa độ không gian và chuyển động trong thời gian của các hạt bị đảo ngược - giống như hình ảnh qua một tấm gương.
Bằng cách kết hợp hai nguyên lý này, các nhà vật lý đã tạo ra một photon dường như dịch chuyển ngược chiều với mũi tên thời gian ('arrow of time' - cụm từ thường được dùng để chỉ chiều thuận của thời gian như chúng ta vẫn biết, đi từ quá khứ tới tương lai). Họ đã công bố những kết quả của mình gần đây ở dạng bản đợi in trên arXiv (tức là vẫn còn đợi bình duyệt trước khi chính thức công bố).
Theo Teodor Strömberg, nhà vật lý tại Đại học Vienna (Áo), đồng thời là tác giả chính của một trong hai bài báo công bố này, thì việc đi ngược lại mũi tên thời gian "thực sự mâu thuẫn với những định luật cơ bản của vật lý mà phần lớn trong đó có đối xứng thời gian, và như vậy thì có thể không thực sự có chiều ưu tiên của thời gian".
Nguyên lý thứ hai của nhiệt động học chỉ ra rằng entropy của một hệ (tức số lượng trạng thái vi mô của hệ đó, thường được mô tả dễ hiểu là mức độ "lộn xộn" của một hệ nào đó) luôn tăng theo thời gian. Sự tăng của entropy, vì thế, chính là mũi tên thời gian, nó ác lập một chiều cụ thể cho sự tiến tới của thời gian.
Xu hướng tăng dần của sự hỗn loạn trong vũ trụ giải thích cho một việc đơn giản là tại sao việc trộn các thứ lại luôn dễ hơn là tách chúng khỏi nhau. Sự tăng của entropy cũng đồng thời gắn liền với cảm nhận của chúng ta về thời gian. Một kịch bản nổi tiếng trong tiểu thuyết viễn tưởng "Slaughterhouse-Five" (Lò mổ số 5) của Kurt Vonnegut cho thấy cách mà việc entropy bị thay đổi có thể khiến thời gian đảo ngược trong Thế chiến II: những viên đạn bay ra khỏi những người bị thương; các đám cháy tự dập tắt và trở lại thành những quả bom, xếp hàng ngay ngắn và rồi tách ra thành những thành phần khoáng chất đã tạo nên chúng; và mũi tên thời gian bị đảo ngược xóa đi được những hỗn loạn và tàn phá của chiến tranh.
Tuy nhiên, vì entropy vốn dĩ là một khái niệm thống kê, nó không được áp dụng cho những hạt hạ nguyên tử riêng lẻ. Trên thực tế, trong mọi tương tác hạt mà các nhà khoa học đã quan sát cho tới ngày nay - bao gồm cả tốc độ lên tới 1 tỷ tương tác trong 1 giây được thực hiện trong máy gia tốc hạt lớn nhất thế giới là LHC - thì đối xứng CPT vẫn được duy trì. Vì thế các hạt dường như di chuyển theo chiều tiến lên của thời gian không thể được phân biệt với những phản hạt đối xứng gương của chúng dịch chuyển ngược thời gian.
Yếu tố còn lại trong thí nghiệm mới này là sự chồng chất trạng thái. Minh chứng nổi tiếng nhất cho việc này là con mèo của Schrödinger, trong đó mô tả một con mèo được đặt trong một chiếc hộp đóng kín với một lộ chất độc có thể được giải phóng ra nếu một hạt alpha được phát ra bởi một phân rã phóng xạ. Phân rã phóng xạ này là một quá trình cơ học lượng tử xảy ra một cách ngẫu nhiễn, và vì thế nến nếu như không mở hộp để quan sát thì bạn không thể biết con mèo đã chết hay chưa. Điều đó có nghĩa là khi bạn chưa mở hộp thì con mèo tồn tại ở hai trạng thái sống và chết cùng lúc. (Bạn nên đọc thêm BÀI NÀY để hiểu rõ hơn về thí nghiệm này).
Sự chồng chất trạng thái cho phép một hạt tồn tại cùng lúc ở cả hai dạng tiến và lùi trong thời gian, nhưng để quan sát được việc đó trong thực nghiệm thì thực sự là khó khăn. Để làm được điều đó, cả hai nhóm đã nghĩ ra những thí nghiệm tương tự nhau mà trong đó họ tách một photon đang ở hai trạng thái chồng chất thành hai đường riêng thông qua một tinh thể quang học. Photon bị chồng chất đi theo đường đi bình thường xuyên qua tinh thể, trong khi photon còn lại được hiệu chỉnh để thay đổi tính phân cực để dịch chuyển giống như nó đang đi ngược thời gian.
Sau khi kết hợp hai photon chồng chất này bằng cách đưa chúng qua một tinh thể khác, các nhà nghiên cứu đo độ phân cực (tạm hiểu là định hướng của hạt trong không gian) thông qua nhiều thí nghiệm được lặp đi lặp lại. Họ thấy một dạng giao thoa lượng tử mà chỉ có thể tồn tại nếu photon này di chuyển đồng thời theo cả hai chiều của thời gian.
"Sự chồng chất các quá trình mà chúng tôi phát hiện ra này giống như việc một vật thể quay theo chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ cùng lúc," Strömberg nói.
Các nhà nghiên cứu đã tạo ra photon đảo ngược này trước hết vì sự tò mò của trí tuệ, nhưng những thí nghiệm tiếp theo đã cho thấy sự đảo ngược thời gian có thể được kết hợp vào những cổng logic đảo ngược để giúp các bộ xử lý của các máy tính lượng tử được cải thiện đáng kể khi chúng có thể tính toán cùng lúc theo cả hai chiều.
Một khả năng lý thuyết khác là hấp dẫn lượng tử - thứ từ lâu được kỳ vọng sẽ hợp nhất được thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử. Lý thuyết này sẽ cần bao hàm những hạt có thể chuyển động theo cả hai chiều thời gian như trong những thí nghiệm này, và có thể cho phép các nhà nghiên cứu nhìn sâu thêm vào một số hiện tượng bí ẩn bậc nhất trong vũ trụ.
"Một cách hay để nói về thí nghiệm của chúng tôi là một mô phỏng về kịch bản kỳ lạ mà ở đó một photon có thể tiến hóa cả tiến và lùi trong thời gian", tác giả chính của bài báo còn lại là Giulio Chiribella ở Đại học Oxford cho biết. "Những gì chúng tôi làm tương tự như những thí nghiệm vật lý kỳ lạ về đặc điểm của các lỗ đen hay là du hành thời gian."
Đặng Vũ Tuấn Sơn
Dịch, hiệu đính và bổ sung từ Livecsience
