Điều gì sẽ xảy ra nếu thời gian thực sự không tồn tại cho đến khi có một sự thay đổi diễn ra? Các nhà vật lý tại Đại học Birmingham mới đây đã tạo ra một "vũ trụ thu nhỏ" trong phòng thí nghiệm bằng cách sử dụng 24.000 nguyên tử siêu lạnh, qua đó chứng minh rằng dòng chảy thời gian có thể tự nhiên nảy sinh từ những biến đổi bên trong một hệ lượng tử mà không cần phụ thuộc vào bất kỳ chiếc đồng hồ bên ngoài nào.

"Vũ trụ thu nhỏ" không cần đồng hồ đo

Một số lý thuyết vật lý hiện đại, chẳng hạn như phương trình Wheeler–DeWitt, cho rằng ở cấp độ cơ bản nhất, vũ trụ không có một khoảng thời gian được tích hợp sẵn. Thay vào đó, toàn bộ vũ trụ tồn tại như một trạng thái lượng tử duy nhất không thay đổi, và bất kỳ cảm giác nào về thời gian đều phải được nảy sinh từ mối quan hệ nội tại giữa các phần bên trong hệ thống.

Để kiểm chứng ý tưởng này, Giáo sư Giovanni Barontini cùng các đồng nghiệp đã giam giữ khoảng 24.000 nguyên tử rubidium được làm lạnh đến xấp xỉ độ tuyệt đối trong một hệ lượng tử kín cô lập hoàn toàn với thế giới bên ngoài. Họ sử dụng hai chùm tia laser khác tần số để chia đám mây nguyên tử thành hai khu vực: khu vực "sáng" (được quan sát) và khu vực "tối" (không được quan sát).

"Nghiên cứu này cung cấp bằng chứng thực nghiệm có kiểm soát đầu tiên cho thấy 'thời gian' có thể được định nghĩa bằng những thay đổi bên trong một hệ thống, thay vì một 'chiếc đồng hồ tích tắc' bên ngoài." – Giáo sư Giovanni Barontini
Thí nghiệm tạo vũ trụ thu nhỏ từ đám mây nguyên tử siêu lạnh
Hệ thống quang học giúp bẫy và làm lạnh các nguyên tử rubidium trong phòng thí nghiệm của Giáo sư Barontini.

Khái niệm "Thời gian Entropy"

Khi các nguyên tử di chuyển qua lại giữa khu vực sáng và khu vực tối, mức độ hỗn loạn (entropy) hoặc sự phân tán của các hạt trong khu vực sáng liên tục thay đổi. Sự dịch chuyển này tạo ra một dạng thời gian mới gọi là "thời gian entropy" (entropic time).

Các đặc điểm chính của Thời gian Entropy

  • Một chiều nhất quán: Thời gian tự di chuyển theo một hướng rõ ràng, tạo nên "mũi tên thời gian".
  • Sắp xếp thứ tự sự kiện: Định hình đúng thứ tự trước – sau của các hiện tượng, ngay cả trong mô hình vũ trụ liên tục giãn nở rồi co lại (mô phỏng Big Bang và Big Crunch).
  • Nhịp độ linh hoạt: Tốc độ của thời gian có thể nhanh hơn hoặc chậm đi tùy thuộc vào cách thức entropy di chuyển trong hệ.
  • Dừng lại khi không biến đổi: Khi sự phân bố nguyên tử đạt trạng thái ổn định và ngừng thay đổi, thời gian bên trong vũ trụ thu nhỏ về bản chất cũng dừng lại.

Phát hiện này không chỉ mở ra góc nhìn mới về bản chất của thời gian trong hấp dẫn lượng tử mà còn cung cấp một mô hình phòng thí nghiệm độc đáo để mô phỏng giai đoạn sớm của vũ trụ hay hành vi tại chân trời sự kiện của hố đen.