Tinh thể thời gian từ sóng âm lần đầu lộ diện, thách thức định luật Newton và mở lối cho công nghệ lượng tử tương lai

Một bước tiến đáng chú ý trong lĩnh vực vật lý hiện đại vừa được các nhà khoa học tại Đại học New York công bố, khi họ thành công trong việc tạo ra một dạng tinh thể thời gian hoàn toàn mới bằng sóng âm. Không chỉ gây ấn tượng bởi khả năng quan sát trực tiếp bằng mắt thường, hệ vật chất đặc biệt này còn khiến giới khoa học bất ngờ khi biểu hiện những hành vi dường như đi ngược lại định luật thứ ba của Newton, một trong những nền tảng cơ bản nhất của vật lý cổ điển.

Trong suốt nhiều thế kỷ, định luật thứ ba của Newton vẫn được xem là nguyên lý bất biến, chi phối gần như mọi hiện tượng cơ học trong đời sống. Theo đó, mỗi lực tác dụng luôn đi kèm với một lực phản tác dụng có độ lớn tương đương và hướng ngược lại. Từ chuyển động của tên lửa, sự bật nảy của quả bóng, cho đến cách sinh vật di chuyển trong tự nhiên, tất cả đều tuân theo nguyên tắc này.

Tuy nhiên, trong hệ tinh thể thời gian mới được tạo ra, các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng các hạt không tương tác theo cách “có đi có lại” quen thuộc. Thay vào đó, chúng chuyển động theo một cơ chế phi đối xứng, nơi tác động giữa các hạt không cân bằng. Điều này đồng nghĩa với việc hệ thống có thể vượt ra ngoài khuôn khổ của định luật Newton, mở ra những hướng nghiên cứu hoàn toàn mới.

Tinh thể thời gian vốn là một khái niệm từng chỉ tồn tại trong lý thuyết suốt nhiều năm. Được cấu thành từ các hạt dao động tuần hoàn giống như con lắc, loại vật chất này không ổn định theo nghĩa truyền thống mà duy trì trạng thái chuyển động lặp lại theo thời gian. Khoảng một thập kỷ trước, các nhà khoa học lần đầu tiên hiện thực hóa được tinh thể thời gian trong phòng thí nghiệm, đánh dấu bước ngoặt quan trọng trong vật lý lượng tử.

Trong nghiên cứu mới, nhóm khoa học do giáo sư David Grier dẫn dắt đã sử dụng các hạt nhỏ làm từ polystyrene và giữ chúng lơ lửng trong không khí bằng một trường sóng âm đặc biệt. Cơ chế này, được gọi là levitation âm học, cho phép các hạt vượt qua lực hấp dẫn và duy trì trạng thái treo ổn định.

Theo nhà nghiên cứu Mia Morrell, sóng âm trong hệ thống đóng vai trò tương tự như sóng nước trên mặt hồ, có thể tác động lực lên các vật thể. Khi đặt các hạt vào trường sóng dừng, lực từ sóng âm đủ để cân bằng trọng lực, tạo điều kiện cho các hạt lơ lửng và tương tác với nhau.

Điểm đặc biệt nằm ở cách các hạt này tương tác thông qua việc tán xạ sóng âm. Những hạt có kích thước lớn hơn tạo ra ảnh hưởng mạnh hơn lên các hạt nhỏ, trong khi chiều ngược lại lại yếu hơn đáng kể. Sự chênh lệch này dẫn đến một hệ tương tác không đối xứng, phá vỡ tính cân bằng vốn được xem là cốt lõi của định luật thứ ba Newton.

Để minh họa, Morrell ví von hiện tượng này giống như hai con tàu có kích thước khác nhau cùng tiến vào bến. Mỗi con tàu đều tạo ra sóng tác động lên tàu kia, nhưng mức độ ảnh hưởng không giống nhau do sự khác biệt về kích thước. Trong trường hợp của tinh thể thời gian, các “làn sóng” này chính là sóng âm, và chính chúng đã tạo nên một hệ động lực hoàn toàn mới.

Không chỉ dừng lại ở khía cạnh lý thuyết, thí nghiệm lần này còn gây chú ý bởi quy mô và tính trực quan. Với chiều cao khoảng 30 cm, hệ thống đủ lớn để người quan sát có thể nhìn thấy trực tiếp bằng mắt thường, thay vì phải dựa vào các thiết bị đo lường phức tạp như trong các nghiên cứu trước đây. Theo giáo sư Grier, chính sự đơn giản này lại là yếu tố khiến thí nghiệm trở nên đặc biệt ấn tượng.

Giới chuyên môn nhận định, phát hiện này có thể mang lại nhiều ứng dụng tiềm năng trong tương lai. Một trong những hướng đáng chú ý là lĩnh vực tính toán lượng tử, nơi các trạng thái vật chất đặc biệt như tinh thể thời gian có thể đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng các hệ thống xử lý thông tin tiên tiến hơn.

Bên cạnh đó, nghiên cứu còn mở ra cơ hội hiểu sâu hơn về các hệ sinh học phức tạp, đặc biệt là những quá trình mang tính không đối xứng như nhịp sinh học ngày đêm hay cách cơ thể con người xử lý thức ăn. Những hiện tượng này từ lâu đã đặt ra nhiều câu hỏi cho khoa học, và tinh thể thời gian có thể trở thành một mô hình lý tưởng để nghiên cứu.

Công trình đã được công bố trên tạp chí Physical Review Letters , đánh dấu một cột mốc quan trọng trong hành trình khám phá những giới hạn mới của vật lý. Trong bối cảnh khoa học ngày càng tiến gần hơn tới việc khai thác các trạng thái vật chất kỳ lạ, phát hiện này không chỉ thách thức những định luật quen thuộc mà còn mở ra cánh cửa cho một thế giới công nghệ hoàn toàn mới.