Tinh thể thời gian hình thành từ sóng âm lần đầu tiên xuất hiện, thách thức các định luật Newton và mở ra cơ hội cho công nghệ lượng tử trong tương lai

Một thí nghiệm tưởng như đơn giản với sóng âm đã tạo nên bước ngoặt khoa học khi hình thành tinh thể thời gian có thể quan sát trực tiếp bằng mắt thường, đồng thời hé lộ khả năng phá vỡ các định luật vật lý nền tảng tồn tại suốt hàng thế kỷ.

Một bước tiến quan trọng trong vật lý hiện đại vừa được các nhà khoa học tại Đại học New York công bố khi họ thành công tạo ra một dạng tinh thể thời gian mới thông qua sóng âm. Không chỉ ấn tượng bởi khả năng quan sát trực tiếp, 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 trụ cột của vật lý cổ điển.

Trong hàng thế kỷ, định luật thứ ba của Newton được xem là nguyên lý bất biến, chi phối gần như mọi hiện tượng cơ học trong đời sống. Theo đó, mỗi lực tác động luôn đi kèm một lực phản tác dụng với độ lớn tương đương và hướng ngược lại. Từ chuyển động tên lửa, quả bóng nảy, cho tới 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, các nhà nghiên cứu nhận thấy các hạt không tương tác theo cách “có đi có lại” quen thuộc. Thay vào đó, chúng vận hành theo cơ chế phi đối xứng, nơi tác động giữa các hạt không cân bằng. Điều này có nghĩa là hệ thống có thể vượt ra ngoài khuôn khổ định luật Newton, mở ra hướng nghiên cứu hoàn toàn mới.

Tinh thể thời gian vốn là khái niệm từng chỉ tồn tại trong lý thuyết nhiều năm. Được cấu thành từ các hạt dao động tuần hoàn 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 hiện thực hóa 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 polystyrene nhỏ và giữ chúng lơ lửng trong không khí nhờ một trường sóng âm đặc biệt. Cơ chế này, gọi là levitation âm học, cho phép các hạt chống lại lực hấp dẫn và duy trì trạng thái treo ổn định.

Theo nhà nghiên cứu Mia Morrell, sóng âm trong hệ thống hoạt động tương tự như sóng nước trên mặt hồ, có khả năng tác động lực lên các vật thể. Khi các hạt được đặt trong trường sóng dừng, lực từ sóng âm đủ để cân bằng trọng lực, giúp các hạt lơ lửng và tương tác với nhau.

Điểm nổi bật nằm ở cách các hạt tương tác thông qua tán xạ sóng âm. Những hạt lớn tạo ảnh hưởng mạnh lên hạt nhỏ, trong khi chiều ngược lại yếu hơn nhiều. Sự chênh lệch này dẫn đến hệ tương tác phi đối xứng, phá vỡ cân bằng vốn là cốt lõi của định luật thứ ba Newton.

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

Không chỉ dừng ở lý thuyết, thí nghiệm 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 thấy trực tiếp bằng mắt thường, thay vì phải dùng thiết bị đo lường phức tạp như các nghiên cứu trước. Theo giáo sư Grier, chính sự đơn giản này khiến thí nghiệm trở nên đặc biệt ấn tượng.

Giới chuyên môn nhận định phát hiện này có tiềm năng ứng dụng lớn trong tương lai. Một hướng đáng chú ý là 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 hệ thống xử lý thông tin tiên tiến hơn.

Bên cạnh đó, nghiên cứu còn mở ra cơ hội để hiểu sâu hơn về các hệ sinh học phức tạp, đặc biệt là những quá trình phi đối xứng như nhịp sinh học ngày đêm hay cách cơ thể con người tiêu hóa và xử lý thức ăn. Những hiện tượng này từ lâu đã là thách thức với khoa học, và tinh thể thời gian có thể trở thành mô hình lý tưởng để khám phá chúng.

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