“Thời gian âm” là gì, có thực sự tồn tại?

*:not(:last-child)]:dt-mb-6">

Theo sử thi Odyssey của Homer, người anh hùng Odysseus trải qua hành trình dài từ thành Troy trở về quê hương Ithaca, vượt qua vô số thử thách.

Có giai đoạn, ông bị giữ lại trên đảo của nữ thần Calypso trong nhiều năm. Hình ảnh này thường được dùng như một phép ẩn dụ cho sự “co giãn” của thời gian, khi một quãng thời gian dài có thể được cảm nhận hoặc biểu hiện theo cách rất khác so với trực giác thông thường.

Photon lưu trú cùng các nguyên tử

Trong vật lý lượng tử, một hiện tượng tưởng như nghịch lý tương tự, gọi là “thời gian âm”, đã được quan sát trong thí nghiệm. Các nhà khoa học sử dụng photon (hạt ánh sáng) bắn qua một đám mây nguyên tử rubidium.

Khi tương tác với môi trường này, photon có thể tạm thời truyền năng lượng cho các nguyên tử, khiến chúng chuyển sang trạng thái kích thích trước khi phát xạ trở lại. Để quá trình này xảy ra, năng lượng của photon phải khớp với mức năng lượng đặc trưng của nguyên tử.

Tuy nhiên, theo Nguyên lý bất định Heisenberg, khi năng lượng được xác định càng chính xác thì thời gian của xung ánh sáng lại càng kém xác định. Vì vậy, các nhà khoa học không thể biết chính xác thời điểm photon đi vào đám mây nguyên tử mà chỉ có thể xác định giá trị trung bình.

Điều kỳ lạ xuất hiện ở những photon xuyên qua đám mây mà không bị tán xạ. Dựa trên thời điểm trung bình photon đi vào, các nhà khoa học có thể tính toán thời gian dự kiến để nó xuất hiện ở phía bên kia nếu di chuyển với tốc độ ánh sáng.

Tuy nhiên, kết quả đo cho thấy photon lại đến sớm hơn đáng kể so với dự đoán. Mức độ “đến sớm” này lớn đến mức, nếu diễn giải theo cách thông thường, photon dường như đã trải qua một khoảng “thời gian âm” bên trong đám mây nguyên tử, tức là thoát ra trước cả khi hoàn toàn đi vào.

Thời gian photon đến

Hiện tượng này từng được ghi nhận trong các thí nghiệm từ thập niên 1990, trong đó có nghiên cứu năm 1993 của Aephraim Steinberg. Tuy nhiên, nhiều nhà vật lý khi đó cho rằng đây chỉ là hệ quả của cách xung ánh sáng tương tác với môi trường.

Theo cách giải thích này, chỉ phần đầu của xung photon xuyên qua đám mây, còn phần lớn tín hiệu bị tán xạ. Vì vậy, những photon “sống sót” sẽ xuất hiện sớm hơn so với tính toán thông thường.

Dù vậy, Steinberg không hoàn toàn bị thuyết phục bởi lời giải thích trên. Tại phòng thí nghiệm của mình ở Đại học Toronto, ông muốn kiểm tra trực tiếp xem photon thực sự “lưu lại” trong các nguyên tử bao lâu khi đi qua đám mây rubidium.

Vấn đề nằm ở chỗ, trong cơ học lượng tử, việc đo đạc luôn tác động đến hệ đang được quan sát. Nếu các nhà nghiên cứu đo quá chính xác trạng thái của photon tại từng thời điểm, họ có thể vô tình phá hủy chính quá trình tương tác giữa photon và nguyên tử. Hiện tượng này được gọi là Hiệu ứng Zeno lượng tử, khi việc quan sát liên tục có thể “đóng băng” sự tiến hóa của hệ lượng tử.

Để tránh điều đó, nhóm nghiên cứu sử dụng kỹ thuật gọi là “phép đo yếu”. Thay vì đo chính xác trong từng lần, họ thực hiện các phép đo rất nhẹ nhằm giảm tối đa sự nhiễu loạn đối với hệ. Cụ thể, một chùm laser yếu được chiếu qua đám mây nguyên tử để theo dõi những thay đổi cực nhỏ trong pha ánh sáng, từ đó suy ra liệu các nguyên tử có đang mang năng lượng của photon hay không.

Mỗi phép đo riêng lẻ chỉ cung cấp thông tin rất sơ bộ, nhưng khi lặp lại hàng triệu lần và lấy giá trị trung bình, các nhà khoa học có thể xác định thời gian photon lưu lại trong đám mây với độ chính xác cao.

Kết quả thu được khiến giới nghiên cứu bất ngờ: thời gian lưu trú đo bằng “phép đo yếu” cũng cho giá trị âm, đồng thời trùng khớp với thời gian âm suy ra từ thời điểm photon xuất hiện ở đầu ra. Điều đáng chú ý là kết quả này không còn có thể giải thích đơn giản bằng giả thuyết “chỉ phần đầu của xung photon đi trước”.

Dù nghe giống ý tưởng du hành thời gian, hiện tượng này không cho thấy photon thực sự quay ngược thời gian hay vi phạm các định luật vật lý. Thay vào đó, nó phản ánh bản chất phi trực giác của cơ học lượng tử và cách các đại lượng thời gian được xác định trong thế giới vi mô.

Tuy nhiên, nghiên cứu cũng cho thấy “thời gian âm” không đơn thuần là một hiệu ứng toán học. Nó tạo ra những tác động vật lý có thể đo được trực tiếp lên hệ nguyên tử mà photon đi qua, qua đó mở ra thêm nhiều câu hỏi về bản chất của thời gian trong cơ học lượng tử.

Theo www.sciencealert.com