Khoa học tìm thấy bằng chứng về khả năng bất tử của giả hạt: Chúng tự tái tạo sau khi đã phân rã

Không có gì tồn tại mãi mãi. Con người, hành tinh, ngôi sao, thiên hà...thậm chí có thể là chính Vũ trụ, mọi thứ đều diệt vong theo đúng chu kì sinh - tử. Nhưng quy luật đó chưa chắc tồn tại trong thế giới lượng tử vì mới đây, các nhà khoa học đã phát hiện ra các giả hạt - quasiparticle trong nhiều hệ lượng tử có thể bất tử theo đúng nghĩa đen.

Các giả hạt không phải là một hạt giống các electron hay quark mà chúng ta đã biết. Chúng chỉ là một hiện tượng xáo trộn diễn ra bên trong vật chất, được tạo ra bởi lực điện hoặc từ trường trong chất rắn và hoạt động giống như các hạt. Trong khi một hạt (electron, proton hoặc neutron) có thể trôi nổi tự do trong không gian, thì một giả hạt chỉ có thể tồn tại bên trong các hệ thống tương tác giữa nhiều hạt (chủ yếu là chất rắn).

Sau khi phân rã, giả hạt có thể tự tái tổ chức để quay về trạng thái cũ.

Các giả hạt được coi là bất tử vẫn trải ra quá trình phân rã, nhưng điều kì lạ là sau khi phân rã, chúng có thể tự tái tổ chức để quay về trạng thái cũ.

Điều này dường như đang thách thức định luật thứ hai về nhiệt động lực học, khẳng định rằng tính entropy trong một hệ cô lập chỉ có thể tăng chứ không suy giảm: mọi thứ chỉ có thể bị phá vỡ, chứ không thể tự xây dựng lại. Tuy vậy việc phát hiện ra các giả hạt bất tử cũng không khiến các nhà khoa học đau đầu, vì nhân loại còn biết quá ít về thế giới lượng tử - nơi sở hữu các quy luật đi ngược lại với mô hình vật lý ta vĩ mô mà ta vẫn biết.

Chúng ta đều biết tương tác mạnh là lực liên kết giữa các hạt quark, hạt cấu tạo nên hạt nhân nguyên tử, lực này giữ proton và neutron trong hạt nhân lại với nhau. Với một số hạt nhân nguyên tố nặng, một số neutron bị cách ly khỏi proton sẽ khiến hạt nhân xảy ra hiện tượng phân rã. Nhưng vào tháng 6 năm 2019 nhà vật lý Frank Pollman thuộc Đại học Kỹ thuật Munich lại phát hiện ra một điều kì lạ: "Trước nay, chúng tôi giả định rằng giả hạt trong các hệ thống lượng tử, tương tác phân rã sau một thời gian nhất định nhưng bây giờ chúng tôi biết thêm một điều ngược lại: các tương tác mạnh thậm chí có thể khiến hạt nhân ngừng phân rã hoàn toàn".

Các nhà khoa học tham gia vào nghiên cứu đã phát triển các mô hình số học để tính toán tương tác phức tạp của các giả hạt, sau đó họ chạy mô phỏng trên một siêu máy tính để quan sát cách chúng phân rã.

"Sau khi xem kết quả của quá trình mô phỏng, chúng tôi phải thừa nhận rằng các giả hạt có phân rã, tuy nhiên sau đó xuất hiện các thực thể hạt giống hệt nhau từ các mảnh vỡ", nhà vật lý Ruben Verresen thuộc Đại học Kỹ thuật Munich và Viện Vật lý Max Planck cho biết.

"Nếu sự phân rã diễn ra với tốc độ siêu nhanh thì một phản ứng nghịch đảo sẽ xuất hiện sau một khoảng thời gian nhất định và các mảnh vụn sẽ hội tụ lại. Quá trình này có thể tái diễn vô tận tạo ra một dao động kéo dài giữa sự phân rã và tái sinh".

Và cuối cùng các nhà vật lý đã chỉ ra rằng, nó không vi phạm định luật nhiệt động học thứ hai. Bởi lẽ sự dao động là sóng biến chuyển thành vật chất, điều này được mô tả bởi khái niệm lưỡng tính sóng - hạt, một nội dung có trong cơ học lượng tử. Bên cạnh đó, tính entropy của hệ lượng tử chứa giả hạt không giảm, chúng giữ nguyên. Tuy điều này rất kỳ lạ, nhưng nó không hề phá vỡ các định luật vật lý.

Giả hạt có phân rã, tuy nhiên sau đó xuất hiện các thực thể hạt giống hệt nhau từ các mảnh vỡ.

Thực tế, phát hiện này đã giải quyết được một vài vấn đề khác. Trong các thí nghiệm trước đây, hợp chất từ ​​tính là Ba₃CoSb₂O₉ có cấu trúc bất ổn, nhưng bây giờ các giả hạt từ tính có trong chất này (có tên magnons) lại chính là mắt xích còn thiếu để giải mã hiện tượng này. Theo mô phỏng trên máy tính, chúng đã tự sắp xếp lại sau khi phân rã.

Ngoài ra các nhà vật lý cũng giải mã được hiện tượng heli trở thành một chất siêu lỏng trở tại mức nhiệt độ thấp tuyệt đối -273,15°C, và việc chuyển trạng thái này có thể giải thích bằng việc heli cũng chứa đầy các giả hạt có tên roton.

Hiện tại, các khám phá này chỉ dựa trên lý thuyết, nhưng các nhà nghiên cứu tin rằng sự bất tử của giả hạt sẽ mang đến tiềm năng cho việc lưu trữ dữ liệu lâu dài trong các hệ thống máy tính lượng tử.

Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature.

Từ khóa liên quan:

giả hạt

giải hạt là gì

khả năng bất tử của giả hạt

quasiparticle

tính entropy của hệ lượng tử

Ruben Verresen

Frank Pollman