Sự thật của cả vật lý và kinh nghiệm hàng ngày là mọi thứ đều tan vỡ. Băng tan. Các tòa nhà sụp đổ. Bất kỳ vật thể nào, nếu bạn chờ đợi đủ lâu, sẽ bị lẫn lộn với chính nó và môi trường xung quanh đến mức không thể nhận ra.

Nhưng bắt đầu từ năm 2005, một loạt đột phá đã khiến cuộc hành quân tử thần này dường như không còn lựa chọn nữa. Chỉ trong môi trường lượng tử phù hợp, bất kỳ sự sắp xếp nào của các electron hoặc nguyên tử sẽ tồn tại mãi mãi - ngay cả những sự sắp xếp không đồng đều đang hoạt động mạnh mẽ. Phát hiện này đi ngược lại với hiểu biết thông thường rằng các hiện tượng lượng tử là những thứ dễ vỡ, chỉ có thể quan sát được ở nhiệt độ cực thấp. Nó cũng tạo ra một lỗ hổng trong nền tảng của nhiệt động lực học, một nhánh đáng kính của vật lý giải thích các hiện tượng như nhiệt và entropy là những hệ quả tất yếu của sự tương tác giữa các nhóm hạt khổng lồ.

Kết quả này gây sốc cho các nhà vật lý như Norman Yao, một sinh viên tốt nghiệp vào thời điểm đó hiện là giáo sư tại Đại học Harvard. “Địa ngục thánh,” anh nhớ lại mình đã nghĩ, dùng từ mạnh hơn địa ngục. “Nếu điều này đúng trong một hệ thống nhiều hạt tương tác, thì cơ học thống kê sẽ thất bại. Nhiệt động lực học thất bại.”

Khái niệm về một sự ổn định lượng tử hoàn toàn mới lan rộng. Nó truyền cảm hứng cho các nhà lý thuyết gợi lên một loạt các giai đoạn mới của vật chất lượng tử như tinh thể thời gian - những hệ thống duy trì hành vi lặp đi lặp lại vô thời hạn mà không hấp thụ năng lượng. Và các kỹ sư lượng tử đang chiến đấu với sự khó khăn của qubit để chế tạo máy tính lượng tử đã rất vui mừng trước dấu hiệu này cho thấy cuộc chiến của họ là một cuộc chiến có thể thắng.

“Trong máy tính lượng tử, bạn cần có bộ nhớ về các điều kiện ban đầu của mình; nếu không thì bạn không thể làm được gì cả”, Yao nói.

Việc tích lũy bằng chứng lên đến đỉnh điểm vào năm 2014 với bằng chứng toán học nghiêm ngặt cho thấy các mô hình lượng tử thực sự có thể tồn tại mãi mãi.

Tuy nhiên, trong những năm gần đây, lời hứa về các cấu trúc lượng tử ổn định vĩnh viễn đã bắt đầu lung lay. Những mô hình như vậy thực sự có thể tồn tại hàng thiên niên kỷ, như các thí nghiệm mang tính đột phá đã phát hiện ra. Nhưng một cuộc tranh luận nổ ra về việc liệu những thiên niên kỷ đó có thực sự kéo dài đến vĩnh cửu như nhiều nhà vật lý đã tin tưởng hay không. Trong quá trình mổ xẻ bản chất cơ bản của số phận lượng tử, các nhà vật lý liên quan đã phát hiện ra những hiện tượng lượng tử chưa từng được biết đến trước đây đe dọa sự ổn định của các đám hạt lớn.

“Bạn nghĩ rằng bạn hiểu rất rõ [ý tưởng này], nhưng bây giờ thì không,” nói Vedika Khemani, một nhà vật lý tại Đại học Stanford. “Thật là vui. Có một bí ẩn cần được giải đáp lần nữa.”

Hương vị của sự vĩnh cửu

Thông tin ban đầu về sự vĩnh cửu lượng tử đã được Phil Anderson, một nhà vật lý, người sau này trở thành huyền thoại trong lĩnh vực của mình, tìm ra. Vào những năm 1950, Anderson ở Bell Labs để nghiên cứu lĩnh vực vật lý tiên tiến lúc bấy giờ – hành vi của các electron bên trong chất bán dẫn. Trong khi cố gắng tìm hiểu một số kết quả thí nghiệm khó hiểu, anh thấy mình đang nghĩ đến một vấn đề trừu tượng hơn.

Anderson tự hỏi liệu có thể bẫy một hạt lượng tử tại chỗ không?

Thật dễ dàng để bẫy một vật thể cổ điển, chẳng hạn như quả bóng bi-a. Chỉ cần bao quanh nó bằng các rào chắn, giống như đường ray của bàn bi-a. Nhưng các hạt lượng tử có thể di chuyển hoàn toàn bất chấp các rào cản bằng cách “đào hầm” xuyên qua chúng. Điều đáng chú ý là họ không thể đi xa. Việc đào hầm trở nên khó khăn - tức là khó xảy ra theo cấp số nhân - một hạt càng cố gắng đi xa hơn. Anderson tự hỏi môi trường xung quanh có thể chứa đựng một nghệ sĩ thoát khỏi lượng tử như thế nào.

Ông tìm thấy bí mật là đưa hạt vào một khung cảnh lượng tử “không có trật tự”, rải rác với các đỉnh và thung lũng. Mỗi vị trí sẽ có chiều cao ngẫu nhiên, đại diện cho một năng lượng ngẫu nhiên. Trong một vật liệu thực, sự hỗn loạn này có thể đến từ các tạp chất như thiếu nguyên tử hoặc nguyên tử của các nguyên tố khác nhau.

Anderson kết luận, với đủ sự hỗn loạn, một hạt sẽ không bao giờ đào hầm xa được. Để đào hầm, một hạt cần tìm một vị trí có năng lượng tương tự (hoặc ở độ cao tương tự) với vị trí mà nó bắt đầu. Và sự hỗn loạn hơn khiến những địa điểm như vậy trở nên khan hiếm hơn. Bằng cách nhìn sâu hơn vào cảnh quan, một hạt có thể dò tìm các địa điểm ứng cử viên trong một khoảng thời gian hợp lý. Tốc độ này có thể khá nhanh ở các chiều "cao hơn" như mặt phẳng 2D và khối 3D, nơi hạt có nhiều tùy chọn hơn. Nhưng độ khó theo cấp số nhân để tiếp cận những địa điểm đó sẽ luôn tăng nhanh hơn, khiến việc đào hầm trở thành một đề xuất khó có thể xảy ra.

Anderson lập luận rằng đào hầm là chưa đủ một tờ giấy 1958. Một cảnh quan hỗn loạn ở bất kỳ chiều nào cũng sẽ “định vị” một hạt. Về cơ bản, tác phẩm này đã không được đọc trong nhiều năm, mặc dù cuối cùng nó đã giúp anh có được một phần trong Giải thưởng Nobel 1977 Vật lý.

Trong khi những suy nghĩ của Anderson được lấy cảm hứng từ các electron trong chất bán dẫn, thì việc đóng khung của anh ấy cho thấy rằng anh ấy đang suy nghĩ trừu tượng hơn. Điều bất thường đã thúc đẩy ông là sự kháng cự bí ẩn giữa các electron đối với một quá trình được gọi là nhiệt hóa. Ông tìm cách hiểu sâu hơn khi nào một hệ sẽ nóng lên hoặc không nóng lên. Ông không phải là nhà vật lý đầu tiên nghiên cứu hiện tượng này, nhưng những câu hỏi ông nêu ra trong công trình của mình sẽ thu hút trí tưởng tượng của thế hệ các nhà vật lý sau này.

“Đã đi trước thời đại 50 năm,” nói David Huse, một nhà vật lý tại Đại học Princeton.

Trong ngôn ngữ thông thường, nhiệt hóa là xu hướng tự nhiên của các hệ thống bị xáo trộn. Bộ bài mới nhanh chóng mất đi trật tự ban đầu. Lâu đài cát cuộn tròn như một cục cát ướt. Trong nhiệt động lực học, xu hướng này là hệ quả trực tiếp của thống kê. Chỉ có một số cách để được sắp xếp và có vô số cách để được trộn lẫn, vì vậy một hệ thống được sắp xếp ban đầu rất có thể sẽ bị trộn lẫn.

Đặc điểm chính của quá trình nhiệt hóa là mọi mẫu ban đầu đều bị xóa sạch khi trộn. Ví dụ, bất kỳ điểm nóng hoặc sự tập trung năng lượng ban đầu nào sẽ lan rộng ra cho đến khi không thể lan rộng thêm nữa. Tại thời điểm này, hệ thống trở nên ổn định và ngừng thay đổi đáng kể - một kịch bản mà các nhà vật lý gọi là cân bằng nhiệt.

Nhìn lại quá khứ, các nhà vật lý thấy rằng công trình của Anderson chứa đựng mầm mống của một cuộc nổi loạn chống lại sự nhiệt hóa. Ông đã chỉ ra rằng một cảnh quan hỗn loạn có thể bẫy được một hạt. Câu hỏi quan trọng trở thành: Liệu nó có thể định vị được nhiều hạt không? Nếu các hạt bị mắc kẹt tại chỗ, năng lượng sẽ không lan truyền và hệ thống sẽ không bao giờ nóng lên. Ngược lại với sự nhiệt hóa, sự định vị sẽ đại diện cho một kiểu ổn định hoàn toàn mới, một cách bất ngờ để các mô hình năng lượng lượng tử tồn tại mãi mãi.

“Biết được liệu quá trình nhiệt hóa có phải là điều phổ biến sẽ xảy ra trong một hệ thống khép kín hay liệu nó có thể bị phá vỡ hoàn toàn hay không,” cho biết Maissam Barkeshli, một nhà vật lý tại Đại học Maryland, “là một trong những câu hỏi cơ bản nhất trong vật lý”.

Tuy nhiên, để trả lời câu hỏi đó sẽ đòi hỏi phải giải quyết một vấn đề khiến cho công trình đoạt giải Nobel của Anderson có vẻ giống như một màn khởi động. Vấn đề cơ bản là các nhóm hạt có thể ảnh hưởng lẫn nhau theo những cách vô cùng phức tạp. Việc giải thích những tương tác này tỏ ra phức tạp đến mức gần 50 năm trôi qua kể từ khi bài báo năm 1958 của Anderson đến những nỗ lực nghiêm túc đầu tiên nhằm tìm hiểu sự định vị trong các hệ nhiều hạt, mà các nhà vật lý gọi là sự định vị nhiều vật.

Câu trả lời khó tin xuất hiện nửa thế kỷ sau đó là sự nhiệt hóa không phải lúc nào cũng tất yếu. Bất chấp sự nhiệt hóa, việc định vị nhiều vật thể dường như có thể thực hiện được.

“Nó phá vỡ các định luật nhiệt động lực học,” nói Wojciech De Roeck, một nhà vật lý tại KU Leuven ở Bỉ. “Điều đó có nghĩa là sự hỗn loạn không phải lúc nào cũng chiến thắng.”

Sự trỗi dậy của việc bản địa hóa nhiều cơ thể

Phần tiếp theo bom tấn của tác phẩm của Anderson ra mắt vào năm 2005, khi Denis Basko, Igor Aleiner và Boris Altshuler, các nhà vật lý có liên kết tại các trường đại học Princeton và Columbia, đã xuất bản một bài báo mang tính bước ngoặt giúp các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực này có thể nhận ra tên viết tắt của họ ngay lập tức. Trong đó, BAA nghiên cứu xem liệu tạp chất nguyên tử trong kim loại có thể định vị các electron, giữ chúng ở gần các nguyên tử và biến vật liệu dẫn điện thành chất cách điện hay không.

In 88 trang về toán học dày đặc bao gồm 173 phương trình được đánh số và 24 hình (không bao gồm các phụ lục), BAA đã chỉ ra rằng một vật liệu lộn xộn thực sự có thể ngăn chặn các nhóm electron trên đường đi của chúng, giống như Anderson đã chứng minh rằng nó có thể ngăn chặn một hạt. Công việc của họ đã khởi động một cách hiệu quả nghiên cứu về bản địa hóa nhiều vật thể, hay MBL.

Khemani nói: “Đó thực sự là một chuyến tham quan tuyệt vời. “Họ đã chứng minh rằng MBL ổn định ở mọi khía cạnh.” Công việc cũng không thể xuyên thủng. Các nhà nghiên cứu tin vào điều đó nhưng không hiểu đủ rõ để xây dựng dựa trên nó. “Không ai thực sự có thể thực hiện phép tính BAA ngoài họ,” nói Jed Pixley, một nhà vật lý vật chất ngưng tụ tại Đại học Rutgers.

Nhưng phát hiện của BAA đã gây ra làn sóng khắp khuôn viên Princeton. Basko nói với người bạn của mình là Vadim Oganesyan, người đã thảo luận vấn đề này với cố vấn của mình, David Huse. Hai người trong số họ đã chạy các mô phỏng trên máy tính để cho phép họ thử nghiệm các ý tưởng của BAA một cách trực tiếp hơn trong bối cảnh nhiệt hóa trừu tượng hơn.

Trong mô phỏng của mình, Huse và Oganesyan thiết lập các chuỗi hạt lượng tử có thể hướng lên hoặc hướng xuống và có thể lật ngược các hạt lân cận của chúng. Khi họ ngày càng thêm vào sự hỗn loạn, theo công thức định vị, họ thấy các dấu hiệu cho thấy các chuỗi hạt đang chuyển từ kịch bản nhiệt hóa (trong đó, chẳng hạn, một hạt chuyển động nhanh sẽ lan truyền năng lượng của nó và bắt đầu chuyển động từ các hạt lân cận) sang gần như kịch bản cục bộ (trong đó hạt sẽ giữ năng lượng của nó). Quá trình chuyển đổi từ nhiệt hóa sang định vị ở một mức độ rối loạn nhất định trông giống như sự chuyển đổi giữa các pha của vật chất, chẳng hạn như giữa chất lỏng và nước đá, xảy ra ở một nhiệt độ nhất định.

MBL có thể đủ điều kiện để trở thành một giai đoạn không? Các pha giữ một vị trí đặc biệt trong vật lý. Họ cũng có một định nghĩa đặc biệt. Điều quan trọng là một pha của vật chất phải ổn định trong một khoảng thời gian dài vô hạn và đối với một hệ thống vô cùng lớn. Nếu thực sự có một sự chuyển tiếp giữa quá trình nhiệt hóa và định vị, và nếu quá trình định vị xảy ra vô thời hạn đối với các hệ vô hạn, thì có lẽ hai loại ổn định này có thể được coi là các pha theo đúng nghĩa của chúng.

Oganesyan và Huse không thể mô phỏng các chuỗi dài vô hạn trong thời gian dài vô hạn (họ có thể mô phỏng khoảng chục hạt), vì vậy họ không ngạc nhiên khi thấy các dấu hiệu định vị không hoàn hảo. Nhưng khi họ làm cho chuỗi của mình dài hơn, quá trình chuyển đổi sang nội địa hóa trở nên gay gắt hơn. Tác phẩm đầu tiên của họ, đăng vào năm 2006, gợi ý về khả năng hấp dẫn rằng đối với các chuỗi dài vô tận với đủ mức độ hỗn loạn, một giai đoạn định vị có thể tồn tại.

Có lẽ quan trọng hơn là các mô phỏng của họ rất dễ hiểu. “David đã tính toán để bất kỳ ai cũng có thể làm được,” Pixley nói.

Các nghiên cứu bằng số sau đó ủng hộ quan điểm cho rằng cảnh quan gồ ghề có thể định vị năng lượng và các nhà vật lý bắt đầu xem xét các tác động này. Những đợt lũ năng lượng, thường ở dạng nhiệt, quét sạch các pha tinh vi của vật chất lượng tử. Nhưng nếu các đỉnh lởm chởm đủ lớn có thể ngăn chặn sự lan truyền năng lượng, thì các cấu trúc lượng tử có thể tồn tại hiệu quả ở bất kỳ nhiệt độ nào. “Bạn có thể thu được những hiện tượng mà chúng tôi thực sự liên tưởng và chỉ hiểu được ở nhiệt độ 0,” cho biết Anushya Chandran, một nhà vật lý tại Đại học Boston, người đã nghiên cứu MBL khi còn là sinh viên tốt nghiệp Princeton.

Một cấu trúc lượng tử cao cấp phát triển từ MBL là một khuôn mẫu về thời gian. Lật một đầu của chuỗi hạt ở một tốc độ nhất định và toàn bộ chuỗi có thể chuyển đổi giữa hai cấu hình mà không hấp thụ bất kỳ năng lượng nào từ việc lật. Những cái này "tinh thể thời gian” là một pha mất cân bằng kỳ lạ của vật chất, điều này chỉ có thể xảy ra do một cảnh quan đủ rối loạn đã ngăn cản mọi sự sắp xếp có thể tưởng tượng được của các hạt đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt.

Khemani, người đã đến Princeton vào khoảng thời gian này và sẽ tiếp tục đóng vai trò tiên phong trong việc tìm hiểu và tạo ra các tinh thể thời gian, cho biết: “Không có gì tương tự cả”. “Đó là một sự thay đổi hoàn toàn về mô hình.”

Mảnh ghép cuối cùng của câu đố lý thuyết đã được giải quyết vào năm 2014, khi John Imbrie, một nhà vật lý toán học tại Đại học Virginia, đã chỉ ra rằng nếu bạn có thể xâu chuỗi một chuỗi hạt dài vô tận với nhau với đủ sự rối loạn, mọi cấu hình sẽ được bản địa hóa. Bất chấp khả năng tương tác của các hạt với các hạt lân cận, chúng sẽ tiếp tục làm công việc riêng của mình mãi mãi.

Bằng chứng toán học chặt chẽ, những điều hiếm thấy trong vật lý, là kết quả của 5 năm nỗ lực. Tất cả đều đảm bảo rằng việc bản địa hóa là có thể, củng cố vị thế của nó như một giai đoạn. Imbrie nói: “Khi bạn thực hiện một lập luận toán học, bạn phải xem xét mọi khả năng có thể xảy ra. “Đó là một phần của vẻ đẹp.”

Cùng lúc đó, các nhà vật lý với các phòng thí nghiệm chuyên điều khiển các nguyên tử lạnh đã xác nhận rằng các hạt thực hành xử giống như các hạt kỹ thuật số. Số lượng khiêm tốn các nguyên tử bị ngăn cách bởi hàng núi ánh sáng lan ra với tốc độ băng giá, cả khi sắp xếp theo đường 1D và khi được sắp xếp theo lưới 2D.

Với ưu thế vượt trội về bằng chứng thực nghiệm, toán học và số học, MBL dường như đã được định sẵn để bước vào quần thể các chuyển pha cùng với từ tính và siêu dẫn. Các nhà vật lý kỳ vọng rằng rất nhiều hệ khác nhau ở các chiều khác nhau có thể trắng trợn coi thường số phận nhiệt động lực học được cho là của chúng.

Năm 2022, Hiệp hội Vật lý Hoa Kỳ đã trao tặng Altshuler, Huse và Aleiner giải thưởng danh giá Giải thưởng Lars Onsager, được đặt theo tên của nhà vật lý toán học đã chứng minh rằng một người mẫu hoạt hình nắm bắt được quá trình chuyển pha khi vật liệu bị từ hóa.

Nhưng ngay cả trước khi giải thưởng được trao, ý tưởng về những công trình có độ bền vô hạn đã bắt đầu tan vỡ.

Sự khởi đầu của sự chao đảo

Cơn chấn động đầu tiên xảy ra khoảng một năm rưỡi sau bằng chứng của Imbrie.

Hãy nhớ lại rằng quá trình chuyển đổi từ quá trình nhiệt hóa sang quá trình định vị được cho là diễn ra giống như quá trình chuyển đổi giữa các pha quen thuộc của vật chất. Ví dụ, khi kim loại bị từ hóa, một số tính chất nhất định thay đổi ở tốc độ nhất định, được mô tả bằng các phương trình được tính toán tỉ mỉ. Các giá trị cụ thể trong các phương trình này có số mũ nhất định, như số 2 trong x².

Để có một sự chuyển pha thực sự trong một chiều, các nhà toán học đã chứng minh rằng hai trong số các số mũ này phải lớn hơn 2. Nhưng các mô phỏng MBL cho thấy chúng bằng 1 – một sự bất đồng lớn. trong một bản in trước vẫn chưa được xuất bản đăng vào năm 2015, Oganesyan và Chandran, cùng với Christopher Laumann của Đại học Boston, đã chỉ ra rằng sự không phù hợp không chỉ là một tác dụng phụ tầm thường của việc nghiên cứu các chuỗi ngắn chứ không phải là các chuỗi vô hạn. Một cái gì đó cơ bản hơn dường như đã xảy ra.

“Họ đã xem xét nó một cách cẩn thận,” Huse nói. “Nhưng chúng tôi không thể tìm ra được điều gì đã xảy ra.”

Một chuỗi các cú sốc lớn hơn xảy ra trong vài năm tiếp theo. Hãy tưởng tượng cảnh quan miền núi sẽ dẫn đến MBL. Bây giờ hãy mở rộng cảnh quan đó đến vô tận theo mọi hướng. Nếu bạn ngẫu nhiên khám phá đủ về nó, đến một lúc nào đó bạn chắc chắn sẽ gặp phải một mảnh đất phẳng mở rộng.

Các hạt trong vùng phẳng có thể dễ dàng tìm thấy các trạng thái có năng lượng tương tự để truyền vào, do đó chúng hòa trộn và tỏa nhiệt. Trong một khu vực như vậy, có rất nhiều trạng thái năng lượng, làm tăng khả năng một hạt ở những ngọn núi lân cận có thể tiếp xúc và tự tỏa nhiệt, De Roeck của KU Leuven và François Huveneers, lúc đó đang học tại Đại học Paris-Dauphine ở Pháp. Do đó, vùng phẳng có thể đóng vai trò là nguồn năng lượng nhiệt.

Nhưng liệu một bản vá nhỏ như vậy có thể đánh sập toàn bộ hệ thống không? Về mặt trực quan, kịch bản có vẻ hợp lý giống như một bồn tắm nước nóng ở Denver gây ra cuộc khủng hoảng ở Vail, Breckenridge và Telluride. Các nhà vật lý đã không chấp nhận nó ngay lập tức. Khi De Roeck và Huveneers nêu ra khả năng này tại các hội nghị, cuộc nói chuyện của họ đã gây ra những phản ứng giận dữ từ khán giả.

“Đó là một bất ngờ lớn,” De Roeck nói. “Rất nhiều người lúc đầu không tin chúng tôi.”

Trong một loạt bài viết bắt đầu từ 2016, De Roeck, Huveneers và các cộng tác viên đã trình bày trường hợp của họ về một quá trình mà ngày nay được gọi là tuyết lở. Họ lập luận rằng, không giống như bồn nước nóng, những gì bắt đầu như một giọt hạt nhiệt có thể tạo thành quả cầu tuyết rơi xuống đại dương.

Imbrie nói: “Bạn có một bể nước nóng và nó thu hút các địa điểm lân cận vào bể nước nóng. “Nó ngày càng mạnh hơn và thu hút ngày càng nhiều trang web. Đó chính là trận tuyết lở.”

Câu hỏi quan trọng là liệu một trận tuyết lở sẽ lấy được đà hay mất đà. Với mỗi bước, bồn tắm nhiệt thực sự sẽ trở thành một nguồn dự trữ năng lượng lớn hơn và tốt hơn. Nhưng mỗi bước cũng khiến việc làm nóng vị trí tiếp theo trở nên khó khăn hơn. Gợi nhớ đến quá trình bản địa hóa từng hạt của Anderson, cuộc tranh luận đã dẫn đến cuộc chạy đua giữa hai tác động: sự cải thiện của bồn tắm so với khó khăn trong việc phát triển thêm.

De Roeck và Huveneers lập luận rằng tuyết lở sẽ giành chiến thắng trong hai và ba chiều, bởi vì chúng dự trữ các trạng thái năng lượng cực kỳ nhanh chóng - với tốc độ liên quan đến diện tích tăng trưởng nhanh chóng (ở dạng 2D) hoặc khối lượng (ở dạng 3D). Hầu hết các nhà vật lý đều chấp nhận rằng tuyết lở ở những vùng đất này là không thể ngăn chặn được, khiến MBL trở thành một viễn cảnh xa vời đối với các tấm hoặc gạch.

Nhưng khả năng MBL trong chuỗi một chiều vẫn tồn tại, bởi vì một trận tuyết lở quét qua một đường thẳng sẽ tích lũy trạng thái năng lượng chậm hơn. Trên thực tế, quá trình tắm nhiệt phát triển mạnh mẽ hơn với tốc độ tương đương với mức độ khó tăng trưởng. Đó là một trận hòa. Trận tuyết lở có thể tiếp tục ở dạng 1D hoặc có thể dừng lại.

Trong khi đó, các nhà vật lý khác ngày càng hoài nghi rằng MBL có thể tồn tại ngay cả trong chuỗi 1D. Năm 2019, một nhóm chuyên gia về hỗn loạn người Slovenia bao gồm Tomaž Prosen đã phân tích lại dữ liệu số cũ và nhấn mạnh thực tế là khi cảnh quan trở nên nhiều đồi núi hơn, quá trình nhiệt hóa chậm lại rất nhiều nhưng chưa bao giờ dừng lại hoàn toàn - một sự thật khó chịu mà các nhà nghiên cứu MBL đã coi là tạo tác của các mô phỏng quy mô nhỏ của họ. Anatoli Polkovnikov của Đại học Boston và Sấy khô, hiện nay của Đại học New York và Viện Flatiron, cùng với các nhà nghiên cứu khác, đã đến kết luận tương tự. Lập luận của họ thách thức trực tiếp sức hấp dẫn trung tâm của MBL: lời hứa về cuộc sống vĩnh cửu cho lâu đài cát lượng tử.

“Ở cấp độ các nhà lý thuyết nói về MBL,” Chandran nói, “có một chế độ trung thực với Chúa trong đó [thời gian nhiệt hóa] không chỉ là tuổi của vũ trụ và chúng ta không thể nhìn thấy nó. Không, nó thực sự là vô hạn.”

Một cuộc tranh luận sôi nổi diễn ra sau đó, cả trong tài liệu học thuật lẫn trong các cuộc thảo luận riêng tư. Sels và Huse đã dành hàng giờ trên Zoom trong thời kỳ đại dịch bùng phát. Đôi khi họ cũng nói chuyện với nhau nhưng mỗi người đều ghi nhận những hiểu biết sâu sắc hữu ích của nhau. Nội dung sâu sắc của cuộc tranh cãi mang tính kỹ thuật cực kỳ cao và ngay cả các nhà nghiên cứu liên quan cũng không thể trình bày đầy đủ tất cả các quan điểm. Nhưng cuối cùng, sự khác biệt của họ thuộc về mỗi phe tạo nên một người có trình độ học vấn khác nhau - cực kỳ có học thức - hãy đoán xem bạn sẽ thấy gì nếu bạn có thể quan sát một chuỗi hạt chuyển động mãi mãi.

Hai bên vẫn không thống nhất về việc liệu pha MBL thực sự có tồn tại ở một chiều hay không, nhưng một kết quả cụ thể của cuộc xung đột là nó khiến các nhà nghiên cứu phải xem xét kỹ lưỡng tác động mà trận tuyết lở có thể gây ra đối với sự khởi đầu được cho là của MBL.

Huse nói: Các nhóm hoài nghi “có một số điểm rất tốt, nhưng họ đã đi quá xa”. “Nó thực sự khiến chúng tôi có động lực.”

Huse, cộng tác với một nhóm cựu chiến binh MBL bao gồm Khemani, đã tìm ra cách mô phỏng tác động của trận tuyết lở lên các chuỗi ngắn mà không thực sự kích hoạt một trận tuyết lở. (Chưa ai nhìn thấy một trận tuyết lở, thậm chí cả về mặt số lượng, bởi vì để có được một điểm phẳng đủ lớn, bạn có thể cần một chuỗi dài hàng tỷ hạt, Sels ước tính, và các nhà nghiên cứu thường nghiên cứu các chuỗi khoảng 12.) Sels sau đó đã phát triển mô hình trận tuyết lở của riêng mình- hướng lên.

Hai nhóm đã đến tương tự kết luận vào năm 2021: Quá trình chuyển đổi MBL, nếu nó tồn tại, đòi hỏi cảnh quan nhiều núi non hơn nhiều so với những gì các nhà nghiên cứu đã tin tưởng. Với mức độ chắc chắn trước đây được cho là mang lại MBL, quá trình nhiệt hóa sẽ chậm lại nhưng sẽ không dừng lại. Để người tuyết lượng tử có cơ hội chiến đấu chống lại tuyết lở, cảnh quan sẽ phải hỗn loạn hơn những gì Huse và đồng đội đã nghi ngờ. Nhóm của Huse ban đầu nhận thấy rằng những ngọn núi ít nhất phải gồ ghề gấp đôi. Công trình của Sels đã đẩy con số đó lên ít nhất gấp sáu lần, khiến những ngọn núi giống dãy Himalaya hơn là dãy Rockies. MBL vẫn có thể xảy ra trong những bối cảnh khắc nghiệt đó, nhưng lý thuyết được xây dựng xung quanh quá trình chuyển đổi ít khắc nghiệt hơn thực sự đã có vấn đề.

Huse nói: “Chúng tôi đã chấp nhận nó quá kỹ lưỡng và chúng tôi đã không xem xét đến những chi tiết tinh tế của nó.

Trong công trình năm 2021, các nhà nghiên cứu đã viết lại và mở rộng sơ đồ pha MBL cho chuỗi 1D. Ở những vùng đất bằng phẳng giống Kansas, các hạt nóng lên nhanh chóng. Ở Rockies, các nhà nghiên cứu đã phân loại lại “pha” MBL thành “chế độ tiền nhiệt”. Đây là chế độ có vẻ ổn định được phát hiện bởi BAA, các mô phỏng của Princeton và các thí nghiệm nguyên tử. Nhưng giờ đây, các nhà nghiên cứu đã kết luận rằng nếu người ta đợi một thời gian cực kỳ dài – theo đúng nghĩa đen là hàng tỷ năm đối với một số thiết lập – thì các hạt được ngăn cách bởi Rockies trên thực tế sẽ hòa trộn và tỏa nhiệt.

Ngoài dãy Rockies là dãy Himalaya. Điều gì xảy ra ở đó vẫn là một câu hỏi mở. Sels và Prosen tin chắc rằng năng lượng sẽ lan rộng và quá trình nhiệt hóa cuối cùng sẽ xảy ra, ngay cả khi phải mất hàng thiên niên kỷ. Huse và công ty tiếp tục tin rằng MBL chính hãng sẽ xuất hiện.

Lý do chính khiến họ tin tưởng vào MBL là bằng chứng năm 2014. Trong số rất nhiều bằng chứng ủng hộ sự tồn tại của MBL thực sự, bằng chứng của Imbrie là bằng chứng cuối cùng. Và sau sự nghiệp phát triển các công cụ toán học dành riêng cho loại vấn đề này, anh ấy đã ủng hộ nó.

“Việc chứng minh có sai sót không phải là chưa từng xảy ra trong toán học,” ông nói, “nhưng tôi nghĩ tôi biết mình đang làm gì.”

Tuy nhiên, bằng chứng đã chia rẽ các nhà vật lý vì các nhà vật lý không hiểu nó. Không phải vì thiếu cố gắng. Laumann đã từng nhờ Imbrie dạy cách chứng minh cho anh ta và một số nhà nghiên cứu trong suốt một tuần ở Ý, nhưng họ không thể làm theo các bước một cách chi tiết. Tuy nhiên, điều đó không hoàn toàn đáng ngạc nhiên vì các nhà vật lý thường sử dụng toán học theo cách nhanh hơn và lỏng lẻo hơn các nhà toán học. Lập luận của Imbrie không phụ thuộc vào bất kỳ mức độ chắc chắn cụ thể nào trong cảnh quan, vì vậy những sửa đổi gần đây đối với sơ đồ pha MBL không hề làm suy yếu nó. Để xác định liệu MBL có thực sự tồn tại hay không, các nhà nghiên cứu sẽ cần phải xác định rõ ràng và tìm ra vấn đề trong bằng chứng hoặc xác minh từng dòng.

Những nỗ lực như vậy đang được tiến hành. Sels và các cộng tác viên cho biết họ đang hoàn tất một lập luận mâu thuẫn với Imbrie. Trong khi đó, De Roeck và Huveneers, những nhà toán học đã phát hiện ra mối đe dọa của tuyết lở, đang nỗ lực viết lại chứng minh của Imbrie trong một dạng dễ tiếp cận hơn trong hai năm. De Roeck cho biết họ đã sắp xếp tất cả các phần chính vào đúng vị trí và tính logic cho đến nay có vẻ chắc chắn.

“MBL, tôi tin rằng nó tồn tại,” De Roeck nói. Nhưng “ở đây chúng ta đang làm toán nên bất kỳ vấn đề nhỏ nào cũng có thể làm hỏng toàn bộ sự việc.”

Ngoài thiên thần lượng tử

Trong vũ trụ mà chúng ta đang sống, nó sẽ tự nhiệt hóa trong một số năm không thể hiểu nổi, sự trường tồn luôn là một điều gì đó ảo tưởng. Manhattan đang chìm dưới sức nặng của chính nó 1.6 cm mỗi thập kỷ. Các lục địa sẽ hợp nhất trong khoảng 250 triệu năm nữa. Và trong khi đó câu chuyện thần thoại rằng đáy của các cửa sổ kính màu thời Trung cổ đã dày lên một chút qua nhiều thế kỷ, các nhà vật lý tin rằng kính chảy trong một khoảng thời gian không xác định nào đó, có thể là hàng tỷ năm hoặc hơn.

Nếu MBL tỏ ra không ổn định thì hệ thống cục bộ nhiều vật thể ít nhất sẽ bền như bất kỳ ví dụ nào trong số này. Những hiện tượng lượng tử phụ thuộc vào trạng thái MBL cũng vậy. Ví dụ, các tinh thể thời gian có thể mất đi ký hiệu trong sách giáo khoa là “các pha của vật chất”, nhưng chúng vẫn có thể tiếp tục tích tắc lâu hơn rất nhiều so với các máy tính lượng tử mô phỏng chúng (hoặc con người vận hành máy tính, chẳng hạn như). chuyện đó). Nhiều học giả thực sự quan tâm sâu sắc đến khả năng toán học để đánh bại quá trình nhiệt hóa như một câu hỏi hay, mang tính học thuật. Nhưng ngày nay, hầu hết mọi người không mất ngủ nhiều vì chuyện đó.

Chandran nói: “Có lẽ lúc nào cũng có những thiên thần nhảy múa trên đầu một chiếc ghim.

Thay vào đó, Chandran và những người khác đã vui mừng với cơ hội khám phá một hiện tượng gây ra nhiệt mới, một hiện tượng mà các nhà vật lý thực sự có thể quan sát thấy trong các hệ thống nhỏ.

Trở lại năm 2018, cô và cộng tác viên Philip Crowley đã bắt đầu tìm hiểu lý do tại sao các chuỗi nhỏ dường như nóng lên từ từ mặc dù chúng quá nhỏ để các vết phẳng xuất hiện. Bộ đôi xác định rằng các nhóm hạt đôi khi gặp may mắn và mượn năng lượng từ nhóm lân cận với lượng chính xác mà chúng cần để chuyển sang cấu hình mới. Họ gọi những sự trùng hợp này là “cộng hưởng” và quan sát cách chúng có xu hướng lan truyền từ nhóm này sang nhóm khác, dẫn đến sự tỏa nhiệt kéo dài trong các hệ thống quá nhỏ để có thể xảy ra tuyết lở. Vào năm 2020, họ đã chỉ ra rằng sự cộng hưởng có thể giải thích sự không khớp số mũ năm 2015 và nhiều đặc điểm tanh đã được thể hiện trong các thí nghiệm số, những hiểu biết sâu sắc đã giúp Huse và công ty cập nhật sơ đồ pha cho các chuỗi ngắn vào năm 2021.

Ngày nay, các nhà vật lý tin rằng sự cộng hưởng làm mất ổn định các chuỗi khiêm tốn có rối loạn cấp độ Rockies, trong khi các trận tuyết lở làm mất ổn định các chuỗi dài hơn ở mức độ rối loạn cao hơn.

Khi Chandran và những người khác cải thiện mô phỏng và thí nghiệm của họ cũng như khám phá những chuỗi dài hơn, chắc chắn hơn, họ tự hỏi điều gì khác có thể ẩn giấu ở dãy Himalaya và xa hơn nữa.

“Có vẻ như có vật lý khác đang diễn ra ở đó,” Huse nói. “Điều đó sẽ tốt nhất cho tôi. Tôi thích tìm kiếm những điều mới mẻ.”

Lưu ý của biên tập viên: Một số nhà nghiên cứu xuất hiện trong bài viết này đã nhận được tài trợ từ Quỹ Simons, tổ chức này cũng tài trợ cho tạp chí biên tập độc lập này. Các quyết định tài trợ của Quỹ Simons không ảnh hưởng đến phạm vi bảo hiểm của chúng tôi. Thêm chi tiết có sẵn tại đây.