Một trong những thách thức lớn nhất trong vật lí học – tìm kiếm bằng chứng cho sự hấp dẫn lượng tử - vừa được xử lí bằng một thí nghiệm đơn giản trên bàn, theo Jacob Bekenstein thuộc trường ĐH Hebrew Jerusalem. Bekenstein, vốn nổi tiếng với việc nghiên cứu tính chất nhiệt của lỗ đen, vừa nêu ra một đề xuất mới sử dụng các photon độc thân để khảo sát cái gọi là “bọt lượng tử”. Khái niệm bọt lượng tử được nêu ra vào năm 1955 bởi nhà vật lí người Mĩ John Wheeler và được tin là tồn tại ở những thang bậc chiều dài nhỏ đến mức các thăng giáng lượng tử ảnh hưởng đến không-thời gian.
Đề xuất của Bekenstein là nỗ lực mới nhất trong cuộc tìm kiếm cách thống nhất cơ học lượng tử với thuyết tương đối rộng Einstein – một bài toán đã khiến các nhà vật lí mất ăn mất ngủ kể từ khi họ bắt đầu tìm hiểu thế giới lượng tử và thế giới tương đối tính hồi đầu thế kỉ 20. Một trong những lí do chính khiến các nhà vật lí phải vật vã với việc phát triển một lí thuyết hấp dẫn lượng tử là sự hoàn toàn thiếu hụt bằng chứng thực nghiệm. Vấn đề là các tác động của sự hấp dẫn lượng tử chỉ có thể đo được trên những khoảng cách cực nhỏ.
Một số lí thuyết hấp dẫn lượng tử đề xuất rằng các thí nghiệm phải khảo sát những khoảng cách nhỏ hơn chiều dài Planck, tức 1,61 × 10–35 m. Để khảo sát cỡ chiều dài này, người ta cho các hạt va chạm nhau trong một máy gia tốc với năng lượng cao hơn 1016 TeV. Năng lượng này vượt quá tầm với của Máy Va chạm Hadron Lớn, cỗ máy có năng lượng va chạm cao nhất 14 TeV, hay có lẽ là nằm ngoài tầm với của bất kì cỗ máy va chạm nào trong tương lai. Đề xuất của Bekenstein, trái lại, khiêm tốn hơn nhiều; ông cho biết nó có thể thực hiện trong một phòng thí nghiệm vật lí cỡ nhỏ, chủ yếu sử dụng trang thiết bị hiện có.
Một thí nghiệm đơn giản có thể làm sáng tỏ vấn đề bọt lượng tử. (Ảnh: iStockphoto/Vladimir Vladimirov)
Các photon sẵn sàng nhập cuộc
Thí nghiệm sẽ chiếu các photon độc thân vào một miếng thủy tinh hoặc tinh thể treo lơ lửng bằng một sợi chỉ nhỏ xíu. Khi hạt photon đi từ chân không vào trong vật liệu, nó giảm tốc độ vì vật liệu có chiết suất cao hơn chân không. Kết quả là một lượng nhỏ xung lượng đã truyền sang vật liệu, làm cho nó dịch chuyển một đoạn cực nhỏ. Trong trường hợp một photon xanh lam với bước sóng 445 nm, Bekenstein cho biết nó sẽ làm cho một miếng thủy tinh pha chì 150 mg lệch đi chừng 2 × 10–35 m, nghĩa là vào cỡ chiều dài Planck.
Điểm mấu chốt là nếu ta phát hiện ra một photon ở phía bên kia của vật liệu thì nghĩa là khối vật liệu bị lệch một khoảng lớn hơn chiều dài Planck. Nếu năng lượng của photon giảm đi (hay khối lượng thủy tinh tăng lên) cho đến khi độ lệch bằng hoặc nhỏ hơn chiều dài Planck, thì sự hấp dẫn lượng tử sẽ ảnh hưởng đến cách thủy tinh phản ứng với từng photon.
Đặc biệt, Bekenstein tin rằng sự có mặt của bọt lượng tử sẽ ngăn thủy tinh giật lùi theo kiểu giống hệt nhau khi bị đập trúng bởi dòng liên tiếp gồm những photon giống hệt nhau. Giống hệt như các thăng giáng điện từ có thể có những hiệu ứng đo được trên những vật thể lớn hơn nhiều – một ví dụ là lực Casimir – các thăng giáng không-thời gian cũng sẽ ảnh hưởng đến cách một vật di chuyển những đoạn cực nhỏ. Trong trường hợp thí nghiệm đề xuất của Bekenstein, các photon sẽ không thể truyền qua thủy tinh, nó sẽ được quan sát dưới dạng sự giảm số lượng photon phát hiện ở phía bên kia.
Bekenstein thừa nhận rằng thí nghiệm trên không đơn giản, nhưng nó không nằm ngoài cái các nhà vật lí thực nghiệm có thể làm được ngày nay. Thật vậy, việc tạo ra và phát hiện các photon độc thân là một phần trọng yếu của các thí nghiệm quang lượng tử đã được thực hiện ở nhiều phòng thí nghiệm trên khắp thế giới. Việc giảm thiểu các tác động của nhiệt nhiễu cũng sẽ là một thách thức. Theo Bekenstein tính được thì thiết bị phải được làm lạnh xuống khoảng 1 K và hoạt động trong chân không cực cao khoảng 10-10 Pa, tức là hoàn toàn có thể thu được với công nghệ hiện có.
Những phương án thí nghiệm để bàn khác
Bekenstein không phải là nhà vật lí duy nhất từng đề xuất một thí nghiệm để bàn khảo sát sự hấp dẫn lượng tử. Hồi đầu năm nay, chẳng hạn, Igor Pikovski và các đồng sự tại trường ĐH Vienna và Imperial College London đã mô tả một cách thực hiện các phép đo quang học trên một dao động tử cơ với khối lượng gần bằng khối lượng Planck (khoảng 22 μm). Theo Pikovski thì phương án của Bekenstein có vẻ khả thi. “Một ưu điểm lớn là các nhà vật lí có thể điều khiển các photon độc thân rất tốt và phát hiện ra chúng cực kì hiệu quả,” ông nói.
Pikovski còn cho biết kĩ thuật trên có thể hết sức hữu ích ngay cả nếu những khó khăn thực nghiệm không cho phép nó khảo sát những khoảng cách nhỏ tới 10-35 m. Đây là bởi vì một số lí thuyết hấp dẫn lượng tử dự đoán rằng bọt lượng tử hay một hiệu ứng nào đó khác của sự hấp dẫn lượng tử có thể xuất hiện ở thang bậc chiều dài lớn đến cỡ 10-25 m.
Không biết các thí nghiệm để bàn mà Bekenstein, Pikovski và những người khác đề xuất có thành công hay không, nhưng Pikovski tin rằng các phép đo trong phòng thí nghiệm sẽ cung cấp những thông tin quan trọng về sự hấp dẫn lượng tử trong chừng một thập niên tới hay trong một tương lai không xa mấy.
123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: physicsworld.com
