Lực hấp dẫn không bị ảnh hưởng bởi các điều kiện lượng tử

Để kết nối vật lí cổ điển và vật lí lượng tử, các nhà vật lí đã sử dụng hai nguyên tử rubidium để xem các hiệu ứng lực hấp dẫn có bị ảnh hưởng bởi spin lượng tử của nguyên tử hay không. Rốt cuộc, thí nghiệm vô hiệu.

Vật lí cổ điển và vật lí lượng tử

Niềm hi vọng của chúng ta nhằm phát triển một bộ định luật phổ quát liên hệ đến vật lí cơ bản chi phối vũ trụ của chúng ta – tiến tới một “lí thuyết của tất cả” – trông ngày càng lu mờ dần. Các nhà vật lí vừa tìm thấy thêm bằng chứng thuyết phục hàm ý rằng lực hấp dẫn, lực xác định các vật khối lượng lớn tác động như thế nào đối với cấu trúc của không-thời gian, không tuân theo các định luật của vật lí lượng tử, ngành vật lí chi phối thế giới của những cái rất nhỏ.

Thách thức lớn nhất trong vật lí hiện đại là tìm kiếm một dạng thống nhất nào đó giữa vật lí cổ điển và vật lí lượng tử. Nhằm kết nối hai thái cực này, một đội khoa học người Trung Quốc thuộc trường Đại học Khoa học và Công nghệ Hoa Trung ở Vũ Hán vừa tái tạo một trong các thí nghiệm của Galileo. Đặc biệt, họ đang làm việc với nguyên lí tương đương, nguyên lí khẳng định rằng các vật có khối lượng chính xác bằng nhau sẽ đi theo quỹ đạo y hệt nhau nếu chúng rơi trong chân không.

Thí nghiệm Tháp nghiêng Pisa năm 1589 của Galileo nhằm chứng minh nguyên lí tương đương (nó cũng có thể được phát biểu như sau: “Lực hấp dẫn làm tăng tốc mọi vật giống nhau bất chấp khối lượng của chúng hay cho dù chúng được làm từ vật liệu gì,” theo NASA).

Bằng cách sử dụng hai nguyên tử rubidium với spin lượng tử đối nhau, các nhà khoa học hi vọng tìm thấy bằng chứng rằng, ở kích cỡ phân tử, các định luật vật lí lượng tử sẽ ảnh hưởng như thế nào đó với lực hấp dẫn và do đó tạo ra một kết nối giữa vật lí lượng tử và vật lí cổ điển.

Điều này có nghĩa là nguyên lí tương đương sẽ không hoàn toàn áp dụng được cho tình huống trên và họ sẽ có thể nhìn thấy một khác biệt nào đó về tốc độ mà các nguyên tử rơi, do spin lượng tử của chúng.

Hình minh họa các orbital nguyên tử

Lực hấp dẫn ‘bơ’ spin lượng tử

Ý tưởng này đã được làm thử nhiều lần trước đây, nhưng đây là lần đầu tiên chúng được thử trên các nguyên tử thay vì các vật thể kích cỡ đầy đủ.

Hai nguyên tử rubidium được làm lạnh đến nhiệt độ một vài phần triệu của một độ trên không độ tuyệt đối để làm cho chúng cân bằng hơn (nhiệt độ càng cao các nguyên tử càng chuyển động), và được đặt trong một ống chân không.

Sử dụng các chùm laser, họ đẩy các nguyên tử lên theo phương thẳng đứng và đo tốc độ mà chúng rơi xuống, sử dụng một kĩ thuật gọi là “giao thoa kế nguyên tử”.

Thí nghiệm cho thấy lực hấp dẫn không đả động gì đến spin lượng tử trái nhau của các nguyên tử và tác động lên chúng giống nhau và giống như với mọi vật khác: Nguyên lí tương đương vẫn thắng thế. Các nguyên tử rơi ở tốc độ y hệt nhau, nghĩa là cho dù ở cấp độ lượng tử, các định luật vật lí cổ điển cho lực hấp dẫn vẫn áp dụng được.

Đây là vấn đề ở chỗ vẫn chẳng có cách nào kết nối hai phương diện của vật lí làm một, khiến cho nỗ lực đi tới một lí thuyết thống nhất dường như là hão huyền.

Tuy nhiên, đây là niềm hi vọng. Có khả năng có một hiệu ứng nào đó nhưng các dụng cụ đo hiện nay của chúng ta chưa thể phát hiện chúng. Các phát triển công nghệ và nghiên cứu trong tương lai có lẽ sẽ mang lại một câu trả lời thỏa đáng.

Nguồn: ScienceAlert, Futurism