Kiểm tra bản chất lượng tử của lực hấp dẫn

Bất chấp hàng thập kỉ nỗ lực phấn đấu, một lí thuyết về lực hấp dẫn lượng tử vẫn nằm ngoài tầm với của chúng ta. Nay các nhà vật lí vừa đề xuất một thí nghiệm kiểm tra xem lực hấp dẫn có mang tính lượng tử hay không, từ đó xử lí những câu hỏi về bản chất đích thực của lực này.

Hiện nay, thuyết tương đối rộng, lí thuyết mô tả cái chúng ta cảm nhận là lực hấp dẫn, và cơ học lượng tử đều là cần thiết để giải thích cái diễn ra bên trong các lỗ đen và cái xảy ra lúc vụ nổ lớn. Nhưng hai lí thuyết tỏ ra không tương thích nhau, dẫn tới những nghịch lí rõ rệt và những thứ như điểm kì dị, nơi các lí thuyết sụp đổ hoàn toàn.

Nếu lực hấp dẫn là một lực cơ lượng tử, thì những vật rơi tự do liền kề nhau có thể bị nó làm cho vướng víu. Như vậy, việc đo tính chất của một vật sẽ lập tức ảnh hưởng đến vật kia. Để kiểm tra ý tưởng này, Sougato Bose tại trường Đại học College London và các đồng sự của ông đề xuất một thí nghiệm.

Thí nghiệm bắt đầu với một vật trung hòa khối lượng khoảng 10^-14 kg chứa vật liệu có một tính chất gọi là spin, nó có thể là up hoặc down. Vật này rơi qua một từ trường biến thiên liên tục làm ảnh hưởng đến đường đi của nó. Tựa như một vật nào đó đi gặp một ngã ba trên đường, nó chọn đi đường này nếu spin là up, và đi đường kia nếu spin là down. Khi vật đó rơi, nó ở trong sự chồng chất trạng thái, ở cả hai đường đi.

Tiếp theo, dùng một chuỗi xung vi sóng làm thay đổi spin của vật - và do đó thay đổi đường đi của nó - ở những giai đoạn đi xuống khác nhau. Ở dưới cùng, các đường đi hợp nhất và vật trở lại trạng thái ban đầu của nó.

Để kiểm tra bản chất lượng tử của lực hấp dẫn, ta thả rơi hai vật. Mỗi vật có hai đường đi khả dĩ, vì thế có bốn đường đi khả dĩ cho hai vật kết hợp. Một trạng thái biểu diễn đường đi trong đó hai vật ở gần nhau nhất. Hai vật phải ở cách nhau ít nhất 200 micro-mét để tránh những tương tác khác có thể lấn át lực hấp dẫn.

Một khi hai vật trở lại trạng thái ban đầu của chúng, một phép thử xem các thành phần spin của chúng có bị vướng víu hay không sẽ cho chúng ta biết lực hấp dẫn có thật sự là lực lượng tử hay không (arxiv.org/abs/1707.06050). Tất nhiên, thí nghiệm phải đảm bảo chẳng có cách nào khác để hai vật bị vướng víu – ví dụ như thông qua các tương tác điện từ.

Cho dù không tìm thấy sự vướng víu, thì điều đó cũng chẳng chứng minh lực hấp dẫn là cổ điển, trừ khi toàn bộ những tương tác khác có thể phá hủy sự vướng víu, ví dụ như các va chạm với photon hay phân tử tản lạc, bị loại trừ dứt khoát.

Antoine Tilloy tại Viện Quang học Lượng tử Max Planck ở Đức cảm thấy ấn tượng với thí nghiệm gây bàn cãi trên, nhưng ông cho biết một kết quả dương tính sẽ chỉ loại trừ một số họ lí thuyết về lực hấp dẫn cổ điển mà thôi.

Một kết quả vô hiệu sẽ là kết cục bất ngờ nhất vì nó có nghĩa là lực hấp dẫn thiếu cội nguồn lượng tử, theo lời Maaneli Derakhshani tại Đại học Utrecht ở Hà Lan. “Khi ấy điều này sẽ làm phát sinh những câu hỏi khó nhằn nhưng thú vị về làm thế nào và chính xác khi nào thì lực hấp dẫn ‘turn on’ trong quá trình chuyển tiếp lượng tử-cổ điển đối với vật chất bình thường,” ông nói.

Rào cản lớn nhất để làm thí nghiệm trên trong thế giới thực là việc đưa những vật lớn như vậy vào trạng thái chồng chất. Những vật lớn nhất từng được quan sát ở hai nơi cùng một lúc có khối lượng nhỏ hơn nhiều bậc độ lớn so với khối lượng cần thiết trong thí nghiệm. Nhưng người ta vẫn đang nỗ lực làm chồng chất những khối lượng ngày càng cao hơn.

Nguồn: New Scientist, số ngày 25/11/2017 (Anil Ananthaswany)

Bài trước | Bài kế tiếp