Hai phép đo khác nhau và cực kì chính xác về hằng số hấp dẫn G vừa thu được những giá trị khác nhau đáng kể. Hai thí nghiệm được thực hiện bởi các nhà vật lí ở Trung Quốc và kết quả thu được khiến bí ẩn về giá trị của G càng thêm sâu sắc. Mặc dù là một hằng số vật lí cơ bản, nhưng cho đến nay giới vật lí vẫn chưa có sự thống nhất về giá trị của G.
Theo định luật vạn vật hấp dẫn của Newton, lực hấp dẫn (F) hút hai vật thể khối lượng m1 và m2 cách nhau một khoảng d được cho bởi Gm1m2/d2. Phép đo đầu tiên về G được Henry Cavendish thực hiện vào năm 1798, ông sử dụng một cân xoắn do John Michell thiết kế để đo hằng số G với sai số 1%.
Cân xoắn gồm một vật nặng hình quả tạ treo bởi một sợi dây mảnh ngay tại khối tâm của nó. Hai vật nặng cỡ lớn khác được đặt rời tại hai đầu của quả tạ sao cho lực hút hấp dẫn của chúng có thể tác dụng một moment lực lên quả tạ, làm cho nó quay. Khi sợi dây xoắn, moment lực hấp dẫn bị triệt tiêu dần bởi moment lực xoắn trong sợi dây cho đến khi quả tạ đứng lại. Bằng cách phân tích chuyển động này, Cavendish tính ra G.
Hút nhau: Vì sao cho đến nay vẫn khó xác định giá trị G đến vậy? Ảnh: iStock/FrankRamspott
Các kết quả không khớp với nhau
Kể từ thời Cacendish, hơn 200 thí nghiệm đã được triển khai để đo G đến độ chính xác ngày càng cao. Giá trị được chấp nhận ngày nay là kết hợp của một vài phép đo độc lập và có sai số tương đối 47 phần triệu (ppm). Tuy nhiên, một số thí nghiệm riêng lẻ có sai số nhỏ hơn nhiều – cho đến nay, giá trị sai số nhỏ nhất là 13,7 ppm – và một số thí nghiệm rất chính xác này sai lệch nhau đến hơn 500 ppm.
Vấn đề này khiến các nhà vật lí phải nhức đầu lí giải vì sao không thể đạt tới sự đồng thuận thực nghiệm về giá trị của G. Hiện nay, bí ẩn trên lại được đào sâu thêm bởi Shan-Qing Yang, Cheng-Gang Shao, Jun Luo và các đồng sự tại Đại học Khoa học và Công nghệ Hoa Trung và tại các trường viện khác ở Trung Quốc và Nga. Họ triển khai hai kịch bản trên thí nghiệm cân xoắn trong cùng một phòng thí nghiệm, chỉ để đo những giá trị khác nhau đáng kể của G.
Một trong hai thí nghiệm sử dụng kĩ thuật thời gian-dao động (TOS, time-of-swing), trong đó cho con lắc đong đưa. Tần số dao động được xác định bởi vị trí của hai vật nặng rời và G được tính ra bằng cách so sánh tần số ứng với hai cấu hình khối lượng khác nhau. Thí nghiệm thứ hai sử dụng phương pháp hồi tiếp gia tốc góc (AAF, angular-acceleration feedback), trong đó cho hai vật nặng rời và con lắc quay trên hai bàn quay tách biệt. Cơ chế hồi tiếp theo dõi góc xoắn của con lắc, nó được giữ ở giá trị zero bằng cách thay đổi tốc độ góc của một trong hai bàn quay. Sau đó, G được tính ra từ tốc độ biến thiên cần thiết để góc xoắn bằng zero.
Đồng ý là các kết quả bất đồng
Các phép đo G bằng phương pháp TOS và AAF ở Hoa Trung đã phá kỉ lục sai số đo G, tương ứng là 11,64 ppm và 11,61 ppm. Trong khi phép đo TOS khớp với giá trị được chấp nhận của G trong phạm vi sai số, thì kết quả AAF lại không khớp. Thật vậy, giá trị AAF lớn hơn kết quả TOS khoảng 45 ppm. Ngoài ra, những kết quả mới này cũng chẳng khớp với những phép đo trước đây do chính đội Hoa Trung thực hiện.
Bất chấp sự cải tiến trong thời gian gần đây về độ chuẩn xác, nguyên nhân (hay nhiều nguyên nhân) cho sự bất đồng giữa các số đo G vẫn là một bí ẩn. Lời giải thích hợp lí nhất là các nhà nghiên cứu đã ước tính quá thấp hay đánh giá quá cao một hoặc nhiều nguyên nhân gây sai số thực nghiệm. Đội Hoa Trung đề xuất rằng thủ phạm có thể là do sợi dây co giãn. Sự co giãn này có thể ảnh hưởng đến thí nghiệm TOS, vì nó đồng nghĩa là hằng số đàn hồi của dây có thể khác nhau ở hai tần số dao động khác nhau.
Có lẽ ghẹo gan hơn nữa là khả năng một phương diện vật lí nào đó chưa biết đang chơi khăm chúng ta, nhưng cần có thêm nhiều phép đo nữa chúng ta mới có thể biết chắc được.
Các thí nghiệm được mô tả trên tạp chí Nature.
Nguồn: physicsworld.com
