Einstein đã đúng

Vật lý hiện đại vẫn được chia thành 2 thế giới lớn. Với những hiện tượng ở quy mô vĩ mô, chẳng hạn chuyển động của vật thể hay quá trình truyền nhiệt, các nhà khoa học sử dụng vật lý cổ điển. Nhưng khi đi xuống thế giới vi mô, nơi các nguyên tử hình thành liên kết hóa học hoặc hấp thụ, phát ra những bước sóng ánh sáng cụ thể, cơ học lượng tử trở thành công cụ không thể thiếu.

Cả 2 hệ thống lý thuyết đều hoạt động hiệu quả trong phạm vi của mình. Tuy nhiên, giới khoa học từ lâu vẫn tìm kiếm một lý thuyết có thể mô tả toàn bộ tự nhiên, qua đó giải thích cách thế giới lượng tử và thế giới vĩ mô liên kết với nhau.

Một trong những câu hỏi quan trọng là liệu nguyên lý tương đương về trọng lực do Einstein đề xuất có còn đúng khi áp dụng cho các vật thể lượng tử hay không.

Đưa nguyên lý của Einstein vào thế giới lượng tử

Theo nguyên lý tương đương của Einstein, đối với một người quan sát đang rơi tự do, tác động của trọng lực tại vị trí đó về mặt cục bộ có thể biến mất. Đây chính là lý do người ở trong một thang máy rơi tự do hoặc một máy bay đang thực hiện trạng thái rơi tự do có thể trải nghiệm cảm giác không trọng lượng.

Các nhà nghiên cứu muốn kiểm tra xem nguyên lý này có đúng với những vật thể lượng tử hay không.

Thách thức nằm ở chỗ các vật thể lượng tử có thể thể hiện tính chất giống sóng và tồn tại trên nhiều đường đi cùng lúc. Vì vậy, nhóm nghiên cứu sử dụng một thiết bị đặc biệt có tên Quantum Galileo Interferometer, cho phép tách sóng lượng tử gắn với một nguyên tử thành 2 đường đi khác nhau.

Thiết bị này còn có thể giữ một phần của sóng ở trạng thái tương đối đứng yên, trong khi để phần còn lại rơi tự do dưới tác động của trọng lực. Sau đó, 2 phần sóng được kết hợp trở lại để các nhà khoa học kiểm tra xem trọng lực có tạo ra sự khác biệt giữa chúng hay không.

Thí nghiệm được thực hiện tại Đại học Ben Gurion Negev với những đám mây nguyên tử rubidium được làm lạnh đến nhiệt độ cực thấp và đặt trên một chip nguyên tử được thiết kế đặc biệt.

Giáo sư Roger Penrose của Đại học Oxford trước đây từng lập luận rằng cơ học lượng tử có thể không còn đúng với những vật thể có khối lượng lớn nếu chúng được duy trì trong trạng thái chồng chập lượng tử trong thời gian đủ dài. Ông cũng tham gia vào công trình nghiên cứu này.

Đưa vật thể lượng tử vào trạng thái “rơi tự do”

Đầu tiên, nhóm nghiên cứu sử dụng các xung vi sóng để đưa các nguyên tử rubidium siêu lạnh vào trạng thái chồng chập lượng tử. Khi đó, một nguyên tử có thể được mô tả như đang tồn tại đồng thời trên 2 đường đi khác nhau.

Tiếp đó, các nhà nghiên cứu sử dụng những dây dẫn điện cực nhỏ trên con chip để tạo ra các từ trường rất nhỏ. Những từ trường này tạo ra một lực hướng lên, có thể cân bằng một phần lực hấp dẫn.

Nhờ vậy, một phần của sóng nguyên tử được giữ gần như đứng yên so với phòng thí nghiệm và Trái Đất. Phần còn lại được đẩy lên bằng một xung từ trường rồi chuyển sang trạng thái không còn chịu tác động của từ trường, qua đó mô phỏng trạng thái rơi tự do dưới trọng lực.

Sau đó, một xung từ trường khác được sử dụng để đưa 2 phần sóng trở lại với nhau. Khi giao thoa, chúng tạo ra một tín hiệu cho phép các nhà khoa học đo sự khác biệt cực nhỏ về pha lượng tử giữa 2 phần.

Kết quả cho thấy độ lệch pha đo được phù hợp với dự đoán của Einstein.

Các thí nghiệm trước đây từng sử dụng những vật thể lượng tử để nghiên cứu trọng lực. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu cho biết đây là lần đầu tiên phép đo trực tiếp ghi nhận pha lượng tử được dự đoán đối với một vật thể đang rơi tự do.

Einstein vẫn đúng trong thế giới lượng tử

Dù kết quả mang ý nghĩa quan trọng, các nhà khoa học nhấn mạnh rằng thí nghiệm chưa thể hợp nhất vật lý lượng tử với vật lý cổ điển, cũng không tạo ra một lý thuyết lượng tử về trọng lực.

Điều mà thí nghiệm chứng minh là nguyên lý tương đương của Einstein vẫn đúng ngay cả khi được kiểm tra trên các vật thể lượng tử.

“Chúng ta chưa có một lý thuyết nhất quán nào cho biết tại sao vật lý lượng tử phải thất bại”, Vlatko Vedral, giáo sư vật lý tại Đại học Oxford, cho biết.

Theo ông, thí nghiệm đã đưa cơ học lượng tử tiến sâu hơn vào một trong những vùng biên hấp dẫn nhất của vật lý là trọng lực, đồng thời một lần nữa cho thấy các dự đoán của lý thuyết này vẫn phù hợp với kết quả thực nghiệm.

Kết quả cũng không bác bỏ lập luận của Penrose về khả năng cơ học lượng tử có thể gặp vấn đề khi áp dụng cho những vật thể có kích thước và khối lượng lớn hơn.

Thay vào đó, thí nghiệm được xem như một bước đệm để các nhà khoa học tiếp tục thiết kế những thử nghiệm với các vật thể lượng tử có khối lượng lớn hơn. Đây có thể là một hướng nghiên cứu quan trọng trong nỗ lực tìm hiểu điểm giao nhau giữa cơ học lượng tử và trọng lực, 2 nền tảng lớn của vật lý hiện đại nhưng đến nay vẫn chưa được mô tả hoàn toàn trong một lý thuyết thống nhất.

Theo IE