Theo nghiên cứu công bố ngày 2/9 trên tạp chí Science Advances, các nhà khoa học lần đầu đo được sự thay đổi pha lượng tử của một vật thể khi rơi trong trường hấp dẫn của Trái Đất.
Hiện tượng này đã được Charles Galton Darwin, cháu trai của nhà tự nhiên học Charles Darwin, và Earle Kennard mô tả từ năm 1927. Tuy nhiên, gần một thế kỷ qua, giới khoa học chưa thể trực tiếp đo được nó.
Thí nghiệm mới dựa trên nguyên lý tương đương của Einstein, một trong những nền tảng của thuyết tương đối rộng. Theo nguyên lý này, tại một khu vực đủ nhỏ, không thể phân biệt tác động của trọng lực với tác động của gia tốc.
Einstein từng giải thích ý tưởng này bằng hình ảnh một người đứng trong thang máy kín. Người bên trong không thể biết mình đang đứng yên trên Trái Đất hay chiếc thang máy đang tăng tốc trong không gian. Einstein từng gọi phát hiện này là “ý tưởng hạnh phúc nhất” trong cuộc đời mình.
Nguyên lý tương đương đã được kiểm chứng với độ chính xác rất cao đối với các vật thể thông thường. Tuy nhiên, việc kiểm tra nó trong thế giới lượng tử khó khăn hơn nhiều.
Nhóm nghiên cứu do nhà vật lý Ron Folman tại Đại học Ben-Gurion ở Negev, Israel, dẫn đầu đã làm lạnh khoảng 20.000 nguyên tử rubidium tới nhiệt độ cực thấp. Các nguyên tử được đưa vào trạng thái chồng chập lượng tử. Có thể hiểu đơn giản rằng cùng một nguyên tử được đặt vào hai trạng thái chuyển động khác nhau cùng lúc.
Một phần được để rơi tự do dưới tác động của trọng lực. Phần còn lại được giữ gần như đứng yên bằng lực từ trường được điều chỉnh để triệt tiêu chính xác tác động của trọng lực.
Ở điểm cách xa nhất, hai trạng thái của cùng một nguyên tử cách nhau khoảng 7,5 micromet. Sau đó, các nhà khoa học đưa chúng trở lại và cho giao thoa với nhau.
Trong cơ học lượng tử, hạt cũng có tính chất giống sóng. Khi hai trạng thái được ghép lại, sự khác biệt cực nhỏ tích lũy trong quá trình chuyển động sẽ xuất hiện qua hình ảnh giao thoa.
Lực hấp dẫn và thế giới lượng tử có xung đột?
Các nhà khoa học tăng thời gian rơi tự do lên khoảng 2,4 mili giây. Trong 633 lần thực hiện thí nghiệm kéo dài tổng cộng 5,3 giờ, họ ghi nhận 13 dao động hoàn chỉnh.
Đáng chú ý, sự thay đổi pha tăng theo lũy thừa ba của thời gian rơi, đúng như lý thuyết được đưa ra từ năm 1927. Kết quả thực nghiệm phù hợp với mô hình lý thuyết với sai số khoảng 2,5%.
Nhà vật lý Vlatko Vedral tại Đại học Oxford, đồng tác giả nghiên cứu, cho biết sự thay đổi pha được dự đoán gần 100 năm trước cuối cùng đã được quan sát lần đầu tiên.
Kết quả đáng chú ý bởi hiện tượng này có thể được tính toán theo hai cách khác nhau.
Cách thứ nhất sử dụng cơ học lượng tử và xem trọng lực như một lực tác động lên sóng lượng tử. Cách thứ hai dựa trên nguyên lý tương đương của Einstein. Khi chuyển sang hệ quy chiếu đang rơi tự do, tác động của trọng lực biến mất.
Cả hai cách đều đưa ra cùng một kết quả.
Ông Vedral nói: “Ở mức độ chính xác này, không có xung đột giữa vật lý lượng tử và lực hấp dẫn. Nói cách khác, nguyên lý tương đương hoàn toàn phù hợp với cơ học lượng tử”.
Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu lưu ý kết quả chưa thể loại trừ mọi lý thuyết cho rằng nguyên lý tương đương có thể bị phá vỡ.
Nhóm nghiên cứu muốn tiếp tục thử nghiệm trong những điều kiện phức tạp hơn. Xa hơn, kỹ thuật này có thể được mở rộng từ nguyên tử sang những vật thể nặng hơn như kim cương nano.
Điều đó có thể giúp các nhà vật lý tiến gần hơn tới một trong những câu hỏi lớn của vật lý hiện đại: liệu trọng lực có tuân theo các quy luật lượng tử hay không.
Khánh Linh
Theo Live Science
