Thí nghiệm đột phá: Khi cơ học lượng tử gặp thuyết tương đối

Các nhà vật lý vừa đạt được bước tiến mà họ theo đuổi suốt gần một thế kỷ: kiểm chứng điều gì xảy ra khi một hạt lượng tử rơi tự do. Kết quả này có thể quyết định liệu cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng của Einstein có thực sự mâu thuẫn với nhau hay không.

Bài toán tồn tại gần 100 năm

Từ gần một thế kỷ trước, các nhà vật lý đã đưa ra dự đoán lý thuyết về cách một sóng lượng tử hành xử khi rơi tự do. Nếu lời giải đó sai, cơ học lượng tử và lý thuyết hấp dẫn của Einstein sẽ phủ nhận nhau hoàn toàn.

Vấn đề nằm ở chỗ: chưa ai chế tạo được một giao thoa kế đủ tinh vi để thực hiện phép đo cần thiết. Cho đến nay.

Giao thoa kế mới làm được điều chưa từng có

Nhóm nghiên cứu do Ron Folman, nhà vật lý tại Đại học Ben-Gurion thuộc Negev (Israel), dẫn đầu, phối hợp với các cộng sự ở Đức, Anh và Mỹ — trong đó có cả Roger Penrose, người từng đoạt giải Nobel Vật lý — đã làm được điều tưởng như bất khả thi.

Họ chế tạo một giao thoa kế có khả năng đưa một nguyên tử duy nhất vào hai quỹ đạo cùng lúc:

• Một quỹ đạo để nguyên tử rơi tự do
• Một quỹ đạo giữ nguyên tử đứng yên tuyệt đối

Điểm mấu chốt: cả hai quỹ đạo đều kết thúc tại cùng một vị trí, vào cùng một thời điểm. Nhờ đó, nhóm nghiên cứu có thể đo được tác động của sự rơi tự do lên một tính chất sóng của nguyên tử.

Vì sao mọi vật đều là sóng

Kể từ thời Galileo, các nhà vật lý đã biết cách mô tả một vật đang rơi: nó ở đâu, chuyển động nhanh thế nào, hoặc gia tốc ra sao. Nhưng cơ học lượng tử lại khẳng định rằng mọi vật thể đều đồng thời là một sóng.

"Mọi hạt, bất kể là ô tô, tàu vũ trụ hay nguyên tử, đều là một sóng. Mọi thứ là sóng — như sóng biển hay sóng âm — đều dao động lên xuống. Và việc bạn đang ở đỉnh sóng hay đáy sóng được đo bằng một đại lượng gọi là pha." — Ron Folman giải thích.

Pha chỉ đơn giản cho biết bạn đang ở đỉnh sóng hay đáy sóng. Chính đại lượng này là thứ mà thí nghiệm mới có thể đo lường trong điều kiện rơi tự do — một phép đo mà trước đây chưa từng khả thi.

Ý nghĩa đối với tương lai

Nếu kết quả thực nghiệm khớp với dự đoán lý thuyết, chúng ta có thêm bằng chứng quan trọng cho thấy lượng tử và tương đối có thể dung hòa. Ngược lại, nếu sai lệch xuất hiện, đó có thể là dấu hiệu đầu tiên cho thấy cần một lý thuyết vật lý hoàn toàn mới.

Đây không chỉ là câu chuyện học thuật. Việc hiểu rõ tương tác giữa trọng lực và lượng tử có thể mở đường cho các công nghệ trong tương lai như cảm biến trọng lực siêu nhạy, định vị lượng tử hay thậm chí là máy tính lượng tử kết hợp hấp dẫn.

Với giới nghiên cứu vật lý tại Việt Nam, thành tựu này cũng là lời nhắc nhở rằng những câu hỏi nền tảng nhất của tự nhiên vẫn đang chờ được giải đáp — và đôi khi phải mất gần một thế kỷ để có công cụ đủ tốt nhằm trả lời chúng.