Chỉ hơn một tuần trước, các nhà vật lý châu Âu công bố họ đã đo được cường độ trọng lực ở quy mô nhỏ nhất từ ​​trước đến nay.

Trong một thí nghiệm thông minh trên bàn, các nhà nghiên cứu tại Đại học Leiden ở Hà Lan, Đại học Southampton ở Anh và Viện Quang tử và Công nghệ nano ở Ý đã đo một lực khoảng 30 attonewton lên một hạt có khối lượng chỉ dưới nửa miligam. Attonewton là một phần tỷ của một phần tỷ newton, đơn vị lực tiêu chuẩn.

Các nhà nghiên cứu nói công trình này có thể “mở khóa thêm nhiều bí mật về kết cấu của vũ trụ” và có thể là một bước quan trọng hướng tới cuộc cách mạng lớn tiếp theo trong vật lý học.

Nhưng tại sao vậy? Đó không chỉ là kết quả: đó là phương pháp, và những gì nó nói về con đường phía trước cho một nhánh các nhà phê bình khoa học cho rằng có thể bị mắc kẹt trong một vòng lặp của chi phí tăng và lợi nhuận giảm dần.

Nghiêm trọng

Theo quan điểm của một nhà vật lý, lực hấp dẫn là một lực cực kỳ yếu. Điều này có vẻ như là một điều kỳ lạ để nói. Bạn sẽ không cảm thấy yếu đuối khi cố gắng ra khỏi giường vào buổi sáng!

Tuy nhiên, so với các lực khác mà chúng ta biết – chẳng hạn như lực điện từ chịu trách nhiệm liên kết các nguyên tử lại với nhau và tạo ra ánh sáng, và lực hạt nhân mạnh liên kết lõi nguyên tử – lực hấp dẫn tạo ra lực hút tương đối yếu giữa các vật thể.

Và ở quy mô nhỏ hơn, tác động của trọng lực ngày càng yếu đi.

Thật dễ dàng để nhận thấy tác dụng của lực hấp dẫn đối với các vật thể có kích thước bằng một ngôi sao hoặc hành tinh, nhưng việc phát hiện tác dụng hấp dẫn đối với các vật thể nhỏ, nhẹ thì khó hơn nhiều.

Sự cần thiết phải kiểm tra trọng lực

Bất chấp khó khăn, các nhà vật lý thực sự muốn kiểm tra lực hấp dẫn ở quy mô nhỏ. Điều này là do nó có thể giúp giải quyết một bí ẩn hàng thế kỷ trong vật lý hiện nay.

Vật lý bị chi phối bởi hai lý thuyết cực kỳ thành công.

Đầu tiên là thuyết tương đối rộng, mô tả lực hấp dẫn và không thời gian ở quy mô lớn. Thứ hai là cơ học lượng tử, là một lý thuyết về hạt và trường—các khối xây dựng cơ bản của vật chất—ở quy mô nhỏ.

Hai lý thuyết này về mặt nào đó trái ngược nhau và các nhà vật lý không hiểu điều gì xảy ra trong những tình huống mà cả hai đều nên áp dụng. Một mục tiêu của vật lý hiện đại là kết hợp thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử thành một lý thuyết về “lực hấp dẫn lượng tử”.

Một ví dụ về tình huống cần đến lực hấp dẫn lượng tử là hiểu đầy đủ về lỗ đen. Những điều này được dự đoán bởi thuyết tương đối rộng – và chúng ta đã quan sát thấy những lỗ đen khổng lồ trong không gian – nhưng các lỗ đen nhỏ cũng có thể xuất hiện ở quy mô lượng tử.

Tuy nhiên, hiện tại, chúng ta không biết làm thế nào kết hợp thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử để giải thích lực hấp dẫn, và do đó, các lỗ đen, hoạt động như thế nào trong thế giới lượng tử.

Lý thuyết mới và dữ liệu mới

Một số cách tiếp cận lý thuyết hấp dẫn lượng tử tiềm năng đã được phát triển, bao gồm Lý thuyết dây, lực hấp dẫn lượng tử vòng lặpvà lý thuyết tập hợp nhân quả.

Tuy nhiên, những cách tiếp cận này hoàn toàn là lý thuyết. Hiện tại chúng tôi không có cách nào để kiểm tra chúng thông qua các thí nghiệm.

Để kiểm tra thực nghiệm những lý thuyết này, chúng ta cần một cách đo lực hấp dẫn ở quy mô rất nhỏ nơi hiệu ứng lượng tử chiếm ưu thế.

Cho đến gần đây, việc thực hiện những thử nghiệm như vậy vẫn nằm ngoài tầm với. Có vẻ như chúng ta sẽ cần những thiết bị rất lớn: thậm chí còn lớn hơn cả máy gia tốc hạt lớn nhất thế giới, Máy Va chạm Hadron Lớn, thiết bị gửi các hạt năng lượng cao phóng to quanh một vòng dài 27 km trước khi cho chúng va chạm với nhau.

Thí nghiệm trên bàn

Đây là lý do tại sao việc đo trọng lực ở quy mô nhỏ gần đây lại rất quan trọng.

Thí nghiệm được thực hiện chung giữa Hà Lan và Vương quốc Anh là một thí nghiệm “trên bàn”. Nó không đòi hỏi máy móc lớn.

Thí nghiệm hoạt động bằng cách thả nổi một hạt trong từ trường và sau đó cho một vật nặng đi qua nó để xem nó “lắc lư” phản ứng như thế nào.

Điều này tương tự như cách một hành tinh “lắc lư” khi nó lướt qua một hành tinh khác.

Bằng cách làm cho hạt bay lên bằng nam châm, nó có thể được tách biệt khỏi nhiều ảnh hưởng khiến việc phát hiện các ảnh hưởng hấp dẫn yếu trở nên khó khăn đến vậy.

Cái hay của những thí nghiệm trên bàn như thế này là chúng không tốn hàng tỷ đô la, điều này loại bỏ một trong những rào cản chính đối với việc tiến hành các thí nghiệm trọng lực quy mô nhỏ và có khả năng đạt được tiến bộ trong vật lý. (Đề xuất mới nhất về một thiết bị kế thừa lớn hơn cho Máy Va chạm Hadron Lớn sẽ trị giá $ 17 tỷ.)

Làm việc để làm

Các thí nghiệm trên máy tính bảng rất hứa hẹn nhưng vẫn còn nhiều việc phải làm.

Thí nghiệm gần đây đã tiến gần đến lĩnh vực lượng tử nhưng chưa đạt đến mức đó. Khối lượng và lực liên quan sẽ cần phải nhỏ hơn nữa để tìm ra lực hấp dẫn tác động như thế nào ở quy mô này.

Chúng ta cũng cần phải chuẩn bị cho khả năng không thể đẩy các thí nghiệm trên bàn đi xa đến mức này.

Có thể vẫn còn một số hạn chế về công nghệ ngăn cản chúng ta tiến hành các thí nghiệm về lực hấp dẫn ở quy mô lượng tử, đẩy chúng ta quay trở lại việc chế tạo những máy va chạm lớn hơn.

Trở lại Lý thuyết

Cũng cần lưu ý một số lý thuyết về lực hấp dẫn lượng tử có thể được kiểm tra bằng các thí nghiệm trên bàn là rất cấp tiến.

Một số lý thuyết, chẳng hạn như lực hấp dẫn lượng tử vòng, cho thấy không gian và thời gian có thể biến mất ở quy mô rất nhỏ hoặc năng lượng cao. Nếu điều đó đúng thì có thể không thực hiện được các thí nghiệm ở quy mô này.

Xét cho cùng, các thí nghiệm như chúng ta biết là những loại sự việc xảy ra ở một địa điểm cụ thể, trong một khoảng thời gian cụ thể. Nếu những lý thuyết như thế này là đúng, chúng ta có thể cần phải suy nghĩ lại về bản chất của thí nghiệm để có thể hiểu nó trong những tình huống không có không gian và thời gian.

Mặt khác, chính việc chúng ta có thể thực hiện những thí nghiệm đơn giản liên quan đến lực hấp dẫn ở quy mô nhỏ có thể gợi ý rằng xét cho cùng thì không gian và thời gian đều có tồn tại.

Điều nào sẽ chứng minh sự thật? Cách tốt nhất để tìm hiểu là tiếp tục thực hiện các thử nghiệm trên bàn và đẩy chúng đi xa nhất có thể.

Bài viết này được tái bản từ Conversation theo giấy phép Creative Commons. Đọc ban đầu bài viết.

Ảnh: Garik Barseghyan / Pixabay

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
• PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
• PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://singularityhub.com/2024/03/04/gravity-experiments-on-the-kitchen-table-why-a-tiny-tiny-measurement-may-be-a-big-leap-forward-for-physics/