Một nghiên cứu khoa học đột phá về những hạt siêu nhỏ có thể giúp chúng ta giải mã nhiều bí ẩn lớn của vũ trụ. Nếu bạn để ý, khắp nơi xung quanh chúng ta đều có dấu vết của trọng lực. Nó hiện hữu trong quỹ đạo của mặt trăng khi quay quanh trái đất mỗi đêm và trong cảm giác hụt hơi khi bạn vấp ngã trên một đoạn đường băng giá. Lực hấp dẫn không chỉ chi phối cuộc sống hàng ngày của chúng ta mà còn giúp phát hiện va chạm của các lỗ đen cách hàng tỷ năm ánh sáng. Tuy nhiên, khi nhìn vào thế giới vi mô, lực hấp dẫn gần như trở nên khó phát hiện.
Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã mơ ước tìm ra cách hòa hợp tác động của trọng lực trên cả quy mô cổ điển và lượng tử thông qua những khái niệm phức tạp như lý thuyết dây hay trọng lực vòng. Một lý thuyết thống nhất về trọng lực có thể giúp giải quyết nhiều câu hỏi lớn trong vũ trụ, như cách mà vụ nổ lớn (Big Bang) xảy ra hay những gì tạo nên vật chất tối. Mặc dù cả hai ý tưởng đều có giá trị lý thuyết, nhưng khả năng phát hiện các tác động nhỏ của trọng lực ở mức độ lượng tử lại là một vấn đề hoàn toàn khác.
Mới đây, một nhóm nghiên cứu từ Vương quốc Anh, Hà Lan và Italia đã công bố một nghiên cứu trong tạp chí Science Advances với một thí nghiệm nhạy cảm đến mức có thể đo được lực hấp dẫn bằng một phần tỷ nghìn của một Newton (tương đương 1 attoNewton) trên một hạt nặng chỉ 0,43 miligam. Để cho dễ hình dung, lực hấp dẫn của một Newton tương ứng với lực đè xuống của trọng lực lên một quả táo đang nằm trên bàn.
Tjerk Oosterkamp, Tiến sĩ, là tác giả chính của nghiên cứu và là giáo sư vật lý lý thuyết tại Đại học Leiden ở Hà Lan. Ông cho biết, mặc dù lực hấp dẫn mà nhóm ông đo được là trên một hạt cực nhỏ - thực chất là hạt nhỏ nhất cho đến nay có lực như vậy được đo - nhưng ông nhấn mạnh rằng việc này vẫn còn "một triệu dặm" để chứng minh trọng lực lượng tử. "Điều chúng tôi đang nói là đây là một bước đi trên con đường hướng tới việc đo lường các tác động của trọng lực lượng tử," Oosterkamp giải thích.
Việc có thể đo lường những tác động này có thể là một bước quan trọng để hiểu rõ hơn về trọng lực lượng tử, từ đó mở ra những bí mật về nguồn gốc của vũ trụ. Bạn có thể tưởng tượng tác động của trọng lực giống như một sóng âm. Để phát hiện một âm thanh yên tĩnh, một thiết bị ghi âm cần phải nhạy hơn và phải lọc ra tiếng ồn nền. Cũng tương tự, một vật càng nhỏ thì lực hấp dẫn của nó càng "yên tĩnh".
Để "nghe" được lực hấp dẫn tác động lên hạt 0,43 miligam của họ, Oosterkamp và các đồng nghiệp đã cần phải thiết kế một thí nghiệm để lắng nghe thật sát sao trong khi lọc bỏ những rung động không phải trọng lực, như sự chuyển động ngẫu nhiên của các hạt tạo ra nhiệt năng. Thí nghiệm càng lạnh, các rung động lạ càng ít.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng một loạt công cụ để gia tăng độ nhạy, bao gồm: một tủ lạnh pha loãng (tương tự như loại dùng để làm lạnh máy tính lượng tử) nhằm giảm thiểu năng lượng nhiệt, một hệ thống lò xo-mass để hấp thụ rung động môi trường, và một "bẫy" siêu dẫn để nâng hạt nhỏ lên và cách ly nó khỏi các rung động còn sót lại. Một khối lượng nguồn nặng 2,4 kg được đặt gần đó để tạo ra một lực hấp dẫn cho hạt đang bay lơ lửng; hai vật thể có khối lượng là cần thiết trong một thí nghiệm như vậy để lực hấp dẫn của một nguồn tác động lên nguồn khác, giống như Trái Đất và mặt trăng.
Theo Oosterkamp, việc xây dựng thiết bị này hoạt động trong điều kiện lạnh cực độ - rất gần với không tuyệt đối, hay -273,15 độ C - là điều làm cho kết quả này trở nên đặc biệt. Đó cũng là lý do ông từng nghĩ rằng cuộc thí nghiệm có thể sẽ không bao giờ diễn ra. "Thật bất ngờ khi điều này thực sự hoạt động," Oosterkamp chia sẻ. "Tôi đã cho một đồng nghiệp nghỉ hưu xem những nỗ lực của tôi khi ông trở lại phòng thí nghiệm, và ông ấy thấy tất cả những khối lượng và lò xo được treo lơ lửng từ một tấm plate rất lạnh trong tủ lạnh pha loãng của chúng tôi, và hỏi 'Tại sao bạn nghĩ rằng bạn có thể làm lạnh cái cây Giáng sinh này?'"
Nhờ vào những biện pháp này để loại bỏ rung động dư thừa, nhóm nghiên cứu đã đo được một lực hấp dẫn 30 attoNewton trên hạt thử nghiệm đang lơ lửng. Yasunori Nomura, Tiến sĩ, là một giáo sư vật lý lý thuyết tại UC Berkeley, người chuyên nghiên cứu lý thuyết lượng tử và trọng lực lượng tử. Nomura cho rằng mặc dù thiết kế thí nghiệm này có thể đóng vai trò trong việc cô lập lực hấp dẫn của các hạt nhỏ hơn, nhưng nó vẫn có thể gặp hạn chế khi cố gắng đo lường trọng lực lượng tử. "Việc đo lường này là một bước tiến đến việc quan sát trực tiếp lực hấp dẫn trong một chế độ thực sự lượng tử," Nomura nói. Tuy nhiên, một điểm khó khăn, theo ông, là tác động của trọng lực lượng tử được cho là chỉ trở nên quan trọng ở quy mô cực nhỏ. "Đạt được những quy mô này bằng các kỹ thuật đo lường hiện tại, bao gồm cả việc nâng một khối lượng nhỏ trong các bẫy siêu dẫn, là điều không thể," ông nói.
Nomura cho biết cũng có những phương pháp khác để đo trọng lực lượng tử mà không cần phải đo trực tiếp các hạt nhỏ. Khi mà thiết bị đo trọng lực của Oosterkamp có thể chưa đo được tác động của trọng lực lượng tử ngay lập tức, ông hy vọng nó có thể sớm đóng vai trò trong việc phát hiện các hiệu ứng trọng lực lớn hơn. Đặc biệt, ông mong muốn sử dụng nó như một công cụ để tăng độ nhạy của các thí nghiệm tìm kiếm sóng hấp dẫn - những gợn sóng trong không-thời gian do các sự kiện trọng lực lớn như va chạm giữa các hố đen tạo ra. Các thí nghiệm như LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) ở Mỹ và VIRGO ở Italia đã đang phát hiện những gợn sóng này bằng cách đo những thay đổi rất nhỏ trong quỹ đạo của một chùm laser trên một quãng đường dài.
"Chúng tôi đang hy vọng xây dựng người kế nhiệm cho LIGO/VIRGO, được gọi là Telescop Einstein," Oosterkamp cho biết. Kính thiên văn này dự kiến sẽ được xây dựng ở châu Âu vào giữa những năm 2030 và sẽ là một thiết bị phát hiện sóng hấp dẫn thế hệ tiếp theo. "Họ [nhóm LIGO/VIRGO] có thể dạy chúng tôi về những rung động nhỏ hơn, và chúng tôi sẽ chia sẻ với họ những gì chúng tôi biết về việc làm lạnh mọi thứ."
Rana Adhikari, Tiến sĩ, là một giáo sư vật lý tại CalTech, người đã đóng góp cho LIGO. Ông đồng tình rằng việc học cách hạn chế rung động thông qua việc làm lạnh sẽ đóng một vai trò quan trọng trong các thiết bị phát hiện sóng hấp dẫn trong tương lai. "Phần thú vị nhất [của công việc này] là cách họ có thể đạt được nhiệt độ rất thấp và duy trì tiếng ồn gia tốc cực thấp," Adhikari nói. "Các thiết bị phát hiện sóng hấp dẫn trong tương lai hoạt động trong điều kiện lạnh sẽ cần phải xây dựng trên nền tảng công việc này. Việc có thể hoạt động ở nhiệt độ thấp như vậy sẽ loại bỏ gần như tất cả nguồn tiếng ồn nhiệt động lực mà chúng tôi đang vật lộn."
Và trong khi công việc của Oosterkamp vẫn chưa chỉ ra rõ ràng con đường hướng đến việc đo lường trọng lực lượng tử, Adhikari cho rằng nó có thể chỉ là một trong nhiều mảnh ghép mở khóa khám phá khoa học mang tính cách mạng này. "Công việc này là một ví dụ tuyệt vời về cách mà sự khéo léo trong thí nghiệm có thể dẫn đến việc thực hiện các phép đo của vũ trụ theo một cách mới," Adhikari cho biết. "Con đường dẫn đến trọng lực lượng tử sẽ được trang trí bằng những thí nghiệm có độ nhạy ngày càng gia tăng."
Nguồn tham khảo: https://www.popularmechanics.com/science/a61534329/is-gravity-real/
Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã mơ ước tìm ra cách hòa hợp tác động của trọng lực trên cả quy mô cổ điển và lượng tử thông qua những khái niệm phức tạp như lý thuyết dây hay trọng lực vòng. Một lý thuyết thống nhất về trọng lực có thể giúp giải quyết nhiều câu hỏi lớn trong vũ trụ, như cách mà vụ nổ lớn (Big Bang) xảy ra hay những gì tạo nên vật chất tối. Mặc dù cả hai ý tưởng đều có giá trị lý thuyết, nhưng khả năng phát hiện các tác động nhỏ của trọng lực ở mức độ lượng tử lại là một vấn đề hoàn toàn khác.
Mới đây, một nhóm nghiên cứu từ Vương quốc Anh, Hà Lan và Italia đã công bố một nghiên cứu trong tạp chí Science Advances với một thí nghiệm nhạy cảm đến mức có thể đo được lực hấp dẫn bằng một phần tỷ nghìn của một Newton (tương đương 1 attoNewton) trên một hạt nặng chỉ 0,43 miligam. Để cho dễ hình dung, lực hấp dẫn của một Newton tương ứng với lực đè xuống của trọng lực lên một quả táo đang nằm trên bàn.
Tjerk Oosterkamp, Tiến sĩ, là tác giả chính của nghiên cứu và là giáo sư vật lý lý thuyết tại Đại học Leiden ở Hà Lan. Ông cho biết, mặc dù lực hấp dẫn mà nhóm ông đo được là trên một hạt cực nhỏ - thực chất là hạt nhỏ nhất cho đến nay có lực như vậy được đo - nhưng ông nhấn mạnh rằng việc này vẫn còn "một triệu dặm" để chứng minh trọng lực lượng tử. "Điều chúng tôi đang nói là đây là một bước đi trên con đường hướng tới việc đo lường các tác động của trọng lực lượng tử," Oosterkamp giải thích.
Việc có thể đo lường những tác động này có thể là một bước quan trọng để hiểu rõ hơn về trọng lực lượng tử, từ đó mở ra những bí mật về nguồn gốc của vũ trụ. Bạn có thể tưởng tượng tác động của trọng lực giống như một sóng âm. Để phát hiện một âm thanh yên tĩnh, một thiết bị ghi âm cần phải nhạy hơn và phải lọc ra tiếng ồn nền. Cũng tương tự, một vật càng nhỏ thì lực hấp dẫn của nó càng "yên tĩnh".
Để "nghe" được lực hấp dẫn tác động lên hạt 0,43 miligam của họ, Oosterkamp và các đồng nghiệp đã cần phải thiết kế một thí nghiệm để lắng nghe thật sát sao trong khi lọc bỏ những rung động không phải trọng lực, như sự chuyển động ngẫu nhiên của các hạt tạo ra nhiệt năng. Thí nghiệm càng lạnh, các rung động lạ càng ít.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng một loạt công cụ để gia tăng độ nhạy, bao gồm: một tủ lạnh pha loãng (tương tự như loại dùng để làm lạnh máy tính lượng tử) nhằm giảm thiểu năng lượng nhiệt, một hệ thống lò xo-mass để hấp thụ rung động môi trường, và một "bẫy" siêu dẫn để nâng hạt nhỏ lên và cách ly nó khỏi các rung động còn sót lại. Một khối lượng nguồn nặng 2,4 kg được đặt gần đó để tạo ra một lực hấp dẫn cho hạt đang bay lơ lửng; hai vật thể có khối lượng là cần thiết trong một thí nghiệm như vậy để lực hấp dẫn của một nguồn tác động lên nguồn khác, giống như Trái Đất và mặt trăng.
Theo Oosterkamp, việc xây dựng thiết bị này hoạt động trong điều kiện lạnh cực độ - rất gần với không tuyệt đối, hay -273,15 độ C - là điều làm cho kết quả này trở nên đặc biệt. Đó cũng là lý do ông từng nghĩ rằng cuộc thí nghiệm có thể sẽ không bao giờ diễn ra. "Thật bất ngờ khi điều này thực sự hoạt động," Oosterkamp chia sẻ. "Tôi đã cho một đồng nghiệp nghỉ hưu xem những nỗ lực của tôi khi ông trở lại phòng thí nghiệm, và ông ấy thấy tất cả những khối lượng và lò xo được treo lơ lửng từ một tấm plate rất lạnh trong tủ lạnh pha loãng của chúng tôi, và hỏi 'Tại sao bạn nghĩ rằng bạn có thể làm lạnh cái cây Giáng sinh này?'"
Nhờ vào những biện pháp này để loại bỏ rung động dư thừa, nhóm nghiên cứu đã đo được một lực hấp dẫn 30 attoNewton trên hạt thử nghiệm đang lơ lửng. Yasunori Nomura, Tiến sĩ, là một giáo sư vật lý lý thuyết tại UC Berkeley, người chuyên nghiên cứu lý thuyết lượng tử và trọng lực lượng tử. Nomura cho rằng mặc dù thiết kế thí nghiệm này có thể đóng vai trò trong việc cô lập lực hấp dẫn của các hạt nhỏ hơn, nhưng nó vẫn có thể gặp hạn chế khi cố gắng đo lường trọng lực lượng tử. "Việc đo lường này là một bước tiến đến việc quan sát trực tiếp lực hấp dẫn trong một chế độ thực sự lượng tử," Nomura nói. Tuy nhiên, một điểm khó khăn, theo ông, là tác động của trọng lực lượng tử được cho là chỉ trở nên quan trọng ở quy mô cực nhỏ. "Đạt được những quy mô này bằng các kỹ thuật đo lường hiện tại, bao gồm cả việc nâng một khối lượng nhỏ trong các bẫy siêu dẫn, là điều không thể," ông nói.
Nomura cho biết cũng có những phương pháp khác để đo trọng lực lượng tử mà không cần phải đo trực tiếp các hạt nhỏ. Khi mà thiết bị đo trọng lực của Oosterkamp có thể chưa đo được tác động của trọng lực lượng tử ngay lập tức, ông hy vọng nó có thể sớm đóng vai trò trong việc phát hiện các hiệu ứng trọng lực lớn hơn. Đặc biệt, ông mong muốn sử dụng nó như một công cụ để tăng độ nhạy của các thí nghiệm tìm kiếm sóng hấp dẫn - những gợn sóng trong không-thời gian do các sự kiện trọng lực lớn như va chạm giữa các hố đen tạo ra. Các thí nghiệm như LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) ở Mỹ và VIRGO ở Italia đã đang phát hiện những gợn sóng này bằng cách đo những thay đổi rất nhỏ trong quỹ đạo của một chùm laser trên một quãng đường dài.
"Chúng tôi đang hy vọng xây dựng người kế nhiệm cho LIGO/VIRGO, được gọi là Telescop Einstein," Oosterkamp cho biết. Kính thiên văn này dự kiến sẽ được xây dựng ở châu Âu vào giữa những năm 2030 và sẽ là một thiết bị phát hiện sóng hấp dẫn thế hệ tiếp theo. "Họ [nhóm LIGO/VIRGO] có thể dạy chúng tôi về những rung động nhỏ hơn, và chúng tôi sẽ chia sẻ với họ những gì chúng tôi biết về việc làm lạnh mọi thứ."
Rana Adhikari, Tiến sĩ, là một giáo sư vật lý tại CalTech, người đã đóng góp cho LIGO. Ông đồng tình rằng việc học cách hạn chế rung động thông qua việc làm lạnh sẽ đóng một vai trò quan trọng trong các thiết bị phát hiện sóng hấp dẫn trong tương lai. "Phần thú vị nhất [của công việc này] là cách họ có thể đạt được nhiệt độ rất thấp và duy trì tiếng ồn gia tốc cực thấp," Adhikari nói. "Các thiết bị phát hiện sóng hấp dẫn trong tương lai hoạt động trong điều kiện lạnh sẽ cần phải xây dựng trên nền tảng công việc này. Việc có thể hoạt động ở nhiệt độ thấp như vậy sẽ loại bỏ gần như tất cả nguồn tiếng ồn nhiệt động lực mà chúng tôi đang vật lộn."
Và trong khi công việc của Oosterkamp vẫn chưa chỉ ra rõ ràng con đường hướng đến việc đo lường trọng lực lượng tử, Adhikari cho rằng nó có thể chỉ là một trong nhiều mảnh ghép mở khóa khám phá khoa học mang tính cách mạng này. "Công việc này là một ví dụ tuyệt vời về cách mà sự khéo léo trong thí nghiệm có thể dẫn đến việc thực hiện các phép đo của vũ trụ theo một cách mới," Adhikari cho biết. "Con đường dẫn đến trọng lực lượng tử sẽ được trang trí bằng những thí nghiệm có độ nhạy ngày càng gia tăng."
Nguồn tham khảo: https://www.popularmechanics.com/science/a61534329/is-gravity-real/
