Hấp dẫn có thể tạo ra được hiệu ứng lượng tử?

Một nghiên cứu lý thuyết đề xuất hấp dẫn có thể có các hiệu ứng lượng tử mà không cần phải là một lý thuyết lượng tử. Nhiều nhà nghiên cứu không đồng ý về điều này.

Bản chất của hấp dẫn – và liệu nó có thể hòa hợp với cơ học lượng tử không – là một trong những bí ẩn lớn bậc nhất của vật lý. Phần lớn các nhà nghiên cứu cho là tại một mức cơ bản, mọi hiện tượng đều tuân theo các nguyên tắc của vật lý lượng tử nhưng những nguyên tắc đó dường như không tương thích với lý thuyết hấp dẫn đã được công nhận từ lâu.

Trong nhiều năm, các nhà nghiên cứu đã đề xuất nhiều thực nghiệm để chứng tỏ là hấp dẫn có thể tạo ra hiện tượng rối lượng tử hay không. Giờ thì hai nhà lý thuyết đã kết hợp bức tranh này bằng việc đề ra một đề xuất gây tranh cãi và dường như phản trực giác: hấp dẫn có thể có các hiệu ứng lượng tử mà không cần là một lý thuyết lượng tử.

Hiện tượng rối xảy ra khi hai đối tượng cùng chia sẻ một trạng thái lượng tử chung, nghĩa là việc đo đạc một đặc tính của một đối tượng sẽ dự đoán được kết quả đo đạc thu được trên đối tượng còn lại. Nghiên cứu trước đây đã cho thấy nêu hai đối tượng lượng tử có thể rối thông qua lực hấp dẫn chung, sau đó chính hấp dẫn đó – và do đó tự bản thân hấp dẫn – có thể là bản chất lượng tử.

Nhưng trong bài báo được xuất bản trên Nature, Richard Howl và Joseph Aziz tại Royal Holloway, University of London, lập luận là chỉ có một miêu tả vẫn còn là quá đơn giản. Thậm chí, họ lập luận, hấp dẫn có thể có các hiệu ứng lượng tử mà không cần phải là lý thuyết lượng tử.

Các trường vật chất

Trong nghiên cứu của họ, Howl và Aziz đã tính toán những tương tác của hai khối lượng dựa trên một phiên bản đơn giản hóa của hấp dẫn tổng quát, lý thuyết của Albert Einstein được công nhận vào năm 1915. Hai nhà nghiên cứu đã tìm hiểu không chỉ trong bối cảnh của cơ học lượng tử nổi tiếng mà còn trong lý thuyết trường lượng tử – một công thức tiên tiến hơn của vật lý lượng tử mà trong đó tất cả, bao gồm cả vật chất, đều là một lan truyền sóng trong một trường lượng tử. Do đó, giống như các photon là sóng trong một điện từ trường, các electron cũng thành các sóng trong một ‘điện trường’.

Các nghiên cứu từ lâu đã chứng tỏ trường hấp dẫn của lý thuyết Einstein không thể tạo ra rối. Tuy nhiên Aziz và Howl nói rằng khi hai khối lượng tương tác, chúng không chỉ tương tác thông qua trường hấp dẫn mà còn thông qua mọi ‘trường vật chất’ – như trường electron – cũng như những thứ có thể có năng lực tạo ra rối. “Khi nghĩ rộng hơn về những gì tương các hấp dẫn bao hàm, thì sau đó những tương tác cổ điển có thể tạo ra rối,” Howl nói.

Jonathan Oppenheim, một nhà lý thuyết tại University College London, không thấy thuyết phục hoàn toàn về đề xuất này. Dẫu các tác giả đã chứng tỏ hấp dẫn đóng vai trò một phần trong cách ‘các trường vật chất’ hành xử, song tương tác lượng tử vẫn đóng vai trò trung gian cho rối lượng tử chứ không phải hấp dẫn, ông nói. “Tuy nhiên, tôi nghĩ là bài báo này đã chứng tỏ một hiện tượng thú vị sẽ làm khuấy lên các cuộc thảo luận I.”

Các nhà vật lý khác, đề nghị ẩn danh, cũng thiếu tin tưởng vào sự diễn dịch hấp dẫn là nguyên nhân dẫn đến hiện tượng rối lượng tử. Nếu đó là trường vật chất chứ không phải trường hấp dẫn gây ra hiện tượng rối, thì việc gọi một hiện tượng hấp dẫn chỉ là ‘thuần túy về ngữ nghĩa”, họ nói.

Các kết quả của lý thuyết mà Howl và Aziz đề xuất sẽ không thể đem lại sự khác biệt nào cho các nhà nghiên cứu thực nghiệm trong ngắn hạn, các nhà nghiên cứu lập luận. Các tác giả tính toán là cường độ của hiệu ứng rối giữa hai khối lượng tạo ra từ hấp dẫn cổ điển của Einstein có thể yếu hơn nhiều so với rối có thể xuất hiện nếu hấp dẫn là một hiện tượng lượng tử. Việc dò được rối lượng tử trong một số thực nghiệm được đề xuất, do đó, có thể vẫn tạo thành bằng chứng chứng tỏ hấp dẫn là lượng tử, theo Markus Aspelmeyer, một nhà vật lý thực nghiệm tại ĐH Vienna, người đang hướng tới mục tiêu có thể chứng minh lý thuyết của Einstein cần được thay thế bằng một lý thuyết mới.

Bài báo này là lời nhắc nhở về sự tinh tế của vấn đề hấp dẫn, Aspelmeyer bổ sung, và các nhà nghiên cứu phải cẩn trọng về “các giả định ngầm” có thể ảnh hưởng đến sự diễn dịch dữ liệu thực nghiệm. Để thực sự chứng minh được hấp dẫn lượng tử, “anh có thể chứng tỏ bằng một thực nghiệm” với kết quả “không thể miêu tả được bằng lý thuyết hấp dẫn cổ điển của chúng ta”, ông nói. “Đây là những gì mà mọi người nên làm.”

Thanh Đức dịch từ Nature

Nguồn: doi: https://doi.org/10.1038/d41586-025-03381-1