Lý thuyết mới tuyên bố hợp nhất hấp dẫn của Einstein với cơ học lượng tử

Một lý thuyết căn bản hợp nhất một cách phù hợp hấp dẫn với cơ học lượng tử trong khi vẫn bảo vệ được khái niệm cổ điển về không thời gian của Einstein đã được loan báo trong hai bài báo được xuất bản một cách đồng thời của các nhà vật lý UCL (University College London).

Hình ảnh này mô tả một thí nghiệm trong đó các hạt nặng (được minh họa như mặt trăng), là nguyên nhân tạo ra mẫu hình giao thoa (hiệu ứng lượng tử), đồng thời làm uốn cong không thời gian. Các con lắc treo mô tả phép đo không thời gian. Thí nghiệm trên thực tế thường sử dụng Carbon-60, một trong những phân tử lớn nhất được biết đến. Phép tính của UCL chỉ ra, thí nghiệm cũng nên được thực hiện bằng cách sử dụng các nguyên tử có mật độ cao hơn như vàng. Hai hình ảnh còn lại thể hiện hai thí nghiệm do nhóm UCL đề xuất, cả hai đều ràng buộc mọi lý thuyết coi không thời gian được xử lý theo kiểu cổ điển. Một là cân một khối lượng, hai là thí nghiệm giao thoa. 

Vật lý hiện đại được hình thành dựa trên hai trụ cột: lý thuyết lượng tử chi phối những hạt nhỏ nhất trong vũ trụ và thuyết tương đối rộng của Einstein về hấp dẫn thông qua sự gắn kết của không thời gian. Nhưng hai lý thuyết này lại mâu thuẫn với nhau và trong hơn một thế kỷ, vẫn chưa tìm được một sự ‘hòa giải” giữa hai lý thuyết này.

Một giả định phổ biến là thuyết tương đối của Einstein cần phải được điều chỉnh, hoặc ‘lượng tử hóa’ để vừa khít với lý thuyết lượng tử. Cách tiếp cận này dẫn đến hai lý thuyết cho một lý thuyết hấp dẫn lượng tử, lý thuyết dây và hấp dẫn lượng tử vòng.

Nhưng một lý thuyết mới, do giáo sư Jonathan Oppenheim (Vật lý và thiên văn UCL) phát triển và được nêu trong một bài báo trên tạp chí Physical Review X, đã thách thức sự tương hợp và thực hiện một cách tiếp cận thay thế bằng đề xuất là không thời gian có thể là cổ điển – đó là không bị thuyết lượng tử chi phối.

Thay vì điều chỉnh không thời gian, lý thuyết này – được gọi là ‘lý thuyết hấp dẫn cổ điển hậu lượng tử’ – điều chỉnh lý thuyết lượng tử và dự đoán một sự phá vỡ về bản chất trong tính có thể dự đoán là chính không thời gian. Các kết quả ngẫu nhiên và vi phạm các dao động trong không thời gian lớn hơn so với dự kiến của thuyết lượng tử, chỉ ra trọng lượng biểu kiến của các vật thể không thể dự đoán được nếu được đo đạc không đủ chính xác.

Bài báo thứ hai, được xuất bản đồng thời trên Nature Communications do cựu nghiên cứu sinh của giáo sư Oppenheim thực hiện, nhìn vào một số hệ quả của lý thuyết và đề xuất một thực nghiệm để kiểm chứng nó: đo đạc một khối lượng rất chính xác để xem xét liệu trọng lượng của nó có dao động theo thời gian không.

Ví dụ, Văn phòng Cân đo Quốc tế ở Pháp thường sử dụng một cân tiêu chuẩn để cân định kỳ khối lượng một cân. Nếu sự dao động trong đo đạc một cân nhỏ hơn so với đòi hỏi của sự nhất quán toán học thì lý thuyết này bị bác bỏ.

Kết quả của thực nghiệm, hoặc sự xuất hiện của bằng chứng khác có thể dẫn đến xác nhận lượng tử và bản chất cổ điển của không thời gian, là chủ đề được đánh cược với tỉ lệ 5000 ăn một giữa giáo sư Oppenheim và giáo sư Carlo Rovelli cùng tiến sĩ Geoff Penington – dẫn đầu thuyết hấp dẫn lượng tử vòng và lý thuyết dây.

Trong năm năm qua, nhóm nghiên cứu UCL đã có những kiểm tra về lý thuyết và khám phá những hệ quả của nó.

Giáo sư Oppenheim nói, “Lý thuyết lượng tử và thuyết tương đối rộng của Einstein bất tương thích với nhau về mặt toán học, vì vậy rất quan trọng để hiểu cách mâu thuẫn đó được giải quyết. Không thời gian phải được lượng tử hóa hay chúng ta phải điều chỉnh lý thuyết lượng tử, hay có điều gì đó hoàn toàn khác? Giờ thì chúng ta đang có một lý thuyết cơ bản thích hợp, trong đó không thời gian không được lượng tử hóa, ai mà biết được”.

Đồng tác giả Zach Weller-Davies, nghiên cứu sinh ở UCL giúp phát triển đề xuất thực nghiệm và có những đóng góp quan trọng với chính lý thuyết này, nói, “Khám phá này thách thức hiểu biết của chúng ta về bản chất cơ bản của hấp dẫn nhưng cũng vạch ra những đại lộ để chứng minh bản chất lượng tử tiềm tàng của nó.

“Chúng tôi đã chứng tỏ nếu không thời gian không có bản chất lượng tử, sau đó phải có những dao động ngẫu nhiên trong sự bẻ cong của không thời gian với một dấu hiệu riêng có thể được xác minh về mặt thực nghiệm”.

Trong cả hấp dẫn lượng tử và hấp dẫn cổ điển, không thời gian phải được trải qua những dao động vi phạm và ngẫu nhiên xung quanh ta nhưng ở một quy mô mà chúng ta không thể dò ra được. Nhưng nếu không thời gian cổ điển, các dao động này phải lớn hơn một quy mô nhất định và quy mô này có thể được xác nhận bằng một thực nghiệm khác mà chúng ta có thể kiểm tra mất bao nhiêu thời gian để đặt một nguyên tử nặng vào một chồng chập được hình thành trong hai vị trí khác biệt”.

Đồng tác giả, tiến sĩ Carlo Sparaciari và tiến sĩ Barbara Šoda, người thực hiện phân tích và các tính toán số cho dự án, đã biểu lộ hy vọng là các thực nghiệm này có thể xác định liệu việc theo đuổi lý thuyết hấp dẫn lượng tử có phải là một cách tiếp cận đúng hay không.

Tiến sĩ Šoda (từng làm việc ở Vật lý và thiên văn UCL, giờ làm việc tại Viện nghiên cứu vật lý lý thuyết Perimeter Canada), nói, “Bởi vì hấp dẫn được chứng minh thông qua sự gắn kết của không gian và thời gian, chúng tôi có thể nghĩ về câu hỏi theo nghĩa liệu tỉ lệ tại các dòng thời gian có một bản chất lượng tử hay là bản chất cổ điển.

“Và kiểm tra điều đó hầu như đơn giản như một kiểm tra xem liệu khối lượng là hằng số hay sự xuất hiện của dao động theo cách riêng”. Tiến sĩ Sparaciari (UCL) nói, “Trong khi khái niệm thực nghiệm đơn giản, việc đo đạc khối lượng của một vật thể cần được thực hiện với độ siêu chính xác”.

“Nhưng những gì tôi thấy thú vị nhất là khởi đầu với những giả định chung nhất, chúng tôi đã có thể chứng minh mối liên hệ rõ ràng giữa hai đại lượng có thể đo đạc được – quy mô của những dao động không thời gian và trong bao lâu thì các vật thể như các nguyên tử hay quả táo có thể đặt vào chồng chập lượng tử của hai vị trí khác biệt. Chúng tôi có thể xác định hai đại lượng đó về mặt thực nghiệm”.

Weller-Davies cho biết thêm, “Một sự tác động qua lại tinh tế phải tồn tại nếu các hạt lượng tử như các nguyên tử có thể gắn kết với không thời gian cổ điển. Nó phải là một sự ‘đánh đổi’ cơ bản giữa bản chất sóng của các nguyên tử và độ lớn cần có của các dao động ngẫu nhiên trong không thời gian. Đề xuất kiểm tra xem liệu không thời gian có là cổ điển bằng cách tìm kiếm các dao động ngẫu nhiên trong khối lượng bổ sung cho đề xuất thực nghiệm khác nhằm xác minh bản chất lượng tử của không thời gian bằng việc tìm kiếm cái gọi là “rối lượng tử trung gian về mặt hấp dẫn”.

Giáo sư Sougato Bose (Vật lý và thiên văn UCL), tuy không tham gia vào việc thông báo kết quả nghiên cứu nhưng nằm trong số những người đề xuất đầu tiên về thực nghiệm rối lượng tử, nói, “Các thực nghiệm để kiểm tra bản chất của không thời gian sẽ cần một nỗ lực thực hiện ở quy mô lớn nhưng có tầm quan trọng cho hiểu biết về lực cơ bản của tự nhiên. Tôi tin các thực nghiệm này đều chạm đến điều đó – những điều đó đều khó dự đoán nhưng có lẽ chúng ta sẽ biết câu trả lời vào khoảng hai thập niên tới”.

Lý thuyết hậu lượng tử có những gợi ý ngoài hấp dẫn. “Định đề có thể đo lường” khét tiếng khó hiểu này của thuyết lượng tử không cần thiết kể từ khi các chồng chập lượng tử được địa phương hóa một cách cần thiết thông qua tương tác của chúng với không thời gian cổ điển.

Lý thuyết này được thúc đẩy bằng nỗ lực của giáo sư Oppenheim để giải quyết vấn đề thông tin lỗ đen. Theo lý thuyết lượng tử tiêu chuẩn, một vật thể thành một lỗ đen phải phát xạ trở lại theo một số con đường như thông tin không thể bị hủy nhưng điều này vi phạm thuyết tương đối rộng là bạn có thể không bao giờ biết về các vật thể khi vượt qua chân trời sự kiện của lỗ đen. Lý thuyết mới cho phép thông tin được hủy do sự phá vỡ cơ bản tính có thể dự đoán.

Thanh Hương tổng hợp

Nguồn: https://www.ucl.ac.uk/news/2023/dec/new-theory-seeks-unite-einsteins-gravity-quantum-mechanics

https://www.theguardian.com/science/2023/dec/04/wobbly-spacetime-may-resolve-contradictory-physics-theories

—————————————–

1. https://journals.aps.org/prx/accepted/d6078Ke1S941110a26ad9584bc2567e68f9f76c1e

2. https://www.nature.com/articles/s41467-023-43348-2

Tác giả