Lần đầu đo trực tiếp “pha” hấp dẫn của một vật thể lượng tử đang rơi

Một nhóm có sự tham gia của các nhà nghiên cứu từ Đại học Ben-Gurion vùng Negev, Đại học Ulm và Đại học Oxford đã đo trực tiếp một pha lượng tử do hấp dẫn dự đoán ở một vật thể rơi tự do. Thiết bị mang tên Giao thoa kế Galileo lượng tử dùng nguyên tử rubidi siêu lạnh để đối chiếu một nhánh sóng vật chất được giữ trong hệ quy chiếu phòng thí nghiệm với nhánh khác được cho rơi tự do. Pha đo được phù hợp với dự đoán khi áp dụng nguyên lý tương đương của Einstein trong chế độ lượng tử năng lượng thấp. 12

Thí nghiệm đã đo được điều gì?

Ở nhiệt độ cực thấp, hành vi sóng của nguyên tử rubidi có thể được kiểm soát một cách kết hợp (coherent). Nhóm nghiên cứu tách hàm sóng của nguyên tử thành hai gói sóng đi theo hai nhánh không gian khác nhau. 12

• Nhánh thứ nhất được từ trường giữ gần như đứng yên so với phòng thí nghiệm.
• Nhánh thứ hai được phóng đi rồi để rơi tự do, tức trong thời gian rơi, nhà thí nghiệm không tác dụng lực lên nhánh này. 2

Sau một khoảng thời gian được kiểm soát, hai nhánh được ghép lại. Khi chồng lên nhau, chúng giao thoa như hai gợn sóng gặp nhau. Mẫu giao thoa ghi lại pha tương đối: độ chênh trong quá trình tiến hóa của hai sóng lượng tử.

Vì một nhánh rơi tự do còn nhánh kia được nâng đỡ, phép đo tách được pha gắn với chuyển động rơi tự do của sóng vật chất. Đây không chỉ là theo dõi gia tốc trung bình của một đám nguyên tử; nhóm đã đặt hàm sóng vào trạng thái chồng chập rồi đọc ra chênh lệch pha giữa hai thành phần của nó. 12

Kết quả nói gì về nguyên lý tương đương của Einstein?

Nguyên lý tương đương của Einstein, nói ngắn gọn, cho rằng trong một vùng đủ nhỏ, một người quan sát rơi tự do sẽ không cảm nhận được ảnh hưởng của hấp dẫn. Thí nghiệm mới kiểm tra cách nguyên lý đó vận hành khi vật thể là một sóng vật chất có thể đồng thời trải trên các nhánh khác nhau.

Pha tương đối đo được khớp với pha rơi tự do mà lý thuyết dự đoán. Trong phạm vi điều kiện đã khảo sát, đây là bằng chứng rằng nguyên lý tương đương có thể được áp dụng nhất quán cho một vật thể lượng tử, chứ không chỉ cho hạt cổ điển có một quỹ đạo xác định. 12

Điều thí nghiệm chưa chứng minh

Cần diễn giải kết quả một cách thận trọng: đây không phải là phát hiện về hấp dẫn lượng tử.

Thí nghiệm không hợp nhất cơ học lượng tử với thuyết tương đối rộng. Trong mô tả năng lượng thấp này, nguyên tử được xử lý theo cơ học lượng tử, còn hấp dẫn đóng vai trò một trường nền cổ điển. Kết quả xác nhận khuôn khổ quen thuộc đó dự đoán đúng pha quan sát được trong điều kiện thí nghiệm. 2

Nó cũng không cho thấy bản thân hấp dẫn là một trường lượng tử, hay hấp dẫn có thể truyền thông tin lượng tử. Cho đến nay, chưa có thí nghiệm nào đưa ra bằng chứng kết luận về các đặc tính lượng tử của tương tác hấp dẫn. 4855

Một hướng thường được đề xuất là đặt hai vật có khối lượng vào các trạng thái lượng tử và tìm kiếm hiện tượng vướng víu chỉ do tương tác hấp dẫn sinh ra. Tuy nhiên, việc diễn giải các thí nghiệm kiểu này phụ thuộc vào những giả định lý thuyết; các công trình gần đây vẫn tranh luận liệu một số khuôn khổ hấp dẫn cổ điển có thể tạo ra hiệu ứng giống vướng víu hay không. 515359

Vì sao đây không phải phép thử “sụp đổ hấp dẫn” theo Penrose?

Roger Penrose từng đề xuất rằng các trạng thái chồng chập không gian đủ lớn có thể tự mất tính kết hợp do khác biệt giữa các phân bố khối lượng. Giao thoa kế Galileo lượng tử lại đo một pha vẫn kết hợp của sóng vật chất nguyên tử; nó không được thiết kế để tìm sự suy giảm bất thường của độ tương phản giao thoa ở các chồng chập vừa nặng, vừa tồn tại lâu.

Muốn kiểm tra các mô hình sụp đổ như vậy, thí nghiệm phải thay đổi được khối lượng, khoảng cách tách giữa hai nhánh và thời gian duy trì kết hợp, đồng thời loại trừ các nguồn mất kết hợp thông thường. Va chạm, nhiễu điện từ, rung động và sai số kỹ thuật đều có thể làm giảm tín hiệu giao thoa mà không cần đến một cơ chế hấp dẫn mới.

Vì vậy, kết quả mới ủng hộ sự kết hợp lượng tử thông thường trong chế độ nguyên tử đã khảo sát. Nó không xác nhận, cũng không loại trừ dứt khoát, các mô hình sụp đổ hướng đến những vật thể lớn hơn nhiều.

Vì sao nanokim cương là mục tiêu tiếp theo hợp lý?

Các giao thoa kế được đề xuất với nanokim cương nhằm đưa thí nghiệm sóng vật chất lên vùng khối lượng lớn hơn đáng kể. Một tâm nitơ–lỗ trống (nitrogen-vacancy, hay tâm NV) trong nanokim cương có thể cung cấp bậc tự do spin; gradient từ trường có thể dùng spin này để tạo và điều khiển trạng thái chồng chập theo không gian. 1721

Một đề xuất trên chip nhắm tới các hạt có khối lượng xấp xỉ từ (10^{-19}) đến (10^{-15}) kg. 20 Những thử nghiệm này có thể khảo sát liệu tính kết hợp lượng tử còn duy trì đến đâu khi vật thể nặng hơn và dễ bị môi trường làm nhiễu hơn.

Nếu một chồng chập nặng, được cô lập đủ tốt, tồn tại lâu hơn giới hạn do một mô hình sụp đổ cụ thể dự đoán, mô hình đó sẽ bị siết chặt. Nếu giao thoa biến mất, các nhà nghiên cứu trước hết vẫn phải chứng minh rằng mất kết hợp thông thường không thể giải thích kết quả.

Khác gì với phép thử nguyên tử rơi trên trạm Thiên Cung?

Giao thoa kế Galileo lượng tử và thí nghiệm giao thoa nguyên tử trên trạm vũ trụ Trung Quốc Thiên Cung đều liên quan đến hấp dẫn và nguyên tử siêu lạnh, nhưng chúng đặt ra hai câu hỏi khác nhau.

Trên Thiên Cung, một giao thoa kế nguyên tử hai đồng vị (^{85})Rb/(^{87})Rb so sánh gia tốc rơi tự do của hai đồng vị rubidi trong quỹ đạo. Sau 280 ngày dữ liệu, độ bất định được báo cáo cho phép thử nguyên lý tương đương yếu là (2,8\times10^{-8}), với kết quả ((-3,1\pm4,6)\times10^{-7}). 3541

Đó là phép kiểm tra tính phổ quát của rơi tự do: các vật thử khác nhau có tăng tốc như nhau trong cùng một trường hấp dẫn hay không?

Ngược lại, Giao thoa kế Galileo lượng tử so sánh hai nhánh của cùng một sóng vật chất kết hợp — một nhánh được nâng đỡ, một nhánh rơi tự do — để đo pha lượng tử được dự đoán của chuyển động rơi. 2

Cả hai đều củng cố vật lý nguyên lý tương đương với nguyên tử lượng tử. Nhưng không thí nghiệm nào, nếu xét riêng lẻ, chứng minh rằng hấp dẫn đã được lượng tử hóa.

Kết luận: một cột mốc chính xác, không phải lời giải cuối cùng

Giao thoa kế Galileo lượng tử đã đạt một cột mốc hẹp nhưng quan trọng: quan sát trực tiếp pha do hấp dẫn dự đoán của sóng vật chất nguyên tử rơi tự do. Sự phù hợp với lý thuyết mở rộng phép thử nguyên lý tương đương sang bối cảnh vật thể ở trong trạng thái chồng chập lượng tử được kiểm soát. 12

Ý nghĩa mạnh nhất của kết quả nằm ở phát biểu chính xác: cơ học lượng tử và nguyên lý tương đương của Einstein vẫn tương thích trong chế độ năng lượng thấp đã đo. Đây chưa phải một lý thuyết hoàn chỉnh về hấp dẫn lượng tử, và cũng chưa phải phép thử về sự sụp đổ lượng tử do hấp dẫn.