Hai thí nghiệm lượng tử kiểm tra nguyên lý tương đương của Einstein

Nguyên lý tương đương của Einstein, nói ngắn gọn, cho rằng trong một vùng không-thời gian đủ nhỏ, tác động của trọng lực không thể phân biệt với tác động của gia tốc; đồng thời, các vật rơi tự do phải đáp ứng với trọng lực như nhau. Hai thí nghiệm giao thoa nguyên tử gần đây đã đưa ý tưởng này vào những bối cảnh rất “lượng tử”. Kết luận chung cần được hiểu đúng mức: trong giới hạn độ chính xác và điều kiện đã đo, vật chất lượng tử hành xử phù hợp với nguyên lý tương đương. 231

Hai phép thử, hai khía cạnh khác nhau

Hai thí nghiệm bổ sung cho nhau, chứ không lặp lại nhau:

• Quantum Galileo Interferometer trên Trái Đất khảo sát pha của sóng vật chất kết hợp khi rơi tự do.
• Thí nghiệm trên Trạm Vũ trụ Trung Quốc so sánh gia tốc tương đối của hai đồng vị rubidi trong trạng thái rơi tự do trên quỹ đạo.

Cả hai đều khai thác giao thoa — tính chất sóng của nguyên tử — để biến ảnh hưởng của trọng lực thành độ lệch pha có thể đo. Tuy vậy, thí nghiệm thứ nhất chủ yếu kiểm tra mô tả lượng tử khi chuyển từ hệ quy chiếu phòng thí nghiệm sang hệ quy chiếu rơi tự do; thí nghiệm thứ hai kiểm tra nguyên lý tương đương yếu, tức tính phổ quát của rơi tự do. 231

Đo pha của một sóng lượng tử đang rơi

Trong thí nghiệm trên mặt đất, các nhà nghiên cứu sử dụng giao thoa kế nguyên tử lạnh. Một gói sóng vật chất được giữ tĩnh so với hệ quy chiếu phòng thí nghiệm, còn gói sóng kia được cho rơi tự do. Khi so sánh hai gói sóng, pha tương đối quan sát được khớp với pha chuẩn dự đoán cho một vật lượng tử rơi tự do. Nhóm tác giả mô tả đây là quan sát trực tiếp pha lượng tử của rơi tự do trong chế độ năng lượng thấp của họ. 12

Điểm khác biệt nằm ở đại lượng được đo. Một vật cổ điển đang rơi có thể cho thấy ảnh hưởng của trọng lực qua quỹ đạo. Trong thí nghiệm này, đại lượng trung tâm là pha của một sóng lượng tử kết hợp — thứ vốn không thể quan sát trực tiếp nếu chỉ nhìn một nhánh. Giao thoa kế cho phép đọc pha ấy bằng cách cho hai nhánh gặp lại và đo mẫu giao thoa.

So sánh hai “loài” nguyên tử trên quỹ đạo

Trong thí nghiệm thứ hai, một giao thoa kế nguyên tử hai thành phần được vận hành trên Trạm Vũ trụ Trung Quốc. Thiết bị so sánh các đám nguyên tử siêu lạnh rubidi-85 và rubidi-87 — hai đồng vị có khối lượng khác nhau — khi cả tàu vũ trụ lẫn các nguyên tử đều ở trạng thái rơi tự do liên tục trên quỹ đạo. 1931

Nhóm nghiên cứu áp dụng các kỹ thuật như khử ảnh hưởng chuyển động của nền tảng, chuyển đổi phép dò huỳnh quang và chuyển đổi độ lệch tần số hai photon nhằm giảm nhiễu pha, nâng độ chính xác đo. Từ 280 ngày dữ liệu kiểm tra nguyên lý tương đương yếu, họ báo cáo độ bất định thử nghiệm là (2,8 \times 10^{-8}). Kết quả ((-3,1 \pm 4,6) \times 10^{-7}), sau đánh giá sai số, phù hợp với trường hợp không phát hiện chênh lệch gia tốc. 2231

Nói dễ hiểu: ở độ chính xác đạt được, phép đo không thấy dấu hiệu cho thấy hai đồng vị rubidi rơi khác nhau.

Vì sao phải đưa giao thoa kế nguyên tử lên không gian?

Môi trường vi trọng lực có thể cho nguyên tử thời gian “tự do” dài hơn nhiều so với thí nghiệm thả rơi trên mặt đất. Thời gian tiến hóa tự do dài hơn có thể làm giao thoa kế nhạy hơn với gia tốc, với điều kiện phải kiểm soát được tính kết hợp lượng tử, sự giãn nở của đám nguyên tử, gradient trọng trường và nhiễu của thiết bị. 432

Tuy nhiên, quỹ đạo không tự động đồng nghĩa với môi trường yên tĩnh. Chuyển động và rung động của một trạm vũ trụ có người ở có thể ghi thêm các lệch pha không mong muốn vào tín hiệu. Vì vậy, khử ảnh hưởng chuyển động của nền tảng là một phần then chốt trong thí nghiệm trên Trạm Vũ trụ Trung Quốc. 1931

Những gì kết quả này xác lập — và không xác lập

Đây là các phép kiểm tra có ý nghĩa về mức độ tương thích giữa những nguyên lý của thuyết tương đối rộng với vật chất lượng tử. Chúng không chứng minh rằng bản thân trọng lực là lượng tử.

Cụ thể, không thí nghiệm nào trong hai thí nghiệm này chứng minh rằng:

• trường hấp dẫn tồn tại trong trạng thái chồng chập lượng tử;
• graviton tồn tại;
• trọng lực có thể tạo vướng víu lượng tử giữa hai khối lượng; hoặc
• đã có một lý thuyết thống nhất thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử.

Có thể hiểu cả hai thí nghiệm là các hệ lượng tử tiến hóa trong một môi trường hấp dẫn được mô tả hiệu dụng như cổ điển, rồi được kiểm tra xem có tuân theo dự đoán của nguyên lý tương đương hay không. Chúng cũng không loại trừ mọi dạng vật lý mới: chúng chỉ giới hạn các sai lệch có thể có đối với các hệ nguyên tử, điều kiện và độ chính xác đã được khảo sát.

Bước tiếp theo: vật nặng hơn, rơi lâu hơn và thiết bị yên hơn

Nano kim cương và các vật thể lớn hơn nguyên tử

Một hướng đi là tạo chồng chập lượng tử với các vật thể có khối lượng lớn hơn nguyên tử rất nhiều. Chẳng hạn, một đề xuất về giao thoa kế nano kim cương để bàn mô tả việc chuẩn bị các chồng chập không gian gắn với spin của nano kim cương, rồi để tương tác hấp dẫn giữa các chồng chập tạo ra hiệu ứng vướng víu. Đây là một nghiên cứu về tính khả thi, không phải kết quả đã được xác lập bởi các thí nghiệm rubidi. 20

Các nền tảng như vậy cũng có thể hỗ trợ khảo sát những mô hình cho rằng trọng lực liên quan đến sự sụp đổ hàm sóng. Thách thức thực nghiệm là tách bạch sự suy giảm độ tương phản giao thoa bất thường với mất kết hợp thông thường do môi trường gây ra.

Kéo dài thời gian rơi tự do

Các ý tưởng thí nghiệm quỹ đạo trong tương lai đặt mục tiêu đẩy phép kiểm tra rơi tự do phổ quát bằng hai đồng vị rubidi đến độ chính xác tốt hơn (10^{-15}). Những đề xuất này cũng nêu khả năng khảo sát liên kết spin–trọng lực và các gói sóng kết hợp có độ tách không gian lớn. 17

Để đạt đến mức đó, thời gian vi trọng lực dài hơn là chưa đủ. Các hệ tương lai cần cách ly rung động tốt, laser ổn định, nguồn nguyên tử được kiểm soát chặt và quy trình xử lý sai số hệ thống nghiêm ngặt. Vì thế, một nền tảng quỹ đạo chuyên dụng với mức nhiễu thấp có thể quan trọng không kém việc kéo dài thời gian rơi tự do.

Kết luận

Điểm tiến bộ quan trọng không phải là nhân loại đã phát hiện “trọng lực lượng tử”. Điều đáng chú ý là hai phép đo lượng tử rất khác nhau — một phép đo pha rơi tự do của sóng vật chất trên Trái Đất, một phép so sánh hai đồng vị trong quỹ đạo — đều cho kết quả phù hợp với nguyên lý tương đương của Einstein. Biên giới tiếp theo là làm cho các phép thử nhạy hơn, dùng vật thể nặng hơn và cô lập tốt hơn, để có thể chạm tới những hiệu ứng mà mô tả trọng lực cổ điển có thể không giải thích được. 21731