Nguyên tử rơi và chùm muonium đưa phép thử trọng lực của Einstein sang vùng lượng tử

Trọng lực và cơ học lượng tử thường được xem là hai nền tảng vật lý chưa hòa hợp hoàn toàn. Hai tiến bộ thực nghiệm gần đây không giải quyết mâu thuẫn đó, nhưng đẩy các phép thử tới những vùng mới: một thí nghiệm đo pha mà trọng lực tạo ra trên chồng chập lượng tử; thí nghiệm còn lại tạo nguồn chùm cần thiết để khảo sát cách một nguyên tử lạ, sống cực ngắn, rơi.

Đo trực tiếp pha của trọng lực trên sóng lượng tử

Giao thoa kế Galileo lượng tử (Quantum Galileo Interferometer, QGI) dùng các nguyên tử rubidium siêu lạnh đặt gần một chip nguyên tử. Thiết bị tách sóng vật chất của nguyên tử thành hai nhánh kết hợp: một nhánh được giữ gần như đứng yên so với phòng thí nghiệm, nhánh kia rơi tự do. Khi hai nhánh được ghép lại, vân giao thoa cho biết độ lệch pha lượng tử tích lũy giữa chúng. 10

Điểm đáng chú ý là đây không đơn thuần là phép đo gia tốc của nguyên tử. QGI tiếp cận trực tiếp pha gắn với sóng lượng tử rơi tự do. Pha quan sát được phù hợp với dự đoán khi áp dụng nguyên lý tương đương của Einstein cho vật chất lượng tử trong điều kiện thí nghiệm. 1011

Kết quả QGI cho thấy điều gì?

Thí nghiệm ủng hộ sự tương thích giữa tính kết hợp lượng tử thông thường và nguyên lý tương đương trong môi trường trọng lực yếu, ở thang nguyên tử. Một vật thể lượng tử vẫn có thể tồn tại trong chồng chập kết hợp của các lịch sử chuyển động khác nhau dưới tác động của trọng lực; tín hiệu giao thoa mang pha hấp dẫn đúng như dự kiến.

Và kết quả này không cho thấy điều gì?

Đây không phải bằng chứng rằng bản thân trọng lực đã được lượng tử hóa. Thí nghiệm không phát hiện graviton, không đưa ra lý thuyết lượng tử về không-thời gian, cũng không thống nhất thuyết tương đối rộng với cơ học lượng tử. Trong chế độ này, các nhà nghiên cứu đang khảo sát vật chất lượng tử chuyển động trong trường hấp dẫn cổ điển của Trái Đất. 10

Kết quả cũng không tự nó giải quyết các đề xuất cho rằng trọng lực có thể làm chồng chập lượng tử sụp đổ ở thang khối lượng hoặc khoảng cách lớn hơn, trong đó có các ý tưởng gắn với Roger Penrose. QGI chỉ thăm dò một chế độ cụ thể: nguyên tử trong trọng lực yếu. Nó cho thấy giao thoa lượng tử thông thường vẫn tồn tại ở đó, chứ không phải phép kiểm tra dứt khoát mọi biến thể được đề xuất của cơ học lượng tử.

“Đại bác nguyên tử” muonium mở một phép thử khác

Các nhà nghiên cứu tại ETH Zurich và Viện Paul Scherrer (PSI) đã tạo được chùm muonium lạnh, cường độ cao. Muonium là nguyên tử trung hòa kỳ lạ gồm một muon dương và một electron. Muon dương là hạt phản vật chất, đồng thời thuộc thế hệ lepton thứ hai, nên muonium là đối tượng khảo sát rất khác các nguyên tử thông thường.

Nhóm nghiên cứu bắn các muon dương vào một lớp heli siêu lỏng mỏng. Tại đây, chúng chậm lại, bắt electron để tạo muonium, rồi bị đẩy khỏi chất lỏng vào chân không do thế hóa học trong heli. Khi năng lượng này chuyển thành động năng, nguyên tử bật vọt ra ngoài — cơ chế được ví như một “đại bác nguyên tử”. 6

Ý nghĩa của kết quả chưa nằm ở việc đã đo được trọng lực tác dụng lên muonium — điều đó chưa diễn ra. Bước đột phá là nguồn chùm vừa lạnh, vừa mạnh và được kiểm soát tốt, phù hợp cho giao thoa kế nguyên tử.

Vì sao muonium là mục tiêu khó?

Tính trung hòa điện của muonium giúp giảm các hiệu ứng điện từ vốn có thể lấn át độ lệch hấp dẫn cực nhỏ. Nhưng có một rào cản nghiêm ngặt: muon chỉ sống khoảng 2,2 microgiây. Muốn đo được trọng lực, thí nghiệm phải có đủ nguyên tử, vận tốc đủ thấp và chùm đủ hẹp để ghi nhận tín hiệu giao thoa hoặc độ lệch trước khi các muon phân rã.

Một phép đo trực tiếp sẽ kiểm tra tính phổ quát của rơi tự do đối với một hệ chứa hạt phản vật chất thế hệ thứ hai. Đây cũng sẽ là phép thử đầu tiên thuộc loại này với một hệ thuần lepton, thay vì hệ có khối lượng chủ yếu đến từ proton và neutron.

Kế hoạch đo: giao thoa kế và độ chính xác cỡ 1%

Nguồn mới được dự báo tạo gần (10^5) nguyên tử muonium mỗi giây. Theo nhóm nghiên cứu, mức này có thể hỗ trợ phép đo giao thoa kế gia tốc trọng trường của muonium với độ chính xác tương đối khoảng 1%, sau khoảng 100 ngày lấy dữ liệu.

Thách thức kế tiếp là thiết bị đo trọng lực. Trong thiết kế giao thoa kế dùng cách tử được đề xuất, trọng lực sẽ làm dịch vân giao thoa một lượng cực nhỏ. Việc đo dịch chuyển này đòi hỏi căn chỉnh và hiệu chuẩn cách tử ổn định ở thang picomet, đồng thời kiểm soát chặt nền nhiễu và các sai số hệ thống điện từ.

Nếu gia tốc suy ra phù hợp với (g) trong giới hạn bất định, kết quả sẽ mở rộng bằng chứng trực tiếp ủng hộ tính phổ quát của rơi tự do tới muonium. Ngược lại, một sai khác sẽ rất đáng chú ý: ETH Zurich cho biết sự khác biệt trong cách vật chất thông thường và vật chất lạ phản ứng với trọng lực có thể gợi ý một lực cơ bản chưa được biết đến.

Hai thí nghiệm bổ sung cho nhau ra sao?

QGI và dự án muonium mở rộng phép thử nguyên lý tương đương theo hai trục khác nhau:

• QGI kiểm tra tính kết hợp lượng tử: Một sóng vật chất ở chồng chập giữa trạng thái rơi tự do và gần như đứng yên có tích lũy pha hấp dẫn như nguyên lý tương đương dự đoán không? Kết quả phù hợp với dự đoán đó. 1011
• Muonium kiểm tra bản sắc hạt: Trọng lực có tác động bình thường lên một nguyên tử trung hòa chứa hạt phản vật chất thế hệ thứ hai không? Chùm mới khiến phép thử trực tiếp đầu tiên trở nên khả thi về kỹ thuật, nhưng phép đo vẫn đang ở phía trước.

Gộp lại, hai nghiên cứu mở rộng biên độ thực nghiệm của vật lý trọng lực. Tuy nhiên, chúng chưa khép lại khoảng cách nền tảng giữa cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng: cả hai đều nghiên cứu vật chất lượng tử trong trường hấp dẫn cổ điển của Trái Đất. Câu hỏi còn bỏ ngỏ là điều gì xảy ra khi chính trọng lực phải được mô tả như một thành phần lượng tử, động và tham gia vào tương tác vật lý.