Một thí nghiệm mới có thể hé lộ cách cơ học lượng tử tương tác với thuyết tương đối rộng của Einstein — mở ra con đường tiệm cận “Thuyết Vạn vật” (lý thuyết về mọi thứ – theory of everything) nhằm lý giải vũ trụ vật lý, theo một nghiên cứu mới công bố trên tạp chí PRX Quantum.
Ba nhà khoa học tại Mỹ đã thiết kế một thí nghiệm mà họ tin rằng có thể hé lộ cách cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng cuối cùng có thể hòa hợp với nhau.
Cơ học lượng tử giải thích các hiện tượng vật lý ở quy mô cực nhỏ, đến mức hạ nguyên tử, trong khi thuyết tương đối rộng của Einstein mô tả vũ trụ ở quy mô lớn — bao gồm không gian, thời gian và lực hấp dẫn. Tuy nhiên, hai lý thuyết này không thống nhất với nhau.
“Cả lý thuyết lượng tử và thuyết hấp dẫn của Einstein đều đã được kiểm nghiệm — và cả hai hoạt động rất tốt,” đồng tác giả Dr. Igor Pikovski, phó giáo sư vật lý tại Viện Công nghệ Stevens, bang New Jersey, chia sẻ với BBC Science Focus.
“Nhưng trong vật lý hiện đại, thách thức quan trọng nhất vẫn là kết hợp hai lý thuyết này thành một lý thuyết duy nhất. Có điều gì đó chưa ổn, và đến nay vẫn chưa có lý thuyết chung nào thành công.”
Pikovski, cùng với TS. Jacob Covey (Đại học Illinois Urbana-Champaign) và TS. Johannes Borregaard (Đại học Harvard), đã thiết kế một thí nghiệm nhằm khám phá cách hai lý thuyết có thể tương thích với nhau — điều mà giới khoa học trước giờ chưa từng làm được.
Mục tiêu của thí nghiệm là làm sáng tỏ cách các hiệu ứng lượng tử phản ứng với không-thời gian cong.
Không-thời gian cong là khái niệm được Einstein mô tả: lực hấp dẫn là kết quả của sự uốn cong của không gian và thời gian xung quanh một vật thể có khối lượng lớn (như hành tinh), theo đó thời gian trôi chậm hơn gần vật thể và nhanh hơn khi ở xa.
Các nhà khoa học đã thiết kế một hệ thống đồng hồ nguyên tử liên kết với nhau thành mạng lượng tử để theo dõi cách chúng bị ảnh hưởng bởi không-thời gian cong.
Đồng hồ nguyên tử có thể đo thời gian cực kỳ chính xác. Nhờ hiện tượng gọi là vướng víu lượng tử (entanglement), trạng thái lượng tử của các đồng hồ này có thể liên kết với nhau. Và nhờ chồng chập lượng tử (quantum superposition) — tức một hệ thống có thể tồn tại đồng thời ở nhiều trạng thái — các đồng hồ này có thể trải nghiệm nhiều dòng chảy thời gian cùng lúc.
Bằng cách đặt các đồng hồ này ở các vị trí khác nhau, mạng lượng tử này có thể phát hiện những khác biệt nhỏ trong chuyển động của thời gian do lực hấp dẫn làm cong không-thời gian.
“Nếu được thực hiện, thử nghiệm này sẽ là bằng chứng xác thực đầu tiên cho ‘lý thuyết lượng tử trên nền không-thời gian cong’, và cho thấy hệ lượng tử hoạt động thế nào ngay cả khi phải tính đến lực hấp dẫn của thuyết Einstein,” Pikovski cho biết.
Thí nghiệm này là bước đầu để kiểm chứng cách hai lý thuyết kết hợp với nhau — và đáng chú ý là nó dựa trên công nghệ mà chúng ta hiện đã có.
Pikovski hy vọng nghiên cứu sẽ “truyền cảm hứng và khơi dậy sự hứng thú trước những bí ẩn mà tự nhiên vẫn còn cất giấu.”
Ông nói thêm: “Chúng ta vẫn còn quá nhiều điều chưa biết về cách thế giới vận hành, và nhiều góc khuất trong vật lý vẫn còn đầy bí ẩn.
“Kết quả của chúng tôi cho thấy rằng công nghệ lượng tử có thể được sử dụng để khám phá những câu hỏi này qua các thí nghiệm thực tế — lần đầu tiên.”
Các nhà khoa học đang chạy đua phát triển mạng lượng tử nhằm tạo ra một hệ thống internet lượng tử trong tương lai, kết nối các máy tính lượng tử trên toàn cầu. Ảnh: Getty
