Thử nghiệm khoa học chứng minh lực hấp dẫn vẫn có ảnh hưởng ở quy mô 50 micromet

Bên cạnh 3 lực cơ bản khác của Vũ trụ là lực điện từ, lực hạt nhân yếu và mạnh, lực hấp dẫn tuy yếu nhất nhưng lại có thể gây tác động ở khoảng cách rất xa. Ấy là lý do Trái Đất chúng ta quay quanh Mặt Trời, các sao chổi vẫn giữ quỹ đạo chính xác như vậy suốt hàng triệu năm, … Kể cả ở mức hiển vi, lực hấp dẫn cũng gây ra tác động, nhưng vì rất yếu nên khó có thể phát hiện được chúng.

Nhưng khó khăn ấy không làm chùn bước khoa học, và một lẽ nữa: nếu phát hiện ra được rằng ở quy mô hiển vi, lực hấp dẫn không vận hành theo cách ta vẫn biết, thì đó chính là điểm tựa để khoa học luận ra được Vật lý Mới. Hành trình tìm ra được hẳn một khía cạnh khoa học mới không dễ dàng thế, và tới giờ vẫn chưa thành công.

Đi tìm “lỗ hổng” của lực hấp dẫn

Trong khoa học,khái niệm “bình phương nghịch đảo” chỉ bất kỳ luật nào cho rằng một đại lượng vật lý cụ thể được tính bằng 1 chia cho bình phương khoảng cách của vật tới nguồn phát ra nó (đơn cử ánh sáng).

Cường độ của lực hấp dẫn phụ thuộc vào khoảng cách. Nếu nhân đôi khoảng cách giữa hai sự vật, lực hấp dẫn giữa chúng không chỉ chia đôi mà còn giảm xuống còn 1/4 giá trị gốc. Cơ sở chứng minh luật bình phương nghịch đảo dựa hoàn toàn vào hình học: vì ta đang sống trong không gian ba chiều, nên luật bình phương nghịch đảo vẫn đúng. Tuy nhiên, nếu không gian có thêm một hoặc nhiều chiều nữa, không chỉ luật bình phương nghịch đảo mà thực tại sẽ khác biệt nhiều.

Chúng ta biết rằng ở khoảng cách xa, ví dụ như khoảng không gian giữa hai ngôi sao, luật bình phương nghịch đảo đúng. Ở quy mô thiên hà, luật nghịch đảo vẫn đúng, phương trình chỉ khớp với thực tại khi có năng lượng tối và vật chất tối hiện diện. Có học giả nhận định năng lượng tối, vật chất tối (những khái niệm vẫn bí ẩn, nhưng phải tạm đặt ra giả thuyết cho nó để vật lý ta biết hoạt động được) chính là bằng chứng cho thấy chiều không gian nữa tồn tại, thế nhưng mọi chuyện không đơn giản thế.

Ở quy mô lớn, chiều không gian bí ẩn này vừa phải lớn, lại vừa không thể tương tác với các vật chất khác. Đưa thêm sự tồn tại của một chiều không gian khác vào vật lý, mọi công thức sẽ lệch lạc hết, nên ta mới chỉ cho rằng có một chiều không gian rất nhỏ và tác động được tới lực hấp dẫn ở quy mô hiển vi.

Trong phòng thí nghiệm, các nghiên cứu chỉ ra rằng ở mức hiển vi, mối quan hệ giữa lực hấp dẫn và luật bình phương nghịch phức tạp hơn ta tưởng nhiều. Cường độ lực hấp dẫn yếu tới mức điện trường phát ra từ đồ điện trong phòng thí nghiệm át tất cả mọi tín hiệu mà lực hấp dẫn có thể phát ra.

Thế làm sao để đo?

Để đo được lực hấp dẫn ở quy mô hiển vi, các nhà nghiên cứu dựa trên các thử nghiệm đơn giản mới chỉ mang tính học thuật: đo đạc các thay đổi của tốc độ quay, xuất hiện ở một cái đĩa đặt trong trạng thái dao động, bản thân cái đĩa này bị tác động bởi lực hấp dẫn tuần hoàn.

Thiết bị thử nghiệm.

Đĩa quay tạo ra lực tuần hoàn, trên đĩa là những lỗ hổng được cắt sẵn để lực hấp dẫn biến thiên mỗi khi lỗ hổng di chuyển khi đĩa quay. Hai chiếc đĩa thí nghiệm được đặt trên dưới: một chiếc gắn với sợi cáp mảnh, bắt đầu quay khi các nhà khoa học xoắn sợi cáp; chiếc đĩa còn lại được lắp trên máy, quay với tốc độ không đổi.

Khi đĩa trên thay đổi chiều quay, nó vẫn chịu ảnh hưởng từ tác động của mô men xoắn khiến đĩa dưới quay. Những thay đổi trong vòng quay của đĩa dưới đều mang tính tuần hoàn, đủ độ chính xác để mọi phép đo đạc liên quan được đúng. Những lỗ trên đĩa sẽ cho ra 3 tần số quay khác nhau, các giá trị đo được lệch với 3 tần số này sẽ được cho là lỗi.

Suốt thập kỷ qua, các nhà nghiên cứu thực hiện nhiều lần thí nghiệm này để tăng độ nhạy của máy đo, hòng tìm ra kết quả chính xác nhất có thể. Trong phạm vi có thể, thí nghiệm của họ loại bỏ được tất cả các lực liên quan tới từ trường và điện trường; cách thức đãi sỏi tìm vàng này đã mang về những kết quả nhất định.

Thí nghiệm trên, cùng nhiều bài thử nghiệm cùng loại khác nữa, cho phép các nhà nghiên cứu tìm ra được tác động của lực hấp dẫn ở khoảng cách 52 µm (micromet, đơn vị đo độ dài tương đương một phần triệu mét). Dựa trên kết quả này, các nhà nghiên cứu tự tin cho rằng ở quy mô 50 µm, luật bình phương nghịch đảo vẫn đúng, tức là vẫn chưa tìm được bằng chứng cho thấy Vật lý Mới tồn tại.

Nghiên cứu mới được đăng tải trên Aps Physics.

Tham khảo Arstechnica