 |
|
Albert Eistein. |
Từ nhiều năm nay, tại Viện Nghiên cứu Laue-Langevin ở Grenoble (Pháp), nhà vật lý người Nga Valery Nesvizhevsky đã nghiên cứu một cỗ máy có khả năng làm cho các hạt neutron nẩy lên, bằng cách tách chúng ra khỏi mọi tác động phụ, ngoại trừ lực hấp dẫn của trái đất.
Cỗ máy được bố trí trong lòng đất của Viện, gồm một khối thủy tinh và một thiết bị thu hạt hoàn toàn bằng phẳng. Tất cả được đặt trong một phòng chân không, cách ly tối đa lực hấp dẫn khỏi các lực khác. Cỗ máy được đặt lên một cái bàn nặng bằng cẩm thạch có gắn các thiết bị đo độ nghiêng chính xác và các pit-tông điện, có thể tự động hóa giải các rung động. Nhờ vậy, độ rung của bàn gần như bị triệt tiêu. Thiết bị đo này nhạy cảm đến mức có thể ghi nhận được sự thay đổi của năng lượng bên ngoài chính xác tới 10-13 eV.
Nguyên lý của thí nghiệm này rất đơn giản, đó là làm cho các hạt neutron nẩy lên trên một cái bàn như các quả bóng. Mục đích là quan sát hiện tượng rơi của các hạt trong môi trường chỉ có duy nhất lực hấp dẫn. Nhưng tại sao người ta lại chọn các hạt neutron? Bởi vì chúng hầu như không có tương tác điện từ, và tồn tại khá bền vững. Tuy nhiên, còn một vấn đề nữa là ở nhiệt độ thường, các neutron chuyển động quá nhanh, khoảng vài kilomét/giây, nên rất khó quan sát sự nẩy lên của chúng. Để hãm vận tốc, Nesvizhevsky đã để các neutron vào môi trường cực lạnh. Ở điều kiện này, chúng có vận tốc khoảng vài mét/giây. (Neutron cực lạnh được sản xuất tại Viện Nghiên cứu Laune - Langevin).
Các hạt neutron dùng trong thí nghiệm được lọc kỹ theo các chuẩn mực về vận tốc cũng như hướng di chuyển, sao cho chúng rơi đúng vào cỗ máy, nơi chúng bị cách ly khỏi mọi tương tác bên ngoài, trừ lực hấp dẫn của trái đất. Các neutron nẩy lên bề mặt của một khối thủy tinh. Và ngay bên trên tấm thủy tinh này, ở một độ cao có thể thay đổi, người ta cài đặt một thiết bị hấp thu hạt. Neutron nào nẩy lên quá cao sẽ bị "đớp", trái lại, những neutron nẩy ở mức vừa phải vẫn tiếp tục tiến trình của mình để sau vài cú nhảy, tới được đầu kia của khối thủy tinh. Tại đây, người ta đã cài sẵn một thiết bị phát hiện hạt, có chức năng đếm từng neutron một.
Về lý thuyết, đường đi của neutron giữa mỗi lần nảy lên phải có hình parabol, giống của quả bóng bàn, tương ứng với sự mô tả của các phương trình trong thuyết tương đối rộng của Einstein (Những phương trình mà các nhà vật lý dùng để mô tả sự vận hành lý thuyết của các vật thể dưới tác động của trọng lực. Tuy nhiên, người ta cũng có thể bằng lòng với các phương trình của Newton, vì chúng cũng cho kết quả gần như tương tự khi vận tốc được xét đến rất yếu so với vận tốc ánh sáng, đúng như trường hợp này). Tóm lại, tất cả các neutron nảy yếu, không chạm tới thiết bị thu, sẽ tới được máy đếm hạt.
Vậy mà trong thí nghiệm trên, khi thiết bị thu được đặt ở độ cao 15/1000 milimét so với khối thủy tinh, mọi chuyện lại xảy ra không giống với dự kiến. Chiều cao này tương đương với bề dày của một lá nhôm mỏng, và nếu đem so với kích thước của neutron thì đó là một khoảng cách khổng lồ. Vì thế việc nảy của các neutron có thể so sánh với việc nảy các quả bóng bàn dưới một cái trần nhà cao tới hàng trăm ngàn kilomét. Như vậy, các hạt sẽ phải có đủ khoảng rộng để tha hồ nẩy tới nẩy lui. Khi đã biết được luồng neutron do lò phản ứng nằm trong cỗ máy phóng ra, thuyết tương đối rộng dự kiến là cứ sau mỗi 50 giây, một neutron lại phải nảy tới được máy phát hiện. Thế nhưng đã không có neutron nào đi ra cả, và thiết bị phát hiện cũng không có phản ứng. Khi hạ thiết bị thu xuống thấp hơn thế, cũng chẳng thấy neutron nào đi ra. Trái lại, khi đưa thiết bị hấp thu lên quá độ cao nói trên, thì các neutron đi ra được, và càng ra nhiều hơn khi thiết bị thu neutron nằm càng cao.
Tại sao lại có một cái ngưỡng mà bên dưới nó không có neutron nào đi qua? Tại sao các neutron không nẩy lên như trường hợp quả bóng bàn? Lý thuyết Newtron lẫn lý thuyết Einstein đều không giải thích được hiện tượng lạ lùng này về lực hấp dẫn.
Như vậy, thí nghiệm của Nesvizhevsky đã chỉ ra rằng, sự nẩy lên của neutron (và từ đó suy ra sự rơi của quả táo cũng như sự vận hành của các thiên thể) đã không được cơ học cổ điển và thuyết tương đối miêu tả đúng. Vì theo hai thuyết này, lẽ ra các neutron nẩy lên trong cỗ máy phải có quỹ đạo parabol. Nhưng kết quả lại cho thấy, quỹ đạo đó có hình bậc thang.
Các nhà vật lý từ lâu đã nghi ngờ rằng thuyết tương đối rộng của Einstein là sai lầm, ngay cả khi nó còn được các nhà thiên văn dùng để mô tả sự hình thành các ngôi sao hoặc sự tiến hóa của vũ trụ. Nhưng lực hấp dẫn quá yếu so với các lực khác nên không thể đo đạc một cách tuyệt đối chính xác.
Bản thân Einstein lúc sinh thời cũng nghi ngờ là đến một ngày nào đó lý thuyết của mình bắt buộc phải sáp nhập các nguyên lý của lý thuyết lượng tử. Và thí nghiệm lần này của Nesvizhevsky đã cung cấp cho chúng ta một giả định: Tất cả đều là lượng tử, kể cả lực hấp dẫn.
Vấn đề đặt ra trong tương lai là hợp nhất thuyết tương đối và thuyết lượng tử. Trong lịch sử, có những hiện tượng vật lý nhìn bề ngoài rất khác nhau đã được hợp nhất thành công: thế kỷ XVII, Isaac Newton hợp nhất sự vận hành của các hành tinh với sự rơi xuống đất của các vật thể. Thế kỷ XIX, James Clerk Maxwell hợp nhất điện, từ và ánh sáng thành lý thuyết điện từ duy nhất. Thế kỷ XX, Steven Weinberg và Sheldon Glashow hợp nhất lực điện từ với lực hạt nhân yếu thành lực điện yếu. Thế kỷ XXI, liệu lực điện yếu có hòa vào được với lực hạt nhân mạnh hay không? Và liệu lực điện hạt nhân giả định này có hợp nhất được với lực hấp dẫn thành một lực khởi đầu duy nhất?
Tài Hoa Trẻ (theo Science & Vie)