Các nhà vật lý đã phát triển một phương pháp mới để giải quyết một trong những vấn đề dai dẳng nhất trong vật lý lý thuyết: hợp nhất lực hấp dẫn với thế giới lượng tử.
Trong một bài báo gần đây được công bố trên tạp chí Báo cáo về tiến trình vật lý, các nhà khoa học đã phác thảo một công thức lại lực hấp dẫn có thể dẫn đến một mô tả hoàn toàn tương thích với lượng tử — mà không cần viện dẫn các chiều không gian bổ sung hoặc các tính năng kỳ lạ mà các mô hình suy đoán hơn yêu cầu, như lý thuyết dây.
Điểm cốt lõi của đề xuất này là việc xem xét lại cách lực hấp dẫn hoạt động ở cấp độ cơ bản. Trong khi các lực điện từ, lực yếu và lực mạnh đều được mô tả bằng lý thuyết trường lượng tử — một khuôn khổ toán học kết hợp sự bất định và lưỡng tính sóng-hạt — thì lực hấp dẫn vẫn là ngoại lệ. Thuyết tương đối rộng, lý thuyết về lực hấp dẫn của Einstein, là một lý thuyết hoàn toàn cổ điển mô tả lực hấp dẫn là sự cong vênh của hình học không-thời gian bởi khối lượng và năng lượng. Nhưng những nỗ lực kết hợp lý thuyết lượng tử với thuyết tương đối rộng thường gặp phải những mâu thuẫn toán học nghiêm trọng, chẳng hạn như xác suất vô hạn.
Cách tiếp cận mới diễn giải lại trường hấp dẫn theo cách phản ánh cấu trúc của các lý thuyết trường lượng tử đã biết. "Phát hiện quan trọng là lý thuyết của chúng tôi cung cấp một cách tiếp cận mới đối với lực hấp dẫn lượng tử theo cách tương tự như cách xây dựng các tương tác cơ bản khác của Mô hình Chuẩn", đồng tác giả nghiên cứu Mikko Partanen, một nhà vật lý tại Đại học Aalto ở Phần Lan, đã nói với Live Science trong một email.
Thay vì làm cong không-thời gian, lực hấp dẫn trong mô hình của họ được trung gian bởi bốn trường có liên quan với nhau, với mỗi trường tương tự như trường chi phối điện từ. Các trường này phản ứng với khối lượng theo cách tương tự như trường điện và trường từ phản ứng với điện tích và dòng điện. Chúng cũng tương tác với nhau và với các trường của Mô hình chuẩn theo cách tái tạo thuyết tương đối rộng ở cấp độ cổ điển đồng thời cho phép các hiệu ứng lượng tử được kết hợp một cách nhất quán.
Vì mô hình mới phản ánh cấu trúc của các lý thuyết lượng tử đã được thiết lập nên nó tránh được các vấn đề toán học vốn cản trở các nỗ lực lượng tử hóa thuyết tương đối rộng trong lịch sử. Theo các tác giả, khuôn khổ của họ tạo ra một lý thuyết lượng tử được định nghĩa rõ ràng, tránh được các vấn đề phổ biến — chẳng hạn như vô cực phi vật lý trong các đại lượng quan sát được và xác suất âm cho các quá trình vật lý — thường phát sinh khi thuyết tương đối rộng được lượng tử hóa bằng các phương pháp thông thường, đơn giản.
Một lợi thế chính của phương pháp này là tính đơn giản của nó. Không giống như nhiều mô hình hấp dẫn lượng tử đòi hỏi các hạt chưa được phát hiện và các lực bổ sung, lý thuyết này bám sát vào địa hình quen thuộc.
"Ưu điểm hoặc sự khác biệt chính khi so sánh với nhiều lý thuyết hấp dẫn lượng tử khác là lý thuyết của chúng tôi không cần các chiều không gian bổ sung mà vẫn chưa có sự hỗ trợ trực tiếp của thực nghiệm", Jukka Tulkki, giáo sư tại Đại học Aalto và là đồng tác giả của bài báo, đã nói với Live Science trong một email. "Hơn nữa, lý thuyết này không cần bất kỳ tham số tự do nào ngoài các hằng số vật lý đã biết".
Điều này có nghĩa là lý thuyết có thể được kiểm tra mà không cần chờ phát hiện ra các hạt mới hoặc sửa đổi các định luật vật lý hiện có. "Bất kỳ thí nghiệm hấp dẫn lượng tử nào trong tương lai cũng có thể được sử dụng trực tiếp để kiểm tra bất kỳ dự đoán (sắp tới) nào của lý thuyết", Tulkki nói thêm.
Hơn nữa, khuôn khổ này vẫn chưa được áp dụng cho một số câu hỏi sâu sắc nhất trong vật lý hấp dẫn, chẳng hạn như bản chất thực sự của điểm kỳ dị của lỗ đen hoặc vật lý của Vụ nổ lớn. "Thuyết này hiện chưa có khả năng giải quyết những thách thức lớn đó, nhưng nó có tiềm năng làm được điều đó trong tương lai", Partanen cho biết.
Xác minh thực nghiệm có thể còn khó nắm bắt hơn nữa. Lực hấp dẫn là lực yếu nhất trong số các lực đã biết và các khía cạnh lượng tử của nó cực kỳ tinh vi. Các thử nghiệm trực tiếp về hiệu ứng hấp dẫn lượng tử nằm ngoài tầm với của các thiết bị hiện tại.
Các bài viết liên quan:
— Sau cùng, các lỗ đen có thể tuân theo các định luật vật lý, theo một lý thuyết mới
— Cách 'bọt lượng tử' có thể đã làm phồng vũ trụ sơ khai
— Các nhà khoa học tìm thấy sự vướng víu lượng tử 'kỳ lạ' ở quy mô cực kỳ nhỏ — bên trong từng proton
"Việc thử nghiệm các hiệu ứng hấp dẫn lượng tử là một thách thức do tương tác hấp dẫn yếu", Tulkki cho biết. Tuy nhiên, vì lý thuyết không bao gồm các tham số có thể điều chỉnh, nên bất kỳ thí nghiệm nào trong tương lai thăm dò hành vi hấp dẫn lượng tử đều có khả năng xác nhận — hoặc loại trừ — đề xuất mới.
"Với tốc độ hiện tại của những tiến bộ về lý thuyết và quan sát, có thể mất vài thập kỷ để có những đột phá thực nghiệm đầu tiên cung cấp cho chúng ta bằng chứng trực tiếp về các hiệu ứng hấp dẫn lượng tử", Partanen cho biết. "Bằng chứng gián tiếp thông qua các quan sát nâng cao có thể thu được sớm hơn".
Hiện tại, công trình của Partanen và Tulkki mở ra một hướng đi mới cho các nhà lý thuyết đang tìm kiếm một lý thuyết lượng tử về hấp dẫn — một lý thuyết vẫn bám sát vào các khuôn khổ thành công của vật lý hạt trong khi có khả năng giải mã một số bí ẩn sâu sắc nhất của vũ trụ.
Trong một bài báo gần đây được công bố trên tạp chí Báo cáo về tiến trình vật lý, các nhà khoa học đã phác thảo một công thức lại lực hấp dẫn có thể dẫn đến một mô tả hoàn toàn tương thích với lượng tử — mà không cần viện dẫn các chiều không gian bổ sung hoặc các tính năng kỳ lạ mà các mô hình suy đoán hơn yêu cầu, như lý thuyết dây.
Điểm cốt lõi của đề xuất này là việc xem xét lại cách lực hấp dẫn hoạt động ở cấp độ cơ bản. Trong khi các lực điện từ, lực yếu và lực mạnh đều được mô tả bằng lý thuyết trường lượng tử — một khuôn khổ toán học kết hợp sự bất định và lưỡng tính sóng-hạt — thì lực hấp dẫn vẫn là ngoại lệ. Thuyết tương đối rộng, lý thuyết về lực hấp dẫn của Einstein, là một lý thuyết hoàn toàn cổ điển mô tả lực hấp dẫn là sự cong vênh của hình học không-thời gian bởi khối lượng và năng lượng. Nhưng những nỗ lực kết hợp lý thuyết lượng tử với thuyết tương đối rộng thường gặp phải những mâu thuẫn toán học nghiêm trọng, chẳng hạn như xác suất vô hạn.
Cách tiếp cận mới diễn giải lại trường hấp dẫn theo cách phản ánh cấu trúc của các lý thuyết trường lượng tử đã biết. "Phát hiện quan trọng là lý thuyết của chúng tôi cung cấp một cách tiếp cận mới đối với lực hấp dẫn lượng tử theo cách tương tự như cách xây dựng các tương tác cơ bản khác của Mô hình Chuẩn", đồng tác giả nghiên cứu Mikko Partanen, một nhà vật lý tại Đại học Aalto ở Phần Lan, đã nói với Live Science trong một email.
Thay vì làm cong không-thời gian, lực hấp dẫn trong mô hình của họ được trung gian bởi bốn trường có liên quan với nhau, với mỗi trường tương tự như trường chi phối điện từ. Các trường này phản ứng với khối lượng theo cách tương tự như trường điện và trường từ phản ứng với điện tích và dòng điện. Chúng cũng tương tác với nhau và với các trường của Mô hình chuẩn theo cách tái tạo thuyết tương đối rộng ở cấp độ cổ điển đồng thời cho phép các hiệu ứng lượng tử được kết hợp một cách nhất quán.
Vì mô hình mới phản ánh cấu trúc của các lý thuyết lượng tử đã được thiết lập nên nó tránh được các vấn đề toán học vốn cản trở các nỗ lực lượng tử hóa thuyết tương đối rộng trong lịch sử. Theo các tác giả, khuôn khổ của họ tạo ra một lý thuyết lượng tử được định nghĩa rõ ràng, tránh được các vấn đề phổ biến — chẳng hạn như vô cực phi vật lý trong các đại lượng quan sát được và xác suất âm cho các quá trình vật lý — thường phát sinh khi thuyết tương đối rộng được lượng tử hóa bằng các phương pháp thông thường, đơn giản.
Một lợi thế chính của phương pháp này là tính đơn giản của nó. Không giống như nhiều mô hình hấp dẫn lượng tử đòi hỏi các hạt chưa được phát hiện và các lực bổ sung, lý thuyết này bám sát vào địa hình quen thuộc.
"Ưu điểm hoặc sự khác biệt chính khi so sánh với nhiều lý thuyết hấp dẫn lượng tử khác là lý thuyết của chúng tôi không cần các chiều không gian bổ sung mà vẫn chưa có sự hỗ trợ trực tiếp của thực nghiệm", Jukka Tulkki, giáo sư tại Đại học Aalto và là đồng tác giả của bài báo, đã nói với Live Science trong một email. "Hơn nữa, lý thuyết này không cần bất kỳ tham số tự do nào ngoài các hằng số vật lý đã biết".
Điều này có nghĩa là lý thuyết có thể được kiểm tra mà không cần chờ phát hiện ra các hạt mới hoặc sửa đổi các định luật vật lý hiện có. "Bất kỳ thí nghiệm hấp dẫn lượng tử nào trong tương lai cũng có thể được sử dụng trực tiếp để kiểm tra bất kỳ dự đoán (sắp tới) nào của lý thuyết", Tulkki nói thêm.
Nhìn về phía trước
Mặc dù có những tính năng đầy hứa hẹn, mô hình này vẫn đang trong giai đoạn đầu. Mặc dù các tính toán sơ bộ chỉ ra rằng lý thuyết này hoạt động tốt dưới các kiểm tra tính nhất quán thông thường, nhưng vẫn cần phải đưa ra bằng chứng đầy đủ về tính nhất quán của nó.Hơn nữa, khuôn khổ này vẫn chưa được áp dụng cho một số câu hỏi sâu sắc nhất trong vật lý hấp dẫn, chẳng hạn như bản chất thực sự của điểm kỳ dị của lỗ đen hoặc vật lý của Vụ nổ lớn. "Thuyết này hiện chưa có khả năng giải quyết những thách thức lớn đó, nhưng nó có tiềm năng làm được điều đó trong tương lai", Partanen cho biết.
Xác minh thực nghiệm có thể còn khó nắm bắt hơn nữa. Lực hấp dẫn là lực yếu nhất trong số các lực đã biết và các khía cạnh lượng tử của nó cực kỳ tinh vi. Các thử nghiệm trực tiếp về hiệu ứng hấp dẫn lượng tử nằm ngoài tầm với của các thiết bị hiện tại.
Các bài viết liên quan:
— Sau cùng, các lỗ đen có thể tuân theo các định luật vật lý, theo một lý thuyết mới
— Cách 'bọt lượng tử' có thể đã làm phồng vũ trụ sơ khai
— Các nhà khoa học tìm thấy sự vướng víu lượng tử 'kỳ lạ' ở quy mô cực kỳ nhỏ — bên trong từng proton
"Việc thử nghiệm các hiệu ứng hấp dẫn lượng tử là một thách thức do tương tác hấp dẫn yếu", Tulkki cho biết. Tuy nhiên, vì lý thuyết không bao gồm các tham số có thể điều chỉnh, nên bất kỳ thí nghiệm nào trong tương lai thăm dò hành vi hấp dẫn lượng tử đều có khả năng xác nhận — hoặc loại trừ — đề xuất mới.
"Với tốc độ hiện tại của những tiến bộ về lý thuyết và quan sát, có thể mất vài thập kỷ để có những đột phá thực nghiệm đầu tiên cung cấp cho chúng ta bằng chứng trực tiếp về các hiệu ứng hấp dẫn lượng tử", Partanen cho biết. "Bằng chứng gián tiếp thông qua các quan sát nâng cao có thể thu được sớm hơn".
Hiện tại, công trình của Partanen và Tulkki mở ra một hướng đi mới cho các nhà lý thuyết đang tìm kiếm một lý thuyết lượng tử về hấp dẫn — một lý thuyết vẫn bám sát vào các khuôn khổ thành công của vật lý hạt trong khi có khả năng giải mã một số bí ẩn sâu sắc nhất của vũ trụ.
