Thí nghiệm vừa nhận được tài trợ từ Hội đồng Nghiên cứu Châu Âu có thể là bằng chứng trực tiếp đầu tiên cho thấy không gian tự nó có cấu trúc - và cấu trúc đó là lượng tử
Hơn một trăm năm qua, vật lý đã tồn tại với một mâu thuẫn thầm lặng trong cốt lõi của nó. Thuyết tương đối rộng của Einstein mô tả vũ trụ ở quy mô vũ trụ với độ chính xác đáng kinh ngạc - chuyển động của các hành tinh, sự bẻ cong ánh sáng, những gợn sóng không thời gian từ va chạm của các lỗ đen. Cơ học lượng tử làm điều tương tự ở quy mô nhỏ nhất - hành vi của các hạt, cấu trúc của nguyên tử, bản chất của ánh sáng. Cả hai lý thuyết đều hoạt động. Cả hai đều đúng. Tuy nhiên, chúng về cơ bản không tương thích. Việc dung hòa chúng được coi là một trong những nhiệm vụ lớn chưa được giải quyết trong khoa học. Điều này có thể sắp thay đổi.
Vài tuần trước, Đại học Cardiff đã công bố rằng Giáo sư Hartmut Grote từ Viện Nghiên cứu Lực hấp dẫn đã nhận được một khoản tài trợ lớn từ Hội đồng Nghiên cứu Châu Âu để thực hiện một thí nghiệm đột phá với một mục tiêu duy nhất: tìm kiếm bằng chứng thực nghiệm trực tiếp đầu tiên về hấp dẫn lượng tử. Ý tưởng đằng sau dự án này thanh lịch và cấp tiến như nhau. Không thời gian - tấm vải của vũ trụ - có thể không mịn màng và liên tục như Einstein đã hình dung. Nó có thể có dạng hạt, được tạo thành từ các đơn vị lượng tử rời rạc ở quy mô cực nhỏ đến mức chưa bao giờ được đo lường trực tiếp: độ dài Planck - một khoảng cách nhỏ hơn khoảng hai mươi bậc độ lớn so với một proton. Đây không phải là những pixel có thể nhìn thấy được. Nhưng trong những điều kiện thích hợp, lý thuyết dự đoán rằng chúng tạo ra một loại mờ lượng tử - một sự rung động tinh tế trong vị trí của các vật thể xung quanh chúng ta.
Nhóm của Giáo sư Grote dự định phát hiện chính xác sự rung động này. Sử dụng một giao thoa kế laser để bàn - một thiết bị có độ chính xác đủ để đo những thay đổi độ dài nhỏ hơn một phần tỷ của một nguyên tử - họ sẽ kết hợp hai công nghệ lượng tử tiên tiến chưa từng được sử dụng cùng nhau trước đây: ánh sáng nén, làm giảm nhiễu lượng tử trong các phép đo laser vượt ra ngoài giới hạn cổ điển, và phát hiện một photon duy nhất, cung cấp độ chính xác chưa từng có ở mức nhiễu gần như bằng không. Thí nghiệm, có tên là Giao thoa kế Phát hiện Một Photon cho Hấp dẫn Lượng tử (Single Photon Detection Interferometry for Quantum Gravity), dựa trực tiếp vào các công nghệ được phát triển cho LIGO và Virgo - các máy dò sóng hấp dẫn, đã chứng minh khả năng nắm bắt những gợn sóng nhỏ nhất trong không thời gian từ va chạm của các lỗ đen cách chúng ta hàng tỷ năm ánh sáng.
“Việc xác nhận các dấu hiệu lượng tử của không thời gian sẽ là một thành tựu mang tính bước ngoặt. Nó sẽ thay đổi sự hiểu biết của chúng ta về thực tế ở cấp độ cơ bản nhất và mở ra những hướng đi hoàn toàn mới cho nghiên cứu khoa học. Hơn một trăm năm sau khi Einstein thay đổi cách chúng ta hiểu về không gian và thời gian, dự án này có thể đưa chúng ta tiến gần hơn một bước đến việc hoàn thành bức tranh mà ông đã bắt đầu. Tôi nghĩ ông ấy sẽ rất vui mừng,” Giáo sư Hartmut Grote tại Đại học Cardiff cho biết.
Nếu thí nghiệm thành công, hậu quả sẽ vượt xa một khám phá đơn lẻ. Không thời gian lượng tử sẽ xác nhận rằng vũ trụ không được tạo thành từ các trường mịn và hình học liên tục - mà từ thứ gì đó giống như thông tin: rời rạc, có thể đếm được, về cơ bản là lượng tử. Nó sẽ xác nhận các khái niệm lý thuyết đã âm thầm hình thành trong nhiều thập kỷ - từ nguyên lý toàn ảnh đến ý tưởng rằng hình học của không thời gian phát sinh từ sự vướng víu lượng tử. Nó sẽ có nghĩa là những gì chúng ta gọi là thực tế vật lý - không gian, thời gian, vật chất - không phải là nền tảng của vũ trụ. Chúng chỉ là cách thông tin lượng tử của vũ trụ xuất hiện đối với chúng ta. Như một phần thưởng, thí nghiệm tương tự có thể phát hiện dấu vết của vật chất tối và sóng hấp dẫn nguyên thủy, những tiếng vọng từ những khoảnh khắc đầu tiên nhất của vũ trụ. Khoa học, như Giáo sư Grote nói, không phải lúc nào cũng tuyên bố mình bằng tiếng ồn ào. Đôi khi nó đến như một sự rung động tinh tế của tia laser trên bàn thí nghiệm.
