Một đồng hồ hai thời gian: khi cơ học lượng tử bắt tay với thuyết tương đối tổng quát

Hiệp Khách Quậy Sự thống nhất của cơ học lượng tử và thuyết tương đối tổng quát Einstein là một trong những câu hỏi hấp dẫn nhất và vẫn còn bỏ ngỏ trong vật lí học hiện đại. Thuyết tương đối tổng quát, lí thuyết kết nối sự hấp dẫn, không gian và thời gian mang lại những tiên đoán đã trở thành bằng chứng rõ ràng trên... Xin mời đọc tiếp.

Sự thống nhất của thuyết tương đối tổng quát Einstein là một trong những câu hỏi hấp dẫn nhất và vẫn còn bỏ ngỏ trong vật lí học hiện đại. Thuyết tương đối tổng quát, lí thuyết kết nối sự hấp dẫn, không gian và thời gian mang lại những tiên đoán đã trở thành bằng chứng rõ ràng trên quy mô vũ trụ của các sao và thiên hà. Mặt khác, các hiệu ứng lượng tử thì mong manh và thường quan sát thấy ở những cấp độ rất nhỏ, ví dụ khi xét từng hạt hay từng nguyên tử. Đó là nguyên do rất khó kiểm tra sự ảnh hưởng qua lại giữa cơ học lượng tử và thuyết tương đối tổng quát. Nay các nhà vật lí đứng đầu là giáo sư Caslav Brukner tại trường Đại học Vienna đề xuất một thí nghiệm mới lạ có thể khảo sát sự chồng lấn của hai lí thuyết trên. Tiêu điểm của nghiên cứu trên là tiến hành đo khái niệm thời gian tương đối tính ở cấp độ lượng tử. Các kết quả sẽ công bố trên tạp chí Nature Communications.

Một trong những tiên đoán phản trực giác của thuyết tương đối tổng quát Einstein là sự hấp dẫn làm biến dạng dòng chảy của thời gian. Lí thuyết trên dự đoán rằng các đồng hồ chạy chậm hơn khi ở gần một vật khối lượng lớn, và chạy nhanh hơn khi chúng ở xa khối lượng đó. Hiệu ứng này mang lại cái gọi là “nghịch lí cặp song sinh”: nếu một người sinh đôi di cư lên sống ở độ cao lớn, thì anh ta sẽ già đi nhanh hơn người anh em song sinh vẫn ở lại trên mặt đất. Hiệu ứng này đã được xác nhận chính xác trong các thí nghiệm cổ điển, nhưng không phù hợp với các hiệu ứng lượng tử, và đó là mục tiêu của thí nghiệm mới đề xuất.

Theo thuyết tương đối tổng quát, thời gian trôi khác nhau ở những vị trí khác nhau

Theo thuyết tương đối tổng quát, thời gian trôi khác nhau ở những vị trí khác nhau do sự biến dạng của không-thời gian do một vật thể khối lượng lớn gây ra. Một cái đồng hồ ở trong sự chồng chất của hai vị trí cho phép khảo sát các hiệu ứng giao thoa lượng tử cùng với thuyết tương đối tổng quát. (Ảnh: Quantum Optics, Quantum Nanophysics, Quantum Information; Đại học Vienna.

Nhóm nghiên cứu người Vienna muốn khai thác khả năng kì lạ là một hạt lượng tử có thể đánh mất tính chất cổ điển của nó là có một vị trí xác định, hay nói theo cơ học lượng tử là nó có thể ở vào một “trạng thái chồng chất”. Điều này cho phép những hiệu ứng dạng sóng, gọi là sự giao thoa, với một hạt. Tuy nhiên, nếu người ta đo vị trí của hạt, hay mặc dù nó có thể được biết trên nguyên tắc, thì hiệu ứng này sẽ mất đi. Nói cách khác, người ta không thể quan sát sự giao thoa và đồng thời biết vị trí của hạt. Một mối quan hệ như vậy giữa thông tin và sự giao thoa là một thí dụ của sự bổ sung lượng tử - một nguyên lí do Niels Bohr đề xuất. Thí nghiệm đề xuất vừa công bố trên tạp chí Nature Communications kết hợp nguyên lí này với “nghịch lí cặp song sinh” của thuyết tương đối tổng quát.

Đội khoa học tại trường Đại học Vienna xét một đồng hồ (bất kì hạt nào có sự phát triển mức độ tự do nội tại như spin) được mang vào sự chồng chất của hai vị trí – một ở gần và một ở xa bề mặt Trái đất. Theo thuyết tương đối tổng quát, đồng hồ ở hai vị trí đó chạy ở những tốc độ khác nhau, theo kiểu giống như cặp song sinh sẽ già đi khác nhau. Nhưng vì thời gian đo bởi đồng hồ cho biết thông tin về nơi đặt đồng hồ, nên sự giao thoa và bản chất sóng của đồng hồ bị mất đi. “Đó là nghịch lí cặp song sinh cho một ‘con một’ lượng tử, và nó đòi hỏi thuyết tương đối tổng quát cũng như cơ học lượng tử. Một sự chồng lấn như vậy giữa hai lí thuyết chưa từng được khảo sát trong thí nghiệm tính cho đến nay” – phát biểu của Magdalena Zych, tác giả đứng tên đầu nhóm của bài báo. Vì thế, nó là đề xuất đầu tiên cho một thí nghiệm cho phép kiểm tra khái niệm thời gian tương tính tổng quát chung với sự bổ sung lượng tử.

Tham khảo: "Quantum interferometric visibility as a witness of general relativistic proper time". M. Zych, F. Costa, I. Pikovski und C. Brukner. DOI: 10.1038/ncomms1498

Nguồn: Đại học Vienna

Mời đọc thêm