Trọng Lực Cổ Điển Có Thể Gây Rối Lượng Tử Giữa Các Hạt Khối Lượng Lớn: Đánh Thức Giả Định Nền Tảng

Một khám phá khoa học đột phá, được công bố trên tạp chí danh tiếng Nature, đang mở ra những chân trời mới trong việc thấu hiểu các tương tác cơ bản của tự nhiên, thách thức sự phân tách lâu đời giữa cơ học lượng tử và lý thuyết hấp dẫn cổ điển. Nghiên cứu này đưa ra luận điểm gây chấn động: trường hấp dẫn cổ điển, theo mô tả của Thuyết Tương Đối Rộng Einstein, có khả năng tạo ra sự rối lượng tử giữa các hạt có khối lượng đáng kể.

Phát hiện này giáng một đòn mạnh vào các đề xuất thực nghiệm đã được xây dựng trong nhiều thập kỷ, vốn dựa trên thí nghiệm tưởng tượng nổi tiếng của Richard Feynman từ năm 1957. Feynman đã hình dung một kịch bản trong đó một vật thể được đặt trong trạng thái chồng chập lượng tử của hai vị trí, và nếu sự rối lượng tử xảy ra do tương tác hấp dẫn, đó sẽ là bằng chứng không thể chối cãi cho thấy lực hấp dẫn vận hành theo cơ học lượng tử. Tuy nhiên, nghiên cứu mới, được thực hiện bởi các nhà vật lý như Joseph Aziz và Richard Howl, cho thấy rằng sự rối lượng tử không còn là dấu hiệu “độc nhất vô nhị” của hấp dẫn lượng tử như người ta từng tin.

Cốt lõi của sự thay đổi quan điểm này nằm ở việc mở rộng tương tác hấp dẫn vào khuôn khổ đầy đủ của lý thuyết trường lượng tử. Các nhà nghiên cứu đã tính toán rằng trường hấp dẫn cổ điển, khi kết hợp với vật chất lượng tử, có thể truyền thông tin lượng tử và tạo ra sự rối thông qua các quá trình vật lý liên quan đến các hạt ảo. Sự rối này nảy sinh từ các bộ truyền lan ảo của vật chất, khác biệt so với các bộ truyền lan ảo của graviton (hạt truyền tải lực hấp dẫn) thường được liên kết với lý thuyết hấp dẫn lượng tử. Điều này đặt ra câu hỏi sâu sắc hơn về bản chất của sự thống nhất: liệu sự rối lượng tử có nhất thiết đòi hỏi các trường hấp dẫn phải lượng tử hóa hay không?

Các nhà khoa học hiện đang nhận ra rằng việc quan sát sự rối đơn thuần có thể không còn là bằng chứng quyết định cho hấp dẫn lượng tử như đã từng kỳ vọng. Các công trình bổ sung, như đề xuất của Lin-Qing Chen và Flaminia Giacomini, đang đề xuất các quy trình thực nghiệm thay thế sử dụng các vật thể lượng tử phi định xứ để xác định các dấu hiệu đặc trưng của lý thuyết hấp dẫn lượng tử. Những phát hiện này có ý nghĩa sâu sắc đối với các thí nghiệm trên bàn thí nghiệm đang được tiến hành bởi các nhóm nghiên cứu, bao gồm cả những người đứng đầu là Markus Aspelmeyer tại Đại học Vienna và Sougato Bose tại University College London, những người đang nỗ lực phát hiện trường hấp dẫn từ các khối lượng ngày càng nhỏ hơn để kiểm tra bản chất lượng tử của lực hấp dẫn.

Mặc dù mục tiêu thống nhất hai trụ cột của vật lý – cơ học lượng tử cho thế giới vi mô và thuyết tương đối rộng cho thế giới vĩ mô – vẫn còn đó, sự phức tạp mới này đòi hỏi một sự điều chỉnh tinh tế trong cách diễn giải các kết quả thực nghiệm. Sự tương đồng giữa lực hấp dẫn và lực điện từ, vốn đã được biết đến từ những năm 1920, nay lại được xem xét dưới lăng kính mới, nơi các tương tác tưởng chừng như cổ điển lại có thể tạo ra các hiệu ứng lượng tử tinh vi. Việc nghiên cứu sự rối do hấp dẫn gây ra, đôi khi được gọi là QGEM (Quantum Gravity-Induced Entanglement of Masses), là một chiến lược mới để kiểm tra bản chất của lực hấp dẫn ở mức năng lượng thấp. Các nhà nghiên cứu cũng lưu ý rằng các hiệu ứng môi trường và chính các hạt có thể gây ra sự mất kết hợp lượng tử (decoherence), làm suy giảm sự rối do hấp dẫn tạo ra. Sự khám phá này là một bước ngoặt, mời gọi sự tập trung mạnh mẽ hơn vào các tham số thực nghiệm cụ thể, chẳng hạn như khối lượng và thời gian thí nghiệm, để có thể phân biệt được các cơ chế rối lượng tử cổ điển và lượng tử.