Một Lý thuyết Thống nhất về Mọi thứ là tâm điểm của vật lý, nhưng trọng lực không chịu hợp tác. Bây giờ, một lý thuyết mới đề xuất cố gắng hòa nhập lý thuyết về trọng lực của Einstein với cơ học lượng tử – và quan trọng là, chỉ ra một cách để kiểm tra thực nghiệm.
Trong thế kỷ qua, cơ học lượng tử đã làm một công việc xuất sắc trong việc mô tả thế giới ở quy mô siêu nhỏ của các hạt và nguyên tử. Nó bao gồm ba trong bốn lực căn bản của vũ trụ – điện từ và lực hạt nhân mạnh và yếu. Nhưng mặc dù đã được nhiều tâm huyết từ những tâm hồn sáng tạo nhất, các nhà khoa học vẫn không thể thu gọn được cột mốc thứ tư đó: trọng lực.
Đến nay, mô hình chính xác nhất mô tả trọng lực vẫn là lý thuyết tổng quát của Einstein. Nó khẳng định rằng trọng lực mà chúng ta cảm nhận và quan sát là một loại phản ứng phụ của cấu trúc không gian thời gian và các khối lượng đặt trên đó. Hình dung nó như một tấm đàn hồi với một quả cầu bowling đặt lên đó – trọng lượng của quả cầu tạo ra một gờ trên tấm. Ở ngoài vũ trụ, “tấm” là không gian thời gian và “quả cầu bowling” là một vật thể khối lượng lớn như một ngôi sao. Nếu sau đó bạn đặt một quả bóng nhỏ trên tấm, nó sẽ lăn xuống gờ theo hướng của quả cầu lớn, tương tự như cách chúng ta trải nghiệm trọng lực. Hoặc, nếu bạn lăn một quả bóng tennis với đủ tốc độ, nó sẽ quay quanh gờ đó giống như Trái Đất quay quanh Mặt Trời.
Các lý thuyết về trọng lực này đã tồn tại qua mọi thử nghiệm mà các nhà khoa học đã thực hiện trong suốt 100 năm qua. Trên thực tế, những phát hiện mới liên tục xác nhận những dự đoán của nó, như phát hiện sóng hấp dẫn vào năm 2015.
Vấn đề là câu chuyện này không kết hợp tốt với ba lực căn bản khác. Mỗi lực đó có thể được mô tả khá gọn gàng bằng cơ học lượng tử, với các tương tác được truyền đạt bởi các hạt mang lực đặc biệt. Ví dụ, photon là hạt mang lực cho lực điện từ. Do đó, các nhà khoa học đã nghịch lý với các lý thuyết về “trọng lực lượng tử” và tìm kiếm hạt mang lực giả định của nó, được đặt tên là “graviton”, nhưng tất cả các thử nghiệm cho đến nay đều không mang lại kết quả.
Thậm chí thì không gian thời gian chính nó cũng cần phải được “lượng tử hóa,” hoặc phân tách thành các phần thành. Đây là điều mà lý thuyết dây nổi tiếng cố gắng làm, cũng như lý thuyết trọng lực vòng lặp, hiện được coi là một ứng cử viên hàng đầu. Nhưng một lần nữa, cả hai khái niệm này đều không dường như phù hợp bằng lý thuyết của Einstein.
Một nghiên cứu mới theo hướng ngược lại – Giáo sư Jonathan Oppenheim từ Đại học London (UCL) đề xuất rằng không gian thời gian cuối cùng theo cơ học lượng tử, và thay vào đó, đó là lý thuyết lượng tử cần phải được sửa đổi. Anh gọi đó là “một lý thuyết sau lượng tử về trọng lực cổ điển.”
Đơn giản, Oppenheim kết hợp cùng nhau các hệ thống cổ điển và lượng tử một cách sao cho mỗi hệ thống đều được bảo toàn. Ví dụ, hệ thống cổ điển vẫn ngăn chặn truyền thông với tốc độ nhanh hơn ánh sáng, trong khi nguyên lý không chắc chắn vẫn không bị vi phạm trong hệ thống lượng tử. Einstein thích mọi thứ đều xác định – đó là, nếu bạn có đủ thông tin về một hệ thống, bạn có thể lấy trạng thái hiện tại của nó và tính toán bất kỳ trạng thái cụ thể nào ở quá khứ hoặc tương lai. Nhưng lý thuyết lai này không hoạt động như vậy – thay vào đó, bạn chỉ có thể tính toán xác suất của một trạng thái cụ thể xảy ra trong tương lai.
Lý thuyết dự đoán một số điều hấp dẫn có thể làm nổi giận nhiều nhà vật lý. Ví dụ, nó cho rằng lỗ đen có thể phá hủy thông tin lượng tử – điều mà theo lý thuyết lượng tử là không thể. Điều này có thể là đủ để một số người từ chối hoàn toàn lý thuyết này.
Tuy nhiên, quan trọng nhất là có cách thử nghiệm để kiểm tra lý thuyết sau lượng tử về trọng lực cổ điển này. Nếu không gian thời gian là cổ điển, nó sẽ trải qua các dao động ngẫu nhiên, điều này có thể thay đổi khối lượng của các đối tượng một cách rất nhỏ theo thời gian. Một thử nghiệm mà nhóm nghiên cứu đề xuất là đo lường một đối tượng rất chính xác – như Mẫu quốc tế của Kilogram – có thể tiết lộ liệu không gian thời gian có tính cổ điển hay lượng tử hay không.
“Trong cả trọng lực lượng tử và trọng lực cổ điển, không gian thời gian phải trải qua các dao động ngẫu nhiên và bạo lực xung quanh chúng ta, nhưng trên một quy mô mà chúng ta chưa thể phát hiện được,” Zach Weller-Davies, cộng tác viên của nghiên cứu nói. “Nhưng nếu không gian thời gian là cổ điển, các dao động phải lớn hơn một quy mô nhất định, và quy mô này có thể được xác định bằng một thí nghiệm khác nơi chúng ta kiểm tra xem chúng ta có thể giữ một nguyên tử nặng ở trong trạng thái siêu vị thế ở hai vị trí khác nhau trong thời gian bao lâu.”
Có khả năng rằng lý thuyết mới này sẽ không được chấp nhận rộng rãi ngay lập tức, nếu có bao giờ, nhưng nó ít nhất cung cấp một cách tiếp cận mới hấp dẫn về trọng lực và không gian thời gian. Những thí nghiệm này có thể nhanh chóng loại bỏ nó, đưa nó vào khu vực nghĩa địa khổng lồ của các ý tưởng khoa học kỳ lạ mà lịch sử đang rải đầy – hoặc nó có thể trở thành điều cơ bản như lý thuyết của Einstein.