Thuyết tương đối đặc biệt lại vượt qua một kiểm tra quan trọng
Các nhà khoa học nghiên cứu bức xạ phát ra từ một vụ bùng phát tia gamma ở xa vừa tìm thấy tốc độ ánh sáng không biến thiên theo bước sóng xuống tới cỡ khoảng cách dưới chiều dài Planck. Họ nói kết quả này không ủng hộ cho những lí thuyết nhất định của sự hấp dẫn lượng tử yêu cầu phải vi phạm bất biến Lorentz.
Kính thiên văn vũ trụ Tia gamma Fermi của NASA. (Ảnh: NASA)
Bất biến Lorentz quy định rằng các định luật vật lí phải như nhau đối với mọi nhà quan sát, bất kể họ ở nơi nào trong vũ trụ. Einstein đã sử dụng nguyên lí này làm một tiên đề của thuyết tương đối đặc biệt, giả sử rằng tốc độ ánh sáng trong chân không không phụ thuộc vào ai đang đo nó, miễn chừng nào người đó ở trong một hệ quy chiếu quán tính.
Thống nhất vũ trụ với lượng tử
Hơn 100 năm qua, bất biến Lorentz chưa bao giờ bị vi phạm. Tuy nhiên, các nhà vật lí liên tục mang nó ra trước những phép kiểm tra ngày càng nghiêm ngặt hơn, kể cả các phiên bản hiện đại của thí nghiệm giao thoa kế Michelson–Morley nổi tiếng. Xu hướng ưu ái chính xác này chủ yếu phát sinh từ mong muốn của các nhà vật lí muốn hợp nhất cơ học lượng tử với thuyết tương đối rộng, biết rằng một số lí thuyết của sự hấp dẫn lượng tử - trong đó có lí thuyết dây và lí thuyết hấp dẫn lượng tử vòng – hàm ý rằng bất biến Lorentz phải bị phá vỡ. Đặc biệt, những lí thuyết này cho phép khả năng bất biến ấy không còn giữ vai trò gì ở gần chiều dài Planck nhỏ xíu – khoảng 10^-33 cm – vì ở cỡ khoảng cách này, các hiệu ứng lượng tử ảnh hưởng mạnh lên bản chất của không-thời gian.
Người ta không thể nào kiểm tra cơ sở vật lí ở chiều dài Planck một cách trực tiếp vì chiều dài này tương ứng với năng lượng khoảng 10^19 gigaelectronvolt – vượt xa khỏi tầm với của các máy gia tốc hạt (cỗ máy mạnh nhất trong số này, Máy Va chạm Hadron Lớn của CERN, sẽ tạo ra các năng lượng va chạm khoảng 104 gigaelectronvolt). Tuy nhiên, nghiên cứu mới nhất này, được thực hiện bởi một chương trình hợp tác của các nhà vật lí dưới sự lãnh đạo của Jonathan Granot thuộc trường Đại học Hertfordshire ở Anh, đã mang lại một phép kiểm tra gián tiếp bất biến Lorentz ở thang bậc Planck.
Granot và các cộng sự đã nghiên cứu bức xạ phát ra từ một vụ bùng phát tia gamma – đi cùng với vụ nổ năng lượng cao trong một thiên hà ở xa – do Kính thiên văn vũ trụ tia gamma Fermi của NASA ghi được vào hôm 10 tháng 5 của năm nay. Họ đã phân tích bức xạ ở những bước sóng khác nhau để xem có bất kì dấu hiệu nào cho thấy các photon với những năng lượng khác nhau đi đến detector của kính thiên văn Fermi ở thời điểm khác nhau hay không. Một sự phân trải thời gian tới như thế sẽ cho thấy bất biến Lorentz thật sự bị vi phạm; nói cách khác thì tốc độ của ánh sáng trong chân không phụ thuộc vào năng lượng của ánh sáng đó và không phải là một hằng số chung phố quát. Bất kì sự phụ thuộc năng lượng nào cũng sẽ là nhỏ nhưng vẫn có thể thu được ở dạng một sự chênh lệch có thể đo được ở thời điểm photon tới do các vụ nổ tia gamma ở cách xa chúng ta hàng tỉ năm ánh sáng.
Đội Fermi đã sử dụng hai phép phân tích dữ liệu tương đối độc lập để đi đến kết luận rằng bất biến Lorentz không bị vi phạm. Một là dò tìm một photon năng lượng cao chưa tới một giây sau khi bùng phát vụ nổ, và hai là sự tồn tại của các cực đại nhọn đặc trưng trong sự tiến triển của đợt bùng phát thay vì sự nhòe công suất của nó như trông đợi nếu có sự phân bố tốc độ photon. Các nhà nghiên cứu đi đến kết quả vô hiệu tương tự khi nghiên cứu bức xạ phát ra từ một đợt bùng phát tia gamma phát hiện hồi tháng 9 năm ngoái, nhưng chỉ có thể đạt tới khoảng một phần mười của năng lượng Planck. Điều quan trọng là khoảng thời gian ngắn hơn và cấu trúc thời gian mịn hơn nhiều của đợt bùng phát tia gamma mới này đưa kết quả vô hiệu này đến ít nhất bằng 12 lần năng lượng Planck.
Ràng buộc đối với lí thuyết hấp dẫn lượng tử
Theo Granot, những kết quả này “hết sức không tán thành” các lí thuyết hấp dẫn lượng tử trong đó tốc độ của ánh sáng biến thiên tuyến tính theo năng lượng photon, bao gồm cả một số biến thể của lí thuyết dây hoặc lí thuyết hấp dẫn lượng tử vòng. “Tôi không sử dụng từ ‘bác bỏ’, ông nói, “vì đa số mô hình không có tiên đoán chính xác cho cỡ năng lượng đi cùng với sự vi phạm này của bất biến Lorentz. Tuy nhiên, nhu cầu quan sát của chúng tôi là một cỡ năng lượng cao hơn năng lượng Planck như thế sẽ làm cho các mô hình như vậy trở nên gượng ép”.
Granot nói cần có thêm những phép đo chính xác hơn nữa để khảo sát thang bậc Planck đối với các lí thuyết đưa ra một sự phụ thuộc bậc hai hoặc cao hơn của tốc độ ánh sáng vào năng lượng photon. Ông cũng chỉ rõ rằng phương pháp của nhóm ông chỉ khảo sát một trong một số hiệu ứng có thể có của sự vi phạm bất biến Lorentz, và những ràng buộc cực kì chính xác trên sự vi phạm này thu được bằng cách nghiên cứu sự độc lập có thể có của tốc độ ánh sáng đối với sự phân cực photon từ tia X phát ra bởi tinh vân Con cua. Nhưng ông bổ sung thêm rằng giới hạn mới thiết đặt của nhóm ông là chính xác nhất đối với sự phụ thuộc năng lượng đơn giản.
Giovanni Amelino-Camelia ở trường Đại học Rome La Sapienza thì tin rằng công trình mới nhất này hướng tới sự xuất hiện của lĩnh vực hiện tượng học hấp dẫn lượng tử, với cuối cùng thì các nhà vật lí có thể đệ trình các lí thuyết hấp dẫn lượng tử với một số loại kiểm tra thực nghiệm. “Tự nhiên, với những phương thức khéo léo vô cùng của nó, có lẽ đã luận ra cách thức lượng tử hóa không-thời gian mà không cần thuyết tương đối tác động. Nhưng ngay cả một cơ hội mong manh nhất của việc đang ở trên bờ dốc của một cuộc cách mạng mới cũng thật sự hào hứng”, ông nói.
Theo physicsworld.com
Các nhà khoa học nghiên cứu bức xạ phát ra từ một vụ bùng phát tia gamma ở xa vừa tìm thấy tốc độ ánh sáng không biến thiên theo bước sóng xuống tới cỡ khoảng cách dưới chiều dài Planck. Họ nói kết quả này không ủng hộ cho những lí thuyết nhất định của sự hấp dẫn lượng tử yêu cầu phải vi phạm bất biến Lorentz.
Kính thiên văn vũ trụ Tia gamma Fermi của NASA. (Ảnh: NASA)
Bất biến Lorentz quy định rằng các định luật vật lí phải như nhau đối với mọi nhà quan sát, bất kể họ ở nơi nào trong vũ trụ. Einstein đã sử dụng nguyên lí này làm một tiên đề của thuyết tương đối đặc biệt, giả sử rằng tốc độ ánh sáng trong chân không không phụ thuộc vào ai đang đo nó, miễn chừng nào người đó ở trong một hệ quy chiếu quán tính.
Thống nhất vũ trụ với lượng tử
Hơn 100 năm qua, bất biến Lorentz chưa bao giờ bị vi phạm. Tuy nhiên, các nhà vật lí liên tục mang nó ra trước những phép kiểm tra ngày càng nghiêm ngặt hơn, kể cả các phiên bản hiện đại của thí nghiệm giao thoa kế Michelson–Morley nổi tiếng. Xu hướng ưu ái chính xác này chủ yếu phát sinh từ mong muốn của các nhà vật lí muốn hợp nhất cơ học lượng tử với thuyết tương đối rộng, biết rằng một số lí thuyết của sự hấp dẫn lượng tử - trong đó có lí thuyết dây và lí thuyết hấp dẫn lượng tử vòng – hàm ý rằng bất biến Lorentz phải bị phá vỡ. Đặc biệt, những lí thuyết này cho phép khả năng bất biến ấy không còn giữ vai trò gì ở gần chiều dài Planck nhỏ xíu – khoảng 10^-33 cm – vì ở cỡ khoảng cách này, các hiệu ứng lượng tử ảnh hưởng mạnh lên bản chất của không-thời gian.
Người ta không thể nào kiểm tra cơ sở vật lí ở chiều dài Planck một cách trực tiếp vì chiều dài này tương ứng với năng lượng khoảng 10^19 gigaelectronvolt – vượt xa khỏi tầm với của các máy gia tốc hạt (cỗ máy mạnh nhất trong số này, Máy Va chạm Hadron Lớn của CERN, sẽ tạo ra các năng lượng va chạm khoảng 104 gigaelectronvolt). Tuy nhiên, nghiên cứu mới nhất này, được thực hiện bởi một chương trình hợp tác của các nhà vật lí dưới sự lãnh đạo của Jonathan Granot thuộc trường Đại học Hertfordshire ở Anh, đã mang lại một phép kiểm tra gián tiếp bất biến Lorentz ở thang bậc Planck.
Granot và các cộng sự đã nghiên cứu bức xạ phát ra từ một vụ bùng phát tia gamma – đi cùng với vụ nổ năng lượng cao trong một thiên hà ở xa – do Kính thiên văn vũ trụ tia gamma Fermi của NASA ghi được vào hôm 10 tháng 5 của năm nay. Họ đã phân tích bức xạ ở những bước sóng khác nhau để xem có bất kì dấu hiệu nào cho thấy các photon với những năng lượng khác nhau đi đến detector của kính thiên văn Fermi ở thời điểm khác nhau hay không. Một sự phân trải thời gian tới như thế sẽ cho thấy bất biến Lorentz thật sự bị vi phạm; nói cách khác thì tốc độ của ánh sáng trong chân không phụ thuộc vào năng lượng của ánh sáng đó và không phải là một hằng số chung phố quát. Bất kì sự phụ thuộc năng lượng nào cũng sẽ là nhỏ nhưng vẫn có thể thu được ở dạng một sự chênh lệch có thể đo được ở thời điểm photon tới do các vụ nổ tia gamma ở cách xa chúng ta hàng tỉ năm ánh sáng.
Đội Fermi đã sử dụng hai phép phân tích dữ liệu tương đối độc lập để đi đến kết luận rằng bất biến Lorentz không bị vi phạm. Một là dò tìm một photon năng lượng cao chưa tới một giây sau khi bùng phát vụ nổ, và hai là sự tồn tại của các cực đại nhọn đặc trưng trong sự tiến triển của đợt bùng phát thay vì sự nhòe công suất của nó như trông đợi nếu có sự phân bố tốc độ photon. Các nhà nghiên cứu đi đến kết quả vô hiệu tương tự khi nghiên cứu bức xạ phát ra từ một đợt bùng phát tia gamma phát hiện hồi tháng 9 năm ngoái, nhưng chỉ có thể đạt tới khoảng một phần mười của năng lượng Planck. Điều quan trọng là khoảng thời gian ngắn hơn và cấu trúc thời gian mịn hơn nhiều của đợt bùng phát tia gamma mới này đưa kết quả vô hiệu này đến ít nhất bằng 12 lần năng lượng Planck.
Ràng buộc đối với lí thuyết hấp dẫn lượng tử
Theo Granot, những kết quả này “hết sức không tán thành” các lí thuyết hấp dẫn lượng tử trong đó tốc độ của ánh sáng biến thiên tuyến tính theo năng lượng photon, bao gồm cả một số biến thể của lí thuyết dây hoặc lí thuyết hấp dẫn lượng tử vòng. “Tôi không sử dụng từ ‘bác bỏ’, ông nói, “vì đa số mô hình không có tiên đoán chính xác cho cỡ năng lượng đi cùng với sự vi phạm này của bất biến Lorentz. Tuy nhiên, nhu cầu quan sát của chúng tôi là một cỡ năng lượng cao hơn năng lượng Planck như thế sẽ làm cho các mô hình như vậy trở nên gượng ép”.
Granot nói cần có thêm những phép đo chính xác hơn nữa để khảo sát thang bậc Planck đối với các lí thuyết đưa ra một sự phụ thuộc bậc hai hoặc cao hơn của tốc độ ánh sáng vào năng lượng photon. Ông cũng chỉ rõ rằng phương pháp của nhóm ông chỉ khảo sát một trong một số hiệu ứng có thể có của sự vi phạm bất biến Lorentz, và những ràng buộc cực kì chính xác trên sự vi phạm này thu được bằng cách nghiên cứu sự độc lập có thể có của tốc độ ánh sáng đối với sự phân cực photon từ tia X phát ra bởi tinh vân Con cua. Nhưng ông bổ sung thêm rằng giới hạn mới thiết đặt của nhóm ông là chính xác nhất đối với sự phụ thuộc năng lượng đơn giản.
Giovanni Amelino-Camelia ở trường Đại học Rome La Sapienza thì tin rằng công trình mới nhất này hướng tới sự xuất hiện của lĩnh vực hiện tượng học hấp dẫn lượng tử, với cuối cùng thì các nhà vật lí có thể đệ trình các lí thuyết hấp dẫn lượng tử với một số loại kiểm tra thực nghiệm. “Tự nhiên, với những phương thức khéo léo vô cùng của nó, có lẽ đã luận ra cách thức lượng tử hóa không-thời gian mà không cần thuyết tương đối tác động. Nhưng ngay cả một cơ hội mong manh nhất của việc đang ở trên bờ dốc của một cuộc cách mạng mới cũng thật sự hào hứng”, ông nói.
Theo physicsworld.com
