Trong số bốn lực cơ bản chi phối toàn bộ vũ trụ, lực hấp dẫn (hay trọng lực) là yếu tố mà con người có thể cảm nhận trực tiếp và liên tục nhất trong đời sống hàng ngày. Chính lực hấp dẫn là sợi dây vô hình giữ chân chúng ta trên mặt đất và duy trì quỹ đạo của Trái Đất xung quanh Mặt Trời.
Tuy nhiên, một nghịch lý lớn đang tồn tại trong nền vật lý hiện đại: các nhà khoa học vẫn chưa thể xác định chính xác cường độ tuyệt đối của lực này. Kể từ những năm 1980, giới nghiên cứu toàn cầu đã thực hiện hơn mười phép đo quy mô lớn để tính toán giá trị của hằng số hấp dẫn. Điều đáng nói là rất nhiều con số được công bố trong số đó lại mâu thuẫn trực tiếp và phủ quyết lẫn nhau.
Các nhà khoa học đã có khái niệm chung về sức mạnh của trọng lực, nhưng vẫn chưa thể xác định chính xác giá trị của lực cơ bản này. (Nguồn: AscentXmedia/Getty Images)
Nghịch lý từ một lực cơ bản nhưng quá yếu ớt
Nguyên nhân cốt lõi khiến việc xác định cường độ lực hấp dẫn trở nên cực kỳ gian nan nằm ở bản chất vật lý của nó: đây là lực yếu nhất trong các lực cơ bản. Chúng ta chỉ cảm thấy lực hấp dẫn mạnh mẽ vì đang chịu lực hút tổng hợp từ toàn bộ khối lượng khổng lồ của Trái Đất. Ngược lại, lực hấp dẫn tĩnh giữa hai vật thể thông thường trong cuộc sống hàng ngày - hoặc giữa các thiết bị kỹ thuật đặt vừa trong phòng thí nghiệm - lại vô cùng nhỏ bé và dễ bị nhiễu loạn.
Tiến sĩ Stephan Schlamminger, nhà vật lý thuộc Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mỹ (NIST), giải thích: "Lực hấp dẫn rất yếu, và thách thức lớn là bạn buộc phải tiến hành đo đạc nó ngay trong bối cảnh trường hấp dẫn của Trái Đất đang bao trùm. Để đo lực hấp dẫn, chúng ta phải sử dụng các vật thể thông thường vì đó là những vật thể duy nhất ta biết rõ khối lượng. Về cơ bản, bạn phải đưa hai khối lượng được kiểm soát cực kỳ nghiêm ngặt lại gần nhau trong phòng thí nghiệm và tìm cách đo lực hút siêu nhỏ phát sinh giữa chúng".
Để minh chứng cho sự tinh vi này, trong một nghiên cứu vào tháng 4 năm nay, Tiến sĩ Schlamminger và các đồng nghiệp đã tái dựng một thí nghiệm chuẩn hóa nhằm xác định lại hằng số hấp dẫn. Nhóm nghiên cứu đã phải sử dụng tới 13 tấn (tương đương 12 tấn mét) thủy ngân lỏng làm khối lượng tương tác nhằm tạo ra trường hấp dẫn lớn nhất có thể trong điều kiện nhân tạo.
Tuy nhiên, ngay cả với khối lượng khổng lồ đó, Tiến sĩ Schlamminger cho biết sự thay đổi trong trường hấp dẫn thu được vẫn chỉ bằng một phần triệu so với sự thay đổi của lực hấp dẫn cục bộ tại bề mặt Trái Đất. Kết quả phép đo của nhóm đạt giá trị 6.67387x10-11 m3kg-1s-2, thấp hơn 0,0235% so với các dữ liệu được thừa nhận trước đó. Đây là một tỷ lệ lệch nhỏ đến mức vô hại trong đời sống thông thường, nhưng lại là một khoảng cách mênh mông, gây chấn động trong ngành đo lường học.
Nhận định về độ khó của các thí nghiệm này, Tiến sĩ Christian Rothleitner, nhà vật lý tại Viện Đo lường Quốc gia Đức (PTB) - người từng đồng tác giả một bài đánh giá toàn diện về các phép đo trọng lực vào năm 2017, chia sẻ: "Lực tác động siêu nhỏ này phải được xác định chính xác đến sáu chữ số thập phân trở lên. Về mặt trực quan, điều này tương đương với việc bạn đang cố gắng đo chính xác trọng lượng của chỉ 7 tế bào con người".
Công thức "PEP" giải mã những sai lệch trong phòng thí nghiệm
Một điểm kỳ lạ là mỗi phòng thí nghiệm khi công bố kết quả đều báo cáo một biên độ sai số rất nhỏ, chứng tỏ họ rất tự tin vào độ chính xác của mình. Thế nhưng, các khoảng sai số của các thí nghiệm khác nhau lại hoàn toàn tách biệt và không hề chồng chéo lên nhau. Để giải thích cho hiện tượng mâu thuẫn này, Tiến sĩ Schlamminger đã đúc kết thành một thuật ngữ viết tắt mang tên "PEP", đại diện cho ba khía cạnh cấu thành: Vật lý (Physics), Kỹ thuật (Engineering) và Tâm lý học (Psychology).
Chữ "P" đầu tiên - Vật lý - mở ra một giả thuyết mang tính vĩ mô: Có thể tồn tại một số quy luật hoặc yếu tố vật lý mới mà khoa học hiện đại chưa hiểu hết. Tương tự như cách Thuyết tương đối tổng quát của Albert Einstein từng mở rộng và thay thế định luật vạn vật hấp dẫn của Newton, giới vật lý lý thuyết không loại trừ khả năng hằng số hấp dẫn thực chất biến thiên dưới một tác động của một trường lực chưa được khám phá. Tuy nhiên, chính Schlamminger cũng thừa nhận đây là một khả năng khá xa vời.
Yếu tố thứ hai là "E" - Kỹ thuật - nhận được nhiều sự đồng thuận hơn từ các chuyên gia. Mỗi phòng thí nghiệm trên thế giới đều áp dụng các thiết lập phần cứng khác nhau. Một số nơi sử dụng cân xoắn - thiết bị nhạy cảm có khả năng phát hiện lực nhỏ bằng cách đo độ xoắn của một sợi dây siêu mảnh. Trong khi đó, các cơ sở khác lại sử dụng hệ thống con lắc hoặc đo đạc các vật thể rơi tự do. Mỗi phương pháp công nghệ này đều tự sản sinh ra các nguồn sai số hệ thống riêng biệt, và việc bóc tách các sai số này ra khỏi tín hiệu hấp dẫn thực tế là điều cực kỳ phức tạp.
Đồng tình với quan điểm công nghệ, Tiến sĩ Christian Rothleitner nhận định: " Cá nhân tôi không tin nguyên nhân nằm ở bản chất vật lý mới, mà hoàn toàn do giới hạn của công nghệ đo lường. Một thí nghiệm như vậy đòi hỏi kiến thức chuyên môn cực kỳ sâu rộng ở rất nhiều nhánh vật lý và kỹ thuật vi cơ điện tử khác nhau. Không một ai có thể là chuyên gia xuất sắc trong tất cả các lĩnh vực đó. Loại phép đo này hiện đang nằm ở đỉnh cao tối thượng của khoa học đo lường" . Bên cạnh đó, sai số do thao tác kỹ thuật của con người cũng là một biến số không thể bỏ qua.
Chữ "P" cuối cùng trong công thức của Schlamminger thuộc về Tâm lý học, và đây được xem là nguyên nhân có khả năng cao nhất dẫn đến các số liệu vênh nhau. "Có một động lực vô hình thúc đẩy các nhà nghiên cứu đưa ra biên độ sai số báo cáo cực kỳ nhỏ, bởi vì biên độ sai số càng nhỏ thì công trình của họ càng có giá trị cao và dễ trở nên nổi tiếng trong giới khoa học. Dưới áp lực của danh tiếng, các tính toán về sai số hệ thống vô tình bị bóp nghẹt xuống mức quá thấp, dẫn đến việc kết quả của các bên không thể khớp được với nhau" , Schlamminger thẳng thắn nhìn nhận.
Cấu trúc không thời gian là một khái niệm then chốt trong thuyết tương đối rộng, vì cấu trúc này có thể bị biến dạng bởi trọng lực. (Nguồn: Shutterstock)
Giá trị thực tế và vùng đất chưa được khám phá
Mặc dù việc tìm kiếm một con số tuyệt đối cho hằng số hấp dẫn G đang bế tắc, giới khoa học thừa nhận điều này không gây ảnh hưởng lớn đến đời sống hay các ngành kỹ thuật ứng dụng. Trong thực tế, các nhà khoa học vũ trụ chỉ cần sử dụng tích số của hằng số hấp dẫn G nhân với khối lượng Trái Đất - một đại lượng được đo đạc chính xác hơn rất nhiều - là đã đủ để tính toán quỹ đạo phóng tên lửa, vận hành vệ tinh hay thám hiểm không gian.
Tiến sĩ Rothleitner khẳng định: " Giá trị của hằng số hấp dẫn Newton hiện tại phần lớn chỉ mang ý nghĩa lý thuyết thuần túy. Nếu nó thực sự gây ra những ảnh hưởng tiêu cực đến các ngành công nghệ thực tế, các quốc gia chắc chắn đã đổ thêm nhiều nguồn lực tài chính lớn hơn để ép buộc phải xác định nó một cách chính xác hơn".
Tuy nhiên, đối với những nhà khoa học tâm huyết, rào cản này lại là một chương hấp dẫn của hành trình khám phá. Tiến sĩ Schlamminger bày tỏ sự lạc quan: "Chúng ta đang sống trong một xã hội nơi mọi người thường lầm tưởng rằng mọi thứ trên thế giới đều đã được khám phá hết và khoa học đã đi đến hồi kết. Nhưng nếu nhìn kỹ vào bản chất, vẫn còn những vùng đất hoàn toàn hoang sơ ngay trong các định luật căn bản nhất. Lực hấp dẫn chính là một trong những bài toán như thế - một vấn đề tuy nhỏ đối với ứng dụng thực tế nhưng lại là đỉnh cao lý thuyết kích thích sự tò mò của nhân loại".
