Dù đã thực hiện hàng chục thí nghiệm trong nhiều thập niên, các nhà khoa học vẫn chưa xác định được chính xác giá trị của hằng số hấp dẫn G - đại lượng mô tả độ mạnh của lực hấp dẫn trong tự nhiên.
Lực yếu nhất trong các tương tác cơ bản
Khó khăn đầu tiên nằm ở chỗ lực hấp dẫn là tương tác yếu nhất trong bốn lực cơ bản của tự nhiên. Chúng ta cảm nhận rõ tác động của lực hấp dẫn vì luôn chịu ảnh hưởng từ khối lượng khổng lồ của Trái Đất. Tuy nhiên, lực hút hấp dẫn giữa hai vật thể thông thường trong đời sống hay trong phòng thí nghiệm lại cực kỳ nhỏ.
Giáo sư Stephan Schlamminger, nhà vật lý tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mỹ (NIST), cho biết việc đo lực hấp dẫn phải được thực hiện trên nền trường hấp dẫn vốn đã tồn tại của Trái Đất. Trong phòng thí nghiệm, các nhà khoa học phải sử dụng hai vật có khối lượng được xác định chính xác, đặt chúng gần nhau rồi đo lực hút hấp dẫn rất nhỏ giữa chúng.
Tháng 4 năm nay, nhóm của Giáo sư Schlamminger công bố kết quả một thí nghiệm mới nhằm xác định giá trị của hằng số hấp dẫn G. Để tăng độ chính xác, các nhà nghiên cứu đã sử dụng tới 13 tấn thủy ngân. Tuy vậy, theo ông, sự thay đổi của trường hấp dẫn tạo ra trong thí nghiệm chỉ tương đương khoảng một phần triệu so với trường hấp dẫn cục bộ của Trái Đất.
Nhóm nghiên cứu xác định hằng số hấp dẫn G có giá trị 6,67387 × 10⁻¹¹m³/kg/s², thấp hơn khoảng 0,0235% so với kết quả đo trước đó. Dù mức chênh lệch này gần như không có ý nghĩa trong đời sống hằng ngày, nó lại rất đáng chú ý trong lĩnh vực đo lường chính xác.
Tiến sĩ Christian Rothleitner, nhà vật lý tại Viện Đo lường Quốc gia Đức, cho biết độ chính xác mà các nhà khoa học theo đuổi là cực kỳ khắt khe. "Lực hấp dẫn cần được xác định chính xác đến sáu chữ số thập phân hoặc hơn. Điều đó tương đương với việc cố gắng đo một khối lượng chỉ bằng khoảng trọng lượng của 7 tế bào người", ông nói.
Ba nguyên nhân có thể gây ra sai khác
Một cách giải thích cho sự khác biệt giữa các kết quả là mọi phép đo đều chứa sai số và giá trị thực có thể nằm đâu đó trong khoảng giữa các kết quả này. Tuy nhiên, vấn đề nằm ở chỗ các nhóm nghiên cứu đều công bố biên độ sai số rất nhỏ, trong khi các khoảng sai số đó lại không chồng lấp lên nhau.
Theo Giáo sư Schlamminger, có ba nhóm nguyên nhân có thể giải thích hiện tượng này: vật lý, kỹ thuật và yếu tố con người. Khả năng đầu tiên liên quan đến vật lý học. Có thể vẫn tồn tại một số hiện tượng hoặc quy luật chưa được hiểu đầy đủ, tương tự cách thuyết tương đối tổng quát từng mở rộng hiểu biết của nhân loại về lực hấp dẫn. "Tôi cho rằng đây là khả năng khá xa vời, nhưng không nên hoàn toàn loại trừ", ông nói.
Khả năng thứ hai liên quan đến kỹ thuật đo lường. Mỗi nhóm nghiên cứu sử dụng một hệ thống thí nghiệm khác nhau nên có thể phát sinh các nguồn sai số riêng. Một số thí nghiệm sử dụng cân xoắn để đo những lực cực nhỏ thông qua độ xoắn của sợi dây mảnh. Những nghiên cứu khác lại sử dụng con lắc hoặc các vật rơi tự do. Mỗi phương pháp đều có những hạn chế và nguồn sai số tiềm tàng riêng, rất khó tách biệt khỏi tín hiệu hấp dẫn cần đo.
"Cá nhân tôi cho rằng nguyên nhân chủ yếu nằm ở công nghệ đo lường chứ không phải ở vật lý học", Tiến sĩ Rothleitner nhận định. Ông cũng cho biết các thí nghiệm kiểu này đòi hỏi kiến thức chuyên sâu ở nhiều lĩnh vực khác nhau, từ vật lý, cơ học đến khoa học đo lường chính xác. "Không ai có thể là chuyên gia trong mọi lĩnh vực. Đây là một trong những dạng phép đo phức tạp nhất của khoa học đo lường hiện đại", ông nói.
Khả năng thứ ba liên quan đến yếu tố con người. Theo Giáo sư Schlamminger, áp lực đạt được kết quả có độ chính xác cao đôi khi có thể khiến các nhóm nghiên cứu đánh giá biên độ sai số lạc quan hơn thực tế. Nếu điều đó xảy ra, các khoảng sai số được công bố có thể nhỏ hơn mức cần thiết, dẫn tới việc các kết quả không khớp với nhau.
Dù vậy, việc chưa xác định được chính xác hằng số hấp dẫn G hiện chưa gây trở ngại đáng kể cho các ứng dụng thực tiễn. Các nhà khoa học vẫn có đủ dữ liệu để tính toán quỹ đạo vệ tinh, điều khiển tàu vũ trụ hay thực hiện các nhiệm vụ không gian. Tuy nhiên, việc tiếp tục truy tìm giá trị chính xác của hằng số này vẫn có ý nghĩa quan trọng đối với vật lý cơ bản.
Chúng ta đã có thể đưa tàu thăm dò ra ngoài Hệ Mặt Trời, phát hiện sóng hấp dẫn và quan sát các hố đen cách Trái Đất hàng tỷ năm ánh sáng. Thế nhưng, giá trị chính xác của một trong những hằng số cơ bản nhất của tự nhiên vẫn là câu hỏi chưa có lời giải trọn vẹn. Với các nhà khoa học, đó không chỉ là một bài toán đo lường. Mỗi phép đo mới đều có thể giúp phát hiện những giới hạn trong các lý thuyết hiện tại hoặc mở ra cách hiểu mới về cách vũ trụ vận hành. Và chính những khoảng trống tưởng chừng rất nhỏ ấy vẫn đang thôi thúc khoa học tiếp tục tiến về phía trước.
