Vì sao hằng số hấp dẫn vẫn khó đo chính xác sau hơn 225 năm?

Sau một thập kỷ đo đạc, nhóm vật lý tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mỹ (NIST) vẫn nhận được giá trị hằng số hấp dẫn không trùng với một kết quả hàng đầu khác. Con số quyết định được giấu trong phong bì niêm kín để người phân tích không biết mình đang tiến gần đáp án nào. Khi mở phong bì, vấn đề không biến mất: lực cần đo quá yếu, còn những ảnh hưởng rất nhỏ của thiết bị và môi trường có thể đủ làm lệch kết quả. [1]

Big G đo điều gì?

Trong định luật hấp dẫn của Newton, lực hút giữa hai vật phụ thuộc vào khối lượng, khoảng cách và hằng số G. Có thể xem G là hệ số đặt thang đo cho mối liên hệ ấy: biết hai khối lượng và khoảng cách, nhà nghiên cứu dùng G để suy ra lực hấp dẫn. Hằng số này được coi là phổ quát, khác với gia tốc hấp dẫn ký hiệu bằng chữ g thường, vốn thay đổi theo thiên thể và vị trí. [1]

Vì vậy, việc G chưa được xác định thật chính xác không có nghĩa các nhà vật lý chưa biết vật rơi như thế nào gần mặt đất. Gia tốc g mô tả tác dụng của một thiên thể lớn lên vật ở gần nó; còn G là đại lượng nằm trong công thức tổng quát cho mọi cặp khối lượng, từ các vật trong phòng thí nghiệm đến những thiên thể cách xa nhau. [1]

Tại sao phép đo khó đến vậy?

Trong đời sống, Trái Đất tạo cảm giác hấp dẫn rất mạnh vì toàn bộ khối lượng của hành tinh cùng tham gia. Phòng thí nghiệm không thể di chuyển một hành tinh để làm thí nghiệm có kiểm soát, nên các nhà nghiên cứu phải đo lực hút giữa những khối vật chất nhỏ hơn Trái Đất rất nhiều. Lực ấy cực kỳ yếu. Một nam châm nhỏ có thể nhấc chiếc kẹp giấy, dễ dàng thắng lực hấp dẫn mà cả Trái Đất tác dụng lên nó. [1]

Khó khăn tiếp theo là nhận diện đúng tín hiệu. Nhiệt độ, áp suất không khí, rung động, vị trí và hình dạng thực của các khối lượng đều có thể ảnh hưởng đến hệ đo. Khi lực cần tìm gần như bị che khuất bởi những tác động phụ, thiết bị nhạy hơn chưa đủ; nhà nghiên cứu còn phải mô tả và hiệu chỉnh các tác động ấy một cách đáng tin cậy. [1]

Cân xoắn biến lực hút thành số đo

Phương pháp được NIST và Cục Cân đo Quốc tế sử dụng có nguồn gốc từ cân xoắn trong thí nghiệm của Henry Cavendish năm 1798. Các khối nhỏ được gắn vào một bộ phận treo bằng sợi hoặc dải kim loại mảnh. Khi những khối lớn đặt gần đó hút chúng, bộ phận treo quay rất nhẹ và làm dải treo xoắn. Mức xoắn cho biết mô-men lực, tức tác dụng khiến vật quay. [1]

Thiết bị hiện đại còn dùng một cách cân bằng điện. Điện cực tạo ra lực tĩnh điện theo hướng ngược với mô-men hấp dẫn. Nhóm nghiên cứu điều chỉnh điện áp cho đến khi hệ không còn quay; điện áp cần thiết trở thành đại lượng để tính G. Cách này chuyển một chuyển động cực nhỏ thành một phép so sánh giữa hai tác dụng có hướng đối lập, nhưng vẫn phụ thuộc vào việc hình học, khối lượng và đặc tính dải treo được xác định đúng. [1]

Phong bì giúp tránh thiên kiến nào?

Patrick Abbott đã trừ một con số bí mật khỏi dữ liệu về khối lượng, còn Stephan Schlamminger và nhóm phân tích không biết phép đo đang dẫn tới giá trị G nào. Khóa khôi phục dữ liệu thật được đặt trong phong bì. Đây là phương pháp làm mù, nhằm giảm nguy cơ người phân tích vô thức chọn cách hiệu chỉnh hoặc diễn giải khiến kết quả tiến gần con số họ kỳ vọng. [1]

Nhóm từng định mở phong bì vào năm 2022 nhưng phát hiện ảnh hưởng liên quan đến áp suất không khí chưa được xử lý đầy đủ. Đến ngày 11 tháng 7 năm 2024, khóa mới được công bố. Kết quả cho thấy phép làm mù đã hạn chế ảnh hưởng của kỳ vọng con người, nhưng không thể tự sửa một hiệu ứng vật lý bị bỏ sót trong thiết bị hoặc mô hình tính toán. [1]

Chênh lệch nhỏ nhưng không thể bỏ qua

Giá trị G của NIST là 6,67387 × 10⁻¹¹ m³/(kg·s²), thấp hơn kết quả của BIPM tại Pháp 0,0235%, tương đương khoảng 2,35 phần trong 10.000. Trong sinh hoạt, khác biệt này gần như không tạo ra hậu quả nhận thấy. Với một hằng số nền tảng, vấn đề nằm ở chỗ độ lệch giữa các phép đo lớn hơn mức bất định mà các nhóm đã báo cáo. [1]

Đo lặp nhiều lần có thể giảm nhiễu ngẫu nhiên, nhưng không nhất thiết phát hiện sai số hệ thống: một chiếc cân luôn cộng thêm cùng một lượng vẫn có thể cho kết quả rất ổn định mà sai. Đây là lý do sự đồng đều của các lần đo chưa đủ để bảo đảm giá trị G đúng. Các kết quả hiện đại vẫn bất đồng xấp xỉ một phần trong 10.000, dù thiết bị ngày càng nhạy. [1]

Đã loại bớt một khả năng, chưa giải được bí ẩn

NIST đã lặp lại phép đo với các khối bằng sapphire thay cho đồng. Kết quả về cơ bản giống nhau, nên vật liệu của khối lượng không còn là lời giải thích chính được ưu tiên cho sự chênh lệch. Tuy nhiên, phép thử này không làm kết quả NIST trùng với BIPM. Khả năng được xem là hợp lý hơn vẫn là một hiệu ứng thực nghiệm tinh vi chưa được nhận ra hoặc chưa được mô hình hóa đầy đủ. [1]

Sự bất đồng hiện nay chưa đủ để kết luận có vật lý mới; sai sót thực nghiệm vẫn là cách giải thích có khả năng hơn. Nhưng nó cho thấy một nghịch lý đáng chú ý: công thức mô tả hấp dẫn đã quen thuộc từ lâu, trong khi con số đặt sức mạnh cho công thức ấy lại khó xác định hơn nhiều hằng số cơ bản khác. Mỗi phép đo độc lập vì thế không chỉ bổ sung một chữ số, mà còn kiểm tra lại những giả định ẩn trong cả hệ thống thí nghiệm. [1]