Công nghệ
10 năm thí nghiệm chính xác bổ sung thêm manh mối mới về hằng số hấp dẫn "G"
2026-05-11 12:34:03
Tác giả: Mạng đám mây quản trị trang web
Nhóm nghiên cứu khoa học của Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) mới đây đã công bố kết quả của một thí nghiệm kéo dài 10 năm, đưa ra một giá trị mới cho hằng số hấp dẫn "G", một trong những hằng số cơ bản và khó đo chính xác nhất trong vật lý, đồng thời tiết lộ nguyên nhân tiềm ẩn khiến các phép đo hấp dẫn "không chính xác" trong một thời gian dài.
Trọng lực là tương tác yếu nhất trong bốn tương tác cơ bản trong tự nhiên, điều này cũng khiến nó trở thành một trong những đại lượng vật lý khó đo chính xác nhất. Nhà vật lý Stephan Schlamminger của NIST cho biết cộng đồng khoa học đã theo dõi hằng số hấp dẫn trong hơn 200 năm, nhưng độ phân tán của 16 kết quả đo chính hiện có vẫn rất lớn, với sai số điển hình là khoảng 10 phần triệu, kém hơn nhiều so với mức độ chính xác của các hằng số cơ bản khác.
Hằng số hấp dẫn, còn được cộng đồng vật lý gọi là “Big G”, mô tả độ lớn của lực hấp dẫn phổ quát giữa hai khối lượng. Đối với đời sống hàng ngày của công chúng, những thay đổi nhỏ của G sẽ không có tác động dễ nhận thấy, nhưng đối với các nhà vật lý, việc khóa giá trị chính xác của nó càng nhiều càng tốt sẽ giúp hiểu rõ hơn về bản chất của lực hấp dẫn và thúc đẩy việc khám phá một lý thuyết vật lý thống nhất.
Nhóm của Schraminger đã chọn tái tạo con đường thử nghiệm trong công việc này thay vì đảo ngược hoàn toàn và thiết kế một giải pháp mới. Họ đã vận chuyển cùng một bộ thiết bị được sử dụng trong thí nghiệm hằng số hấp dẫn nổi tiếng được tiến hành tại Văn phòng Cân đo Quốc tế (BIPM) ở Pháp vào năm 2014 từ Pháp đến phòng thí nghiệm NIST ở Gaithersburg, Maryland, Hoa Kỳ, trong nỗ lực tái tạo thí nghiệm trong các môi trường khác nhau và kiểm tra xem liệu có những sai lệch hệ thống ẩn trong kết quả của năm đó hay không.
Thí nghiệm BIPM năm 2014 đã đưa ra một trong những giá trị G "sai lệch so với xu hướng chủ đạo" nhất vào thời điểm đó, vì vậy thí nghiệm sao chép dự kiến sẽ tiết lộ chi tiết đằng sau những kết quả bất thường đó. Nhóm NIST chính thức bắt đầu công việc đo đạc vào năm 2016. Toàn bộ dự án kéo dài 10 năm. Nó không chỉ là phép đo khoa học mà còn là sự mài giũa lâu dài của công nghệ đo lực yếu siêu chính xác.
Dữ liệu được công bố mới nhất cho thấy giá trị hằng số hấp dẫn do nhóm đưa ra là 6.67387±0.00038×10−11m3kg−1s−2, độ không đảm bảo chuẩn tương đối là
95.7×10−5. So với kết quả thực nghiệm BIPM năm 2014, giá trị này thấp hơn khoảng 0,0235%. Trong lĩnh vực đo lường có độ chính xác cao, không thể bỏ qua sự khác biệt này. Đồng thời, kết quả cũng thấp hơn một chút so với giá trị G được CODATA 2018 khuyến nghị nhưng vẫn khó giải thích rõ ràng nguồn gốc của sai lệch. Điều đột phá hơn nữa là khi các nhà nghiên cứu liên tục suy luận các điều kiện thí nghiệm, họ đã phát hiện ra một yếu tố thường bị bỏ qua trước đây—ảnh hưởng của không khí dư trong buồng chân không. Theo thiết kế, để loại bỏ nhiễu càng nhiều càng tốt, thí nghiệm cần được tiến hành trong môi trường chân không gần như hoàn hảo, nhưng nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng dù khí được bơm như thế nào, một lượng nhỏ khí sẽ luôn tồn tại trong bình chứa, tạo thành cái gọi là "áp suất chân không".
Khí dư này sẽ tác dụng một lực cực nhỏ lên thiết bị thí nghiệm, từ đó ảnh hưởng đến giá trị G đo được cuối cùng. Tuy nhiên, hiệu ứng này chưa được đưa vào phân tích một cách có hệ thống trong nhiều thí nghiệm trước đó. Schramminger chỉ ra rằng phát hiện này được kỳ vọng sẽ giúp giải thích tại sao các giá trị G được đưa ra bởi các thí nghiệm khác nhau lại không nhất quán trong một thời gian dài, nhưng vẫn còn quá sớm để đưa ra kết luận. Cũng cần phải xem xét từng kế hoạch thử nghiệm một để xác minh cách chúng xử lý các chi tiết như khí dư.
Khi nói về sự khác biệt giữa kết quả mới và các giá trị được công nhận hiện tại, Schramminger nói rằng nhóm hiện tại có xu hướng tin rằng độ lệch có thể đến từ sự chồng chất của nhiều hiệu ứng tích lũy chứ không phải do một yếu tố duy nhất. Tuy nhiên, những tác động đó là gì và trọng lượng tương ứng của chúng là bao nhiêu vẫn chưa thể được phân tích một cách chính xác. Các tài liệu nghiên cứu có liên quan đã được xuất bản trên Metrologia, một tạp chí trong lĩnh vực đo lường và đã được kiểm chứng thực tế một cách độc lập.
Công trình này không kết thúc cuộc tranh luận về hằng số hấp dẫn nhưng nó chứng minh rõ ràng tính phức tạp của vấn đề: ngay cả khi phải mất 10 năm, tái sử dụng cùng một thiết bị và làm việc cẩn thận trong các phòng thí nghiệm khác nhau, giá trị G cuối cùng vẫn khác biệt đáng kể so với kết quả trước đó. Dưới góc nhìn của cộng đồng khoa học, đây vừa là bước thụt lùi vừa là động lực - nó nhắc nhở các nhà nghiên cứu rằng nếu muốn hiểu đầy đủ về hằng số tự nhiên “quen thuộc nhất và xa lạ” này thì cần có những thí nghiệm ngày càng chi tiết hơn, sự kiên trì lâu dài hơn và khả năng nhận dạng lỗi nhạy bén hơn.