Định luật Newton đúng đến đâu

Trước hết ta xem tại sao các nhà vật lý có nghi vấn về vấn đề định luật vạn vật hấp dẫn và họ làm gì để giải đáp.

Lực hấp dẫn Newton được phát biểu rất đơn giản: hai vật có khối lượng m và m’ cách nhau một khoảng r sẽ tác dụng lên nhau lực hấp dẫn tỉ lệ với m và m’ và tỉ lệ ngược với r2. Nhưng từ đây lại suy ra được nhiều điều quan trọng. Lực tỉ lệ với khối lượng có nghĩa là gia tốc không phụ thuộc khối lượng, chuyển động do lực hấp dẫn gây ra không phụ thuộc vào bản chất vật chất của vật mà lực hấp dẫn tác dụng. Ý tưởng này đã gieo mầm cho lý thuyết tương đối rộng của Einstein là lực hấp dẫn do vật chất tạo làm cong không thời gian độ cong của không thời gian tạo gia tốc của các vật thể. Quy luật tỉ lệ ngược với bình phương khoảng cách là hệ quả của các phương trình về lý thuyết trường đối với trọng trường. Các phương trình này lại được suy ra từ các nguyên lý chung của lý thuyết trường lượng tử.

Có cách gì có thể kiểm tra định luật vạn vật hấp dẫn ? trước khi tiến hành đo đạc thực nghiệm để kiểm tra, ta cần chú ý đến những lực khác, không phải là lực trọng trường cũng có tác dụng lên vật.

Thí dụ khi hai vật có điện tích, chúng tác dụng lên nhau lực hút (đẩy) tĩnh điện, lực này cũng tỉ lệ với 1/ r2. Nếu hai vật có từ tính, có lực từ tác dụng, lực này tỉ lệ với 1/ r4. và còn phụ thuộc phức tạp cách định hướng đối với nhau của vectơ từ . Còn vật không mang điện, không có từ tính khi quá gần nhau cũng sẽ hút nhau bằng lực van der Waals, lực này tỉ lệ với 1/ r7.

Ta còn phải chú ý khoảng cách tác dụng hay là tầm tác dụng của các loại lực. Lý thuyết lượng tử về từ trường cho biết bản chất của lực và sự tao đổi của hạt (ảo) và tầm tác dụng của lực phụ thuộc vào nghịch đảo khối lượng của hạt này. Nếu hạt có khối lượng là m thì tầm tác dụng của lực là h/mc, ở đây hlà hằng số Planck ( h= h/2л) và c là vận tốc ánh sáng. Thí dụ hạt có khối lượng là 2 x 10-5electron vôn (25 nghìn tỉ lần nhỏ hơn khối lượng của một electron) tạo ra lực có tầm tác dụng là 1 centimet.

Vì những lẽ trên, nếu muốn thí nghiệm xem định luật Newton ở những khoảng cách dưới tầm centimet, trước hết phải thí nghiệm với những vật không mang điện, không mang từ cách nhau lớn hơn tầm tác dụng của lực van der Waals (tầm tác dụng của lực này vào cỡ kích thước nguyên tử). Mặt khác, nếu định luật Newon không còn đúng ở khoảng cách nhỏ (thí dụ dưới tầm centimet) thì khoảng cách đó phải xuất hiện thêm một lực lạ, do một loại hạt nào đó gây ra và tất nhiên là loại hạt này cực nhẹ.

Người ta đã đề xuất là có thể có nhiều loại hạt cực nhẹ như vậy. Thí dụ lực tác dụng tầm ngắn giữa protôn và nơtrôn trong hạt nhân tương ứng với hạt axiôn. Ở lý thuyết siêu dây thì có hạt đilatôn, ở các hạt leptôn tau và muôn thì có các hạt familôn và môđulôn,.v.v…Đó là một số thí dụ về các hạt làm nhiệm vụ lực tác dụng do lý thuyết đề xuất nhưng chưa có thực nghiệm nào chứng minh được.

Các nhà vật lý chỉ mới thấy rõ các hiệu ứng của sự trao đổi hạt không có khối lượng là hạt của lực trọng trường (ở trường hợp lực điện từ. có hạt photôn). Năm 1998, Arkari – Harmed cùng đồng nghiệp dự đoán rằng, Ngoài những chiều ta thường quan niệm còn có một chiều nữa và do có chiều này mà định luận Newton đã bị sai lệch khi khoảng cách còn lại rất ngắn.

Vì vậy Hoyle và cộng tác viên ở Đại học Washingtonđã làm những thí nghiệm cực kì chính xác để kiểm tra xem ở những tầm dưới centimet nhưng còn lớn hơn tầm tác dụng của lực van der Waals, định luật Newton có còn đúng không.

Thí nghiệm gồm vòng kim loại không mang điện, không có tính chất từ, treo theo kiểu con lắc xoắn. Vòng kim loại có khoét 10 cái lỗ tròn cách đều nhau theo đường chu vi. Phía trên của con lắc xoắn cũng có cái đĩa, mỗi đĩa có 2 lớp, mỗi lớp cũng có mười lỗ. Cách bố trí trên nhằm mục đích cho lực trọng trường tạo ra xu hướng làm cho các lỗ ở đĩa kim loại và vòng kim loại thẳng hàng với nhau, tạo ra mômen xoắn và cho con lắc quay theo các tần số khác nhau nhằm đo chính xác mômen xoắn. Các phép đo thực hiện lần lượt, mỗi phép đo ứng với một khoảng cách giữa đĩa kim loại và vòng kim loại khoảng cách này thay đổi từ 10mm đến 200um.

Kết quả của các phép đo là cho đến khoảng cách r = 200um, định luật Newton vẫn còn đúng. Vậy nếu định luật Newton có gì bị sai lệch thì phải dưới 200um mới phát hiện được.

Các nhà nghiên cứu của Đại học Washington đang tìm cách sắp tới làm thí nghiệm với những khoảng cách dưới 200um.
Nguồn: Vật lý ngày nay, số 4, 8-2001