Có hay không việc neutrino di chuyển nhanh hơn ánh sáng?
| 18/10/2011 05:02 PM
Sự kiện neutrino vượt qua tốc độ của ánh sáng, giới hạn tốc độ của tự nhiên đã khiến cho nhiều nhà khoa học trên thế giới bàng hoàng, những công trình nghiên cứu của họ sẽ sụp đổ nếu phát kiến này được công nhận.
Frank Close là giáo sư lý thuyết vật lý tại Đại Học University, thành viên danh dự của Đại Học Exeter, tác giả của cuốn sách Neutrino. Cũng như nhiều nhà khoa học khác, Frank Close vẫn còn hoài nghi tính chính xác trong thí nghiệm này tại Cern và Gran Sasso.
Nhà vật lý Frank Close, người từng xuất bản cuốn sách Neutrino vào năm 2010.
Đây là bài viết của ông về việc phát hiện hạt neutrino di chuyển nhanh hơn ánh sáng:
Là một nhà khoa học, tôi lớn lên và luôn tin tưởng vào một quy luật tự nhiên: thứ duy nhất di chuyển nhanh hơn ánh sáng là tin đồn. Câu chuyện mà các nhà khoa học tại Cern, một phòng thí nghiệm hạt khổng lồ gần Geneva đã tạo ra những hạt neutrino di chuyển nhanh hơn ánh sáng, tin tức chấn động này đã có trên khắp các tờ báo buổi sáng thứ sáu, khi tôi vẫn đang còn ngái ngủ và tưởng rằng đây chỉ là ví dụ mới nhất cho quy luật đã nêu trên.
Nhưng khi tỉnh táo hẳn, tôi bắt đầu lo lắng với viễn cảnh phải viết lại cuốn sách Neutrino của mình, vốn vừa bị thí nghiệm này bác bỏ hoàn toàn. Niềm an ủi duy nhất của tôi là sự kiện này sẽ khiến cho vốn hiểu biết về cuộc sống, vũ trụ và tất cả mọi thứ sẽ được thay đổi hoàn toàn, nếu điều này là sự thật. Những cuốn sách vật lý trên khắp thế giới bỗng nhiên sai bét, và cả một nền khoa học sụp đổ. Các hạt có khả năng di chuyển nhanh hơn ánh sáng và có khả năng mang theo thông tin sẽ thay đổi tất cả. Vậy điều gì đã xảy ra, và tại sao?
Một chùm hạt neutrino.
Thuyết tương đối của Einstein là một trong những phát kiến vĩ đại nhất của thế kỷ 20, và được coi như học thuyết vĩ đại nhất của con người. Khi mà Isaac Newton xây dựng định luật vạn vật hấp dẫn tại thế kỷ 17, ông đã tưởng tượng không gian và thời gian là 2 trường vô hình và chúng ta di chuyển qua nhưng không làm ảnh hưởng tới chúng. Trong tưởng tượng của Einstein, không gian và thời gian như là chất lỏng hòa vào nhau, và bị ảnh hưởng bởi chuyển động: bạn di chuyển càng nhanh, bạn già đi càng chậm. Lý thuyết này gợi mở rất nhiều điều thú vị, ví dụ như một cặp chị em sinh đôi có tên Tweedledum và Tweedledee. Tweedledum thì ở nhà trong khi Tweedledee liên tục di chuyển với tốc độ cao trong 1 năm, rồi trở về nhà nhưng lại có vẻ ngoài trẻ hơn người chị em sinh đôi kia.
Việc không gian và thời gian có khả năng co giãn, bẻ cong nghe có vẻ kỳ lạ nhưng lại là sự thực. Chùm hạt bắn từ Cern di chuyển với tốc độ khác biệt rất nhỏ so với ánh sáng, đến đích trong khoảng thời gian mà chỉ có một phần của thuyết tương đối được tính toán. Vệ tinh GPS xác định vị trí chuẩn xác, nhưng phải xét đến các phép tính của Einstein. Một vài thí nghiệm tại Cern xác nhận rằng việc dự đoán bằng thuyết tương đối còn chính xác đến sai số 1 triệu tỷ, điều này cũng giống với việc đo đạc chiều dài của biển Đại Tây Dương còn chính xác hơn chiều dài một sợi tóc, nhưng chỉ khi sử dụng thuyết tương đối.
Với những nhà khoa học, và nhiều người trong chúng ta thì thuyết tương đối của Einstein là điều kiện cần thiết cho các công việc hàng ngày.
Vậy những điều này có liên quan gì tới tốc độ của ánh sáng?
Công trình khoa học của Einstein dựa trên các thí nghiệm: rằng tốc độ của ánh sáng hoàn toàn độc lập so với chuyển động của các vật chất khác. Khi bạn di chuyển lại gần, ra xa nguồn sáng hoặc là chính nguồn sáng đó, tốc độ của ánh sáng so với bạn là bất biến. Điều này rất khó hiểu. Ví dụ như 2 chiếc xe đua cùng chiều, một chiếc vượt qua chiếc còn lại với tốc độ chậm hơn là vượt qua 1 người đang đứng yên, tuy nhiên một chùm sáng lại vượt qua tất cả với tốc độ như nhau. Người đứng yên hay người trên chiếc xe đua đều đo được tốc độ ánh sáng như nhau. Rất khó hiểu, nhưng lại là sự thật, và điều này đã mở ra cho Einstein một thế giới quan mới. Một trong những điểm cơ bản nhất trong thuyết của Einstein là tốc độ của ánh sáng trong môi trường chân không cũng chính là tốc độ giới hạn của tự nhiên. Không gì có thể di chuyển nhanh hơn ánh sáng tại môi trường chân không.
Liệu Cern đã thực sự đạp đổ được chân lý này? Tôi nghi ngờ điều đó. Ánh sáng di chuyển trong nước, thủy tinh hoặc thậm chí không khí chậm hơn so với môi trường chân không. Vậy có nghĩa là ánh sáng có thể bị làm chậm lại, nhưng không thể làm tăng tốc: môi trường chân không là điều kiện lý tưởng nhất để ánh sáng đạt được tốc độ giới hạn. Chúng ta cần phải nghiên cứu tỉ mỉ về thí nghiệm này của Cern, đặc biệt là cách tiến hành thí nghiệm.
Cern bắn một chùm hạt neutrino, một loại hạt đi xuyên qua mặt đất dễ như viên đạn bay qua không khí. Chùm hạt này được bắn đi một quãng đường là 730km tới Gran Sasso, một phòng thí nghiệm gần Rome. Thời gian hoàn thành quãng đường này được ghi nhận vào khoảng 1/500 giây.
Quãng đường di chuyển của hạt neutrino trong thí nghiệm.
Nếu tôi có thể bắn 1 chùm sáng xuyên qua mặt đất, nó sẽ đến đích gần như lập tức giống như neutrino. Nếu ánh sáng đến sau neutrino thì có thể chứng minh được thí nghiệm này đúng. Tuy nhiên chúng ta không thể thực hiện được thí nghiệm này, mặt đất hoàn toàn trong suốt đối với neutrino, nhưng với ánh sáng thì không.
Nếu chúng ta xác định được thật chính xác khoảng cách từ Cern tới Rome, và khoảng thời gian neutrino tới đích, thì tỉ lệ khoảng cách trên thời gian – km/giây chính là tốc độ của nó. Về cơ bản đây chính là những gì thí nghiệm này đã thực hiện, tuy nhiên còn vài điều chưa rõ ràng.
Tính toán thời gian chính xác tới từng nano giây cần phải bao gồm thời gian tín hiệu điện đi qua bảng mạch, chuyển qua cho chip xử lý và vô số những giai đoạn khác trong thế giới nano. Nếu đã tính toán chi li những yếu tố này thì có thể xác định được chính xác thời gian di chuyển của hạt neutrino. Điều này họ đã tính toán cả, tuy nhiên nếu vẫn còn một vài yếu tố chưa ngờ tới thì việc tính giờ sẽ lệch đi vài nano giây.
Rồi tới việc đo đạc quãng đường đi. Tính toán quãng đường 730km chuẩn tới 10cm là điều bắt buộc, và hoàn toàn có thể. Nhưng thí nghiệm này đã tính toán chính xác tới mức nào thì vẫn còn là một ẩn số. Các nhà khoa học đã tính toán bằng cách gửi tín hiệu radio cho vệ tinh tại thời điểm hạt neutrino rời Cern, rồi tín hiệu radio lại được gửi xuống Rome. Rồi còn tính toán xem tín hiệu radio hay neutrino đến trước, cách nhau khoảng thời gian bao lâu cũng đã rất khó khăn. Tốc độ của tín hiệu radio qua khí quyển bị ảnh hưởng bởi từ trường Trái Đất, và những hiện tượng khác. Tính toán điều này khó hơn rất nhiều việc tính tốc độ của tín hiệu radio đi qua môi trường chân không.
Liệu có sai sót nào bị bỏ qua trong thí nghiệm này hay không?
Tôi chắc rằng khả năng sai sót trong cách tính toán khoảng cách và thời gian hơn lớn hơn khả năng neutrino vượt qua tốc độ ánh sáng, phá vỡ học thuyết của Einstein.
Dĩ nhiên câu trả lời luôn nằm trong tự nhiên, và chúng ta cần phải thông qua những thí nghiệm để tìm được chúng. Nếu như thật sự có khả năng di chuyển nhanh hơn ánh sáng trong môi trường chân không thì cho dù các nhà vật lý có nói gì, sự thật vẫn là sự thật. Và nếu thế, tôi sẽ viết lại cuốn Neutrino và thay thế email bằng numail (neutrino-mail), bởi nó nhanh hơn.
Tham khảo Guardian