Trong một bước tiến mang tính đột phá trong vật lý hạt, các nhà khoa học đã lần đầu tiên xác nhận sự tồn tại của hiện tượng vướng víu lượng tử bên trong proton, hạt cơ bản cấu thành nên vật chất. Nghiên cứu này, được công bố trên tạp chí Reports on Progress in Physics ngày 2/12/2024, không chỉ củng cố các lý thuyết về cơ học lượng tử mà còn mở ra những câu hỏi mới về cấu trúc và hành vi của các hạt hạ nguyên tử.
Sự vướng víu lượng tử từ lâu đã là một chủ đề thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học, không chỉ bởi tính kỳ lạ mà còn vì khả năng phá vỡ những giới hạn thông thường của không gian và thời gian. Đây là hiện tượng trong đó hai hạt tồn tại trong trạng thái liên kết mạnh mẽ, đến mức một sự thay đổi ở một hạt sẽ ngay lập tức tác động đến hạt kia, bất kể khoảng cách giữa chúng xa đến đâu.
Hiện tượng này từng bị Albert Einstein bác bỏ với thuật ngữ mang sắc thái hoài nghi, gọi là "hành động ma quái ở khoảng cách xa". Tuy nhiên, những thí nghiệm vào thế kỷ 20 đã chứng minh rằng sự vướng víu là có thật, và kể từ đó, nó trở thành một lĩnh vực nghiên cứu trọng tâm trong vật lý lượng tử.
Trước đây, sự vướng víu giữa các quark - hạt cơ bản tạo nên proton và neutron - đã từng được quan sát trong một số thí nghiệm. Nhưng bằng chứng về sự vướng víu lượng tử bên trong proton vẫn là một ẩn số. Proton không chỉ bao gồm các quark mà còn chứa gluon, các hạt mang lực mạnh giúp giữ các quark liên kết với nhau. Câu hỏi lớn đặt ra là liệu các quark và gluon có thể tồn tại trong trạng thái vướng víu ngay bên trong proton hay không.
Để giải quyết câu hỏi này, nhóm nghiên cứu đã tận dụng dữ liệu từ hai thiết bị hiện đại: Máy Va Chạm Hadron Lớn (LHC) và Máy Gia Tốc Vòng Hadron-Electron (HERA). Đây là những công cụ tối tân trong nghiên cứu vật lý hạt, cho phép các nhà khoa học quan sát và phân tích những tương tác phức tạp xảy ra ở quy mô cực nhỏ.
Thông qua những thí nghiệm này, họ đã khám phá ra rằng các quark và gluon trong proton tồn tại trong trạng thái vướng víu tối đa, nghĩa là chúng chia sẻ thông tin với nhau một cách hiệu quả nhất có thể.
Phương pháp để đi đến phát hiện này cũng không kém phần ấn tượng. Nhóm nghiên cứu đã áp dụng một nguyên tắc từ khoa học thông tin lượng tử, đó là mối quan hệ giữa entropy và sự vướng víu. Entropy, thường được hiểu một cách đơn giản là thước đo mức độ "hỗn loạn" trong một hệ thống, thực chất phản ánh số lượng trạng thái năng lượng mà hệ thống đó có thể sắp xếp. Trong cơ học lượng tử, entropy tăng lên đồng nghĩa với sự gia tăng mức độ vướng víu. Nhóm nghiên cứu đã phân tích các dòng hạt tạo ra trong các va chạm proton và phát hiện rằng mức độ vướng víu trong các hạt này là tối đa, phù hợp hoàn toàn với các dự đoán lý thuyết.
Nhà vật lý Zhoudunming Tu, đồng tác giả của nghiên cứu, đã nhấn mạnh ý nghĩa của phát hiện này. Ông cho biết: "Trong nhiều thập kỷ, chúng tôi luôn nhìn nhận proton như một tập hợp các quark và gluon riêng lẻ, và tập trung vào việc xác định cách chúng phân bố bên trong proton. Nhưng giờ đây, bằng chứng về sự vướng víu đã thay đổi hoàn toàn cách nhìn nhận đó. Chúng tôi đang đối diện với một hệ thống phức tạp và động hơn rất nhiều so với những gì chúng tôi từng hình dung".
Khám phá này không chỉ làm sáng tỏ cách các hạt cơ bản hoạt động mà còn đặt ra các câu hỏi mới về cấu trúc hạt nhân nguyên tử. Proton và neutron là thành phần chính của hạt nhân, và nếu các proton đã thể hiện sự vướng víu, thì điều gì sẽ xảy ra khi chúng được gắn kết với nhau trong hạt nhân? Liệu sự vướng víu này có tác động đến cách các hạt nhân tương tác hay không? Đây là những vấn đề mà các nhà nghiên cứu đang háo hức tìm hiểu.
Trong tương lai, nhóm nghiên cứu dự định sử dụng Máy Va Chạm Electron-Ion (EIC) để tiếp tục khám phá hiện tượng này. Thiết bị này, dự kiến sẽ đi vào hoạt động trong vòng một thập kỷ tới, hứa hẹn cung cấp dữ liệu chi tiết hơn về cách các quark và gluon tương tác trong môi trường phức tạp hơn. Ngoài ra, các thí nghiệm va chạm ion nặng cũng có thể cung cấp cái nhìn sâu hơn về cách sự vướng víu lượng tử thay đổi khi các hạt được đặt trong điều kiện khác biệt.
Phát hiện này không chỉ có ý nghĩa đối với vật lý hạt mà còn mở ra những triển vọng mới trong các lĩnh vực khác. Sự vướng víu lượng tử là nền tảng của nhiều ứng dụng hiện đại, từ điện toán lượng tử đến truyền thông siêu bảo mật. Hiểu rõ hơn về cách các hạt cơ bản chia sẻ thông tin trong trạng thái vướng víu có thể giúp cải thiện các công nghệ dựa trên cơ học lượng tử, đưa chúng đến gần hơn với thực tiễn ứng dụng.
Những gì chúng ta đang chứng kiến là một bước ngoặt quan trọng trong hành trình khám phá những bí mật sâu thẳm nhất của vũ trụ. Sự "ma quái" mà Einstein từng nghi ngờ giờ đây không chỉ là một hiện tượng lạ lẫm mà đã trở thành chìa khóa để hiểu rõ hơn về bản chất của thực tại. Với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ, những câu hỏi từng được coi là viễn tưởng giờ đây đã có lời giải, đưa chúng ta đến gần hơn với chân lý.
