ÁNH SÁNG CÓ THỂ NẢY BẬT KHỎI ÁNH SÁNG KHÔNG?

Bật hai chiếc đèn pin sao cho các chùm sáng của chúng cắt nhau: mỗi chùm tiếp tục đi như thể chùm kia không hề tồn tại. Đây là nguyên lý chồng chập (superposition principle), nằm ở trung tâm của quang học. Nó đúng vì các phương trình của điện từ học là tuyến tính, và nó khớp với trải nghiệm hằng ngày.

Từ các công trình của Euler, Heisenberg và Kockel vào những năm 1930, các nhà vật lý đã biết rằng nguyên lý này không hoàn toàn chính xác. Vật lý lượng tử lấp đầy chân không bằng những thăng giáng thoáng qua — trong điện động lực học lượng tử, đó là các cặp electron và positron ảo. Thông qua chúng, ánh sáng có thể cảm nhận được ánh sáng. Từ đó có hai hệ quả: tán xạ ánh sáng trên ánh sáng (light-by-light scattering), trong đó một chùm làm lệch hướng các photon của chùm khác, và lưỡng chiết chân không (vacuum birefringence), trong đó chân không làm thay đổi phân cực của ánh sáng đi qua một trường mạnh. Cả hai đều chưa được kiểm chứng bằng thực nghiệm ở năng lượng thấp, nơi các photon mang năng lượng nhỏ hơn nhiều so với khối lượng của một electron.

Tia X đối đầu với một laser cường độ cao

Nhóm hợp tác BIREF@HIBEF — khoảng 80 nhà nghiên cứu, bao gồm các nhóm tại Viện Helmholtz Jena và Trung tâm Helmholtz Dresden-Rossendorf (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf) — đã bố trí cuộc va chạm tại Laser điện tử tự do tia X châu Âu (European X-Ray Free-Electron Laser) ở Schenefeld, Đức:

chùm bơm (pump): laser ReLaX, các xung hồng ngoại gần dài 23 femto giây mang 4 jun, được hội tụ vào một điểm khoảng 1,1 × 1,4 micromet, đạt 7,7 × 10²¹ oát trên centimet vuông;
chùm dò (probe): các xung tia X 8,766 keV, mỗi xung chứa khoảng 100 tỉ photon, được bắn trực diện vào chùm bơm.

Trường mạnh của chùm bơm sẽ làm phân cực chân không một chút, và một vài photon tia X sẽ đi ra với phân cực bị lật. Ngay cả trong điều kiện lý tưởng, con số đó cũng chỉ vào khoảng một photon trên 10¹³ — và những photon này đi cùng hướng với 100 tỉ photon khác.

Sơ đồ 3D của thiết bị: một vật cản, thấu kính, gương parabol, khe chắn và bộ tách chùm phân cực trên đường đi của chùm tia X.

Bố trí trường tối: một sợi dây tạo bóng trong chùm tia X, tín hiệu chân không lượng tử sinh ra tại điểm va chạm đi qua khe chắn, và một bộ tách chùm tách riêng hai phân cực của nó. — Hình 1, Matheron, Šmíd và cộng sự (2026), arXiv:2611.04531.

Giấu chùm tia trong một cái bóng

Mẹo nằm ở một trường tối (dark field). Một sợi dây vonfram được đánh bóng, dày 250 micromet, được đặt vào chùm tia X trước khi chùm này được hội tụ. Nó tạo ra một cái bóng. Tại tiêu điểm, cái bóng biến mất; sau tiêu điểm, cái bóng xuất hiện trở lại — nhưng tín hiệu sinh ra từ va chạm lan vào trong đó. Một khe chắn 40 micromet sau đó chặn chùm tia chính và để vùng bóng đi qua, và một tinh thể germani tách hai phân cực về hai đầu dò đếm photon. Chỉ khoảng 4 photon tia X trên một nghìn tỉ photon của chùm tia chính lọt vào kênh phân cực bị lật.

Chùm bơm bắn với tần số 0,5 hertz và chùm dò với tần số 10 hertz, nên mỗi lần va chạm đi kèm 19 phát tham chiếu không có chùm bơm. Qua 2.751 lần va chạm và 52.441 phát tham chiếu, kênh bị lật đếm được 0,4649 photon mỗi phát khi có chùm bơm, 0,4636 khi không có: không có khác biệt. Sau khi trừ nền, phần dư là −0,0024 photon mỗi phát, phù hợp với giá trị 0.

Một sự im lặng có sức nói gấp mười tỉ lần

Để biết sự im lặng có ý nghĩa gì, nhóm đã mô phỏng toàn bộ thí nghiệm, từng chùm tia và từng thấu kính, bao gồm cả độ lệch căn chỉnh đo được của mỗi phát. Điện động lực học lượng tử tiên đoán tổng cộng chỉ 0,0008 photon trong kênh bị lật cho cả đợt thí nghiệm: thấp hơn rất nhiều so với mức mà lần chạy này có thể phát hiện.

Kết quả là một giới hạn trên. Với độ tin cậy 95%, tán xạ ánh sáng trên ánh sáng nhiều nhất bằng 70.000 lần giá trị mà điện động lực học lượng tử tiên đoán, ở năng lượng va chạm 116 electronvolt. Một tín hiệu lớn hơn 56 photon trong 2.751 lần va chạm hẳn đã nổi bật lên. Các thí nghiệm trước đây ở năng lượng thấp chỉ đạt được những giới hạn yếu hơn khoảng mười tỉ lần.

Đồ thị các giới hạn trên của tán xạ ánh sáng trên ánh sáng từ nhiều thí nghiệm theo năng lượng va chạm, trong đó thí nghiệm này nằm thấp hơn hẳn các thí nghiệm khác.

Các giới hạn trên của tán xạ ánh sáng trên ánh sáng, so với tiên đoán lượng tử (đường đỏ nét đứt ở mức 1): thí nghiệm này, ở mức 70.000, so với các thí nghiệm năng lượng thấp trước đây. — Hình 4, Matheron, Šmíd và cộng sự (2026), arXiv:2611.04531.

Thu hẹp khoảng cách

Theo các tác giả, khoảng cách 70.000 lần không nằm ngoài tầm với. Vận hành ReLaX ở mức 8 jun và 1 hertz đã công bố của nó sẽ cho tín hiệu gấp 8 lần trong cùng một khoảng thời gian; một hình học trường tối thoát khỏi những ràng buộc của cơ sở hiện tại sẽ cải thiện khả năng loại bỏ nền hơn một nghìn lần; các đầu dò nhanh hơn sẽ mang lại thêm một hệ số mười hoặc hơn. Kết hợp lại, những nâng cấp này sẽ cho phép lần đầu tiên quan sát trực tiếp trong phòng thí nghiệm hiện tượng ánh sáng tán xạ trên ánh sáng — và sau đó đo hai con số, a và b, mà điện động lực học lượng tử gán cho phản ứng của chân không.