Việc giải quyết những câu hỏi này có thể mở ra những bí mật của sự tồn tại và mở ra một kỷ nguyên khoa học mới trong vòng vài thập kỷ.
Đây là một câu chuyện về vật lý hiện đại: Hai nhà khoa học làm việc tại cùng một trường đại học trong các lĩnh vực khác nhau. Một người nghiên cứu các vật thể khổng lồ ở cách xa Trái Đất. Người kia bị mê hoặc bởi những thứ nhỏ bé ngay trước mặt mình. Để thỏa mãn sự tò mò của mình, một người chế tạo kính thiên văn mạnh nhất thế giới và người kia chế tạo kính hiển vi tốt nhất thế giới. Khi họ tập trung các thiết bị của mình vào các vật thể ngày càng xa và nhỏ hơn, họ bắt đầu quan sát các cấu trúc và hành vi chưa từng thấy trước đây hoặc tưởng tượng ra. Họ phấn khích nhưng thất vọng vì những quan sát của họ không phù hợp với các lý thuyết hiện có.
Một ngày nọ, họ rời khỏi thiết bị của mình để nghỉ giải lao uống cà phê và tình cờ gặp nhau ở phòng chờ của khoa, nơi họ bắt đầu than phiền về những gì cần làm với các quan sát của mình. Đột nhiên, cả hai đều nhận ra rằng mặc dù họ có vẻ đang nhìn vào hai đầu đối diện của vũ trụ, nhưng họ đang nhìn thấy cùng một hiện tượng. Giống như những người mù sờ mó một con thú, một nhà khoa học đã nắm được cái đuôi quẫy đạp của nó và người kia đã nắm được cái mõm đang nhai của nó. So sánh các ghi chú, họ nhận ra đó là cùng một con cá sấu.
Đây chính xác là tình huống mà các nhà vật lý hạt và thiên văn học đang gặp phải ngày nay. Các nhà vật lý, sử dụng máy gia tốc hạt tuyến tính và máy gia tốc cyclotron làm "kính hiển vi" có độ phân giải cao, nghiên cứu các mảnh nguyên tử nhỏ đến mức không thể nhìn thấy. Các nhà thiên văn học, sử dụng khoảng một chục kính thiên văn mới siêu lớn, cũng nghiên cứu các hạt nhỏ tương tự, nhưng hạt của họ đang chờ họ trong không gian. Sự va chạm thông tin kỳ lạ này có nghĩa là chén thánh của vật lý hạt - hiểu được sự thống nhất của cả bốn lực của tự nhiên (điện từ, lực yếu, lực mạnh và lực hấp dẫn) - sẽ đạt được một phần bởi các nhà thiên văn học.
Những hàm ý này rất thú vị đối với các nhà khoa học vì những cuộc gặp nhau kỳ lạ của các hiện tượng không liên quan đã tạo ra những bước nhảy vọt về hiểu biết trong quá khứ. Ví dụ, Pythagoras đã khiến khoa học quay cuồng khi ông chứng minh rằng toán học trừu tượng có thể được áp dụng vào thế giới thực. Một bước nhảy vọt tương tự đã xảy ra khi Newton phát hiện ra rằng chuyển động của các hành tinh và quả táo rơi đều là do trọng lực. Maxwell đã tạo ra một kỷ nguyên mới của vật lý khi ông thống nhất từ trường và điện trường. Einstein, người thống nhất vĩ đại nhất trong số họ, đã đan xen vật chất, năng lượng, không gian và thời gian. Nhưng chưa ai đan xen thế giới nhỏ bé của cơ học lượng tử và thế giới rộng lớn mà chúng ta thấy khi nhìn qua kính viễn vọng. Khi những điều này kết hợp lại với nhau, các nhà vật lý nhận ra rằng họ đang tiến rất gần đến một "lý thuyết vạn vật" duy nhất giải thích cho hoạt động cơ bản của tự nhiên, lý thuyết trường thống nhất được tìm kiếm từ lâu.
Khoảng hai năm trước, sau một bài thuyết trình của hội đồng nghiên cứu vật lý và thiên văn học của Hội đồng nghiên cứu quốc gia cho thấy chương trình nghị sự hội tụ của hai lĩnh vực, quản trị viên NASA Daniel Goldin đã đề xuất một báo cáo đặc biệt nêu chi tiết về việc các nhà thiên văn học và nhà vật lý có thể hưởng lợi như thế nào từ hiểu biết sâu sắc của nhau. Gần đây, ủy ban vật lý vũ trụ của hội đồng đã công bố báo cáo đó. Báo cáo nêu chi tiết 11 câu hỏi sâu sắc, một số trong đó có thể được trả lời trong vòng một thập kỷ. Nếu vậy, khoa học có thể sẽ có một trong những bước tiến lớn nhất trong lịch sử.
Nhưng trước tiên, chúng ta không biết điều gì.
1. Vật chất tối là gì?
Tất cả vật chất thông thường mà chúng ta có thể tìm thấy chỉ chiếm khoảng 4% vũ trụ. Chúng ta biết điều này bằng cách tính toán khối lượng cần thiết để giữ các thiên hà lại với nhau và khiến chúng chuyển động theo cách chúng tập hợp thành các cụm lớn. Một cách khác để cân vật chất vô hình là xem lực hấp dẫn bẻ cong ánh sáng từ các vật thể ở xa như thế nào. Mọi phép đo đều cho các nhà thiên văn học biết rằng hầu hết vũ trụ là vô hình.
Thật hấp dẫn khi nói rằng vũ trụ phải chứa đầy những đám mây bụi đen hoặc những ngôi sao chết và thế là xong, nhưng có những lập luận thuyết phục rằng đây không phải là trường hợp. Đầu tiên, mặc dù có nhiều cách để phát hiện ra ngay cả những dạng vật chất tối nhất, nhưng hầu như mọi nỗ lực tìm kiếm những đám mây và ngôi sao mất tích đều thất bại. Thứ hai, và thuyết phục hơn, các nhà vũ trụ học có thể thực hiện các phép tính rất chính xác về các phản ứng hạt nhân xảy ra ngay sau Big Bang và so sánh kết quả mong đợi với thành phần thực tế của vũ trụ. Những phép tính đó cho thấy tổng lượng vật chất thông thường, bao gồm các proton và neutron quen thuộc, ít hơn nhiều so với tổng khối lượng của vũ trụ. Bất kể phần còn lại là gì, nó không giống như thứ tạo nên chúng ta.
Cuộc tìm kiếm phần còn thiếu của vũ trụ là một trong những nỗ lực chính đã đưa các nhà vũ trụ học và các nhà vật lý hạt lại với nhau. Các ứng cử viên vật chất tối hàng đầu là neutrino hoặc hai loại hạt khác: neutralino và axion, được một số lý thuyết vật lý dự đoán nhưng chưa bao giờ được phát hiện. Cả ba hạt này đều được cho là trung hòa về điện, do đó không thể hấp thụ hoặc phản xạ ánh sáng, nhưng đủ ổn định để tồn tại từ những khoảnh khắc đầu tiên sau Big Bang.
2. Năng lượng tối là gì?
Hai khám phá gần đây từ vũ trụ học chứng minh rằng vật chất thông thường và vật chất tối vẫn chưa đủ để giải thích cấu trúc của vũ trụ. Có một thành phần thứ ba ngoài kia và đó không phải là vật chất mà là một dạng năng lượng tối.
Dòng bằng chứng đầu tiên cho thành phần bí ẩn này đến từ các phép đo hình học của vũ trụ. Einstein đưa ra giả thuyết rằng mọi vật chất đều làm thay đổi hình dạng của không gian và thời gian xung quanh nó. Do đó, hình dạng tổng thể của vũ trụ được chi phối bởi tổng khối lượng và năng lượng bên trong nó. Các nghiên cứu gần đây về bức xạ còn sót lại từ Big Bang cho thấy vũ trụ có hình dạng đơn giản nhất - đó là phẳng. Điều đó cho biết mật độ khối lượng tổng thể của vũ trụ. Nhưng sau khi cộng tất cả các nguồn thế năng của vật chất tối và vật chất thông thường, các nhà thiên văn học vẫn còn thiếu 2/3. Dòng bằng chứng thứ hai cho thấy thành phần bí ẩn phải là năng lượng. Các quan sát về siêu tân tinh ở xa cho thấy tốc độ giãn nở của vũ trụ không chậm lại như các nhà khoa học từng cho rằng; trên thực tế, tốc độ giãn nở đang tăng lên. Sự gia tốc vũ trụ này khó có thể giải thích trừ khi một lực đẩy lan tỏa liên tục đẩy ra ngoài trên kết cấu của không gian và thời gian. Tại sao năng lượng tối tạo ra một trường lực đẩy thì hơi phức tạp. Thuyết lượng tử nói rằng các hạt ảo có thể xuất hiện trong khoảnh khắc ngắn ngủi nhất trước khi trở về hư vô. Điều đó có nghĩa là chân không của không gian không phải là một khoảng không thực sự. Thay vào đó, không gian chứa đầy năng lượng cấp thấp được tạo ra khi các hạt ảo và các đối tác phản vật chất của chúng xuất hiện và biến mất trong khoảnh khắc, để lại một trường rất nhỏ gọi là năng lượng chân không. Năng lượng đó sẽ tạo ra một loại áp suất âm hoặc lực đẩy, do đó giải thích tại sao sự giãn nở của vũ trụ lại tăng tốc. Hãy xem xét một phép so sánh đơn giản: Nếu bạn kéo một piston kín trong một bình rỗng, kín khí, bạn sẽ tạo ra một chân không gần như vậy. Lúc đầu, piston sẽ tạo ra ít lực cản, nhưng bạn kéo càng xa thì chân không càng lớn và piston sẽ kéo ngược lại bạn càng nhiều. Mặc dù năng lượng chân không trong không gian vũ trụ được bơm vào nó theo các quy tắc kỳ lạ của cơ học lượng tử, chứ không phải do ai đó kéo piston, ví dụ này minh họa cách lực đẩy có thể được tạo ra bởi áp suất âm.
3. Các nguyên tố nặng từ sắt đến urani được tạo ra như thế nào?
Cả vật chất tối và có thể là năng lượng tối đều bắt nguồn từ những ngày đầu tiên của vũ trụ, khi các nguyên tố nhẹ như helium và litium xuất hiện. Các nguyên tố nặng hơn hình thành sau đó bên trong các ngôi sao, nơi các phản ứng hạt nhân làm kẹt các proton và neutron lại với nhau để tạo thành hạt nhân nguyên tử mới. Ví dụ, 4 hạt nhân hydrogen (mỗi hạt nhân là một proton) hợp nhất thông qua một loạt các phản ứng thành một hạt nhân helium (hai proton và hai neutron). Đó là những gì xảy ra trong Mặt Trời của chúng ta và nó tạo ra năng lượng làm ấm Trái Đất. Nhưng khi phản ứng tổng hợp tạo ra các nguyên tố nặng hơn sắt, nó đòi hỏi phải có lượng neutron dư thừa. Do đó, các nhà thiên văn học cho rằng các nguyên tử nặng hơn được tổng hợp trong các vụ nổ siêu tân tinh, nơi có nguồn cung cấp neutron sẵn có, mặc dù chi tiết cụ thể về cách thức xảy ra điều này vẫn chưa được biết. Gần đây hơn, một số nhà khoa học đã suy đoán rằng ít nhất một số nguyên tố nặng nhất, chẳng hạn như vàng và chì, được hình thành trong các vụ nổ thậm chí còn mạnh hơn xảy ra khi hai ngôi sao neutron - những xác chết của sao nhỏ, đã cháy hết - va chạm và sụp đổ thành một lỗ đen.
4. Neutrino có khối lượng không?
Các phản ứng hạt nhân như phản ứng tạo ra các nguyên tố nặng cũng tạo ra một lượng lớn các mảnh hạ nguyên tử ma quái được gọi là neutrino. Chúng thuộc về một nhóm các hạt được gọi là lepton, chẳng hạn như electron quen thuộc và các hạt muon và tau. Vì neutrino hầu như không tương tác với vật chất thông thường nên chúng có thể cho phép quan sát trực tiếp vào lõi của một ngôi sao. Điều này chỉ hiệu quả nếu chúng ta có thể bắt giữ và nghiên cứu chúng, điều mà các nhà vật lý hiện đang học cách thực hiện.
Cách đây không lâu, các nhà vật lý cho rằng neutrino không có khối lượng, nhưng những tiến bộ gần đây chỉ ra rằng các hạt này có thể có khối lượng nhỏ. Bất kỳ bằng chứng nào như vậy cũng sẽ giúp xác thực các lý thuyết tìm kiếm mô tả chung về ba trong bốn lực tự nhiên là điện từ, lực mạnh và lực yếu. Ngay cả một chút khối lượng cũng sẽ tăng lên vì một số lượng lớn neutrino còn sót lại từ Big Bang.
5. Các hạt năng lượng cực cao đến từ đâu?
Các hạt năng lượng mạnh nhất tấn công chúng ta từ không gian, bao gồm neutrino cũng như các photon tia gamma và nhiều mảnh vỡ hạ nguyên tử khác, được gọi là tia vũ trụ. Chúng bắn phá Trái Đất mọi lúc; một số đang lao vút qua bạn khi bạn đọc bài viết này. Tia vũ trụ đôi khi rất mạnh, chúng phải được sinh ra trong các máy gia tốc vũ trụ được cung cấp năng lượng bởi các thảm họa có quy mô kinh hoàng. Các nhà khoa học nghi ngờ một số nguồn: chính Big Bang, sóng xung kích từ các siêu tân tinh sụp đổ thành các lỗ đen và vật chất được tăng tốc khi bị hút vào các lỗ đen khổng lồ ở trung tâm các thiên hà. Biết được các hạt này bắt nguồn từ đâu và chúng đạt được năng lượng khổng lồ như thế nào sẽ giúp chúng ta hiểu được cách các vật thể dữ dội này hoạt động.
6. Có cần một lý thuyết mới về ánh sáng và vật chất để giải thích những gì xảy ra ở năng lượng và nhiệt độ rất cao không?
Tất cả những bạo lực được trích dẫn trong câu hỏi 5 để lại một vệt bức xạ có thể nhìn thấy được, đặc biệt là dưới dạng tia gamma - những người anh em họ năng lượng cực cao của ánh sáng thông thường. Các nhà thiên văn học đã biết trong ba thập kỷ rằng những tia sáng rực rỡ của những tia này, được gọi là vụ nổ tia gamma, xuất hiện hàng ngày từ các hướng ngẫu nhiên trên bầu trời. Gần đây, các nhà thiên văn học đã xác định được vị trí của các vụ nổ và tạm thời xác định chúng là các vụ nổ siêu tân tinh lớn và các sao neutron va chạm với chính chúng và các lỗ đen. Nhưng ngay cả bây giờ, không ai biết nhiều về những gì xảy ra khi có quá nhiều năng lượng bay xung quanh. Vật chất trở nên quá nóng đến mức tương tác với bức xạ theo những cách không quen thuộc và các photon bức xạ có thể va chạm vào nhau và tạo ra vật chất mới. Sự khác biệt giữa vật chất và năng lượng trở nên mờ nhạt. Thêm vào yếu tố từ tính, các nhà vật lý chỉ có thể đưa ra những phỏng đoán sơ bộ về những gì xảy ra trong bối cảnh địa ngục này. Có lẽ các lý thuyết hiện tại đơn giản là không đủ để giải thích chúng.
Tất cả đều là khoa học đã biết và có thể dự đoán được, nhưng ở nhiệt độ và mật độ lớn hơn hàng tỷ lần so với trên Trái Đất, có khả năng các thành phần cơ bản của nguyên tử có thể tách rời hoàn toàn khỏi nhau, tạo thành plasma quark và năng lượng liên kết các quark lại với nhau. Các nhà vật lý đang cố gắng tạo ra trạng thái vật chất này, plasma quark-gluon, tại một máy va chạm hạt ở Đảo Long. Ở nhiệt độ và áp suất cao hơn nữa, vượt xa những gì các nhà khoa học có thể tạo ra trong phòng thí nghiệm, plasma có thể chuyển hóa thành một dạng vật chất hoặc năng lượng mới. Các pha chuyển đổi như vậy có thể tiết lộ các lực mới của tự nhiên.
Các lực mới này sẽ được thêm vào ba lực đã biết để điều chỉnh hành vi của quark. Cái gọi là lực mạnh là tác nhân chính liên kết các hạt này lại với nhau. Lực nguyên tử thứ hai, được gọi là lực yếu, có thể biến đổi một loại quark thành loại khác (có 6 "hương vị" khác nhau của quark - lên, xuống, duyên, lạ, đỉnh và đáy). Lực nguyên tử cuối cùng, lực điện từ, liên kết các hạt tích điện như proton và electron với nhau. Đúng như tên gọi của nó, lực mạnh là lực mạnh nhất trong ba lực, mạnh hơn lực điện từ hơn 100 lần và mạnh hơn lực yếu 10.000 lần. Các nhà vật lý hạt nghi ngờ ba lực này là những biểu hiện khác nhau của một trường năng lượng duy nhất theo cách tương tự như điện và từ là những khía cạnh khác nhau của trường điện từ. Trên thực tế, các nhà vật lý đã chỉ ra sự thống nhất cơ bản giữa lực điện từ và lực yếu.
Một số lý thuyết trường thống nhất cho rằng trong vũ trụ nguyên thủy cực nóng ngay sau Big Bang, các lực mạnh, lực yếu, lực điện từ và các lực khác là một, sau đó tan rã khi vũ trụ giãn nở và nguội đi. Khả năng xảy ra sự thống nhất của các lực trong vũ trụ mới sinh là lý do chính khiến các nhà vật lý hạt quan tâm sâu sắc đến thiên văn học và tại sao các nhà thiên văn học lại chuyển sang vật lý hạt để tìm manh mối về cách các lực này có thể đóng vai trò như thế nào trong sự ra đời của vũ trụ. Để sự thống nhất của các lực xảy ra, phải có một lớp hạt siêu lớn mới gọi là boson gauge. Nếu chúng tồn tại, chúng sẽ cho phép các quark biến đổi thành các hạt khác, khiến các proton nằm ở trung tâm của mọi nguyên tử bị phân rã. Và nếu các nhà vật lý chứng minh được proton có thể phân rã, phát hiện này sẽ xác minh sự tồn tại của các lực mới.
7. Có trạng thái vật chất mới ở nhiệt độ và mật độ cực cao không?
Lý thuyết về cách proton và neutron hình thành hạt nhân nguyên tử của các nguyên tố hóa học đã được phát triển tốt. Ở mật độ và nhiệt độ cực cao, proton và neutron có thể "hòa tan" thành "súp" không phân biệt gồm quark và gluon, có thể được thăm dò trong các máy gia tốc ion nặng. Mật độ cao hơn nữa xảy ra và có thể được thăm dò trong các sao neutron và vũ trụ sơ khai.
Máy va chạm ion nặng tương đối tính (RHIC) đang hoạt động tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven của DOE để nghiên cứu vật chất hạt nhân cực nóng và đặc. Máy va chạm các chùm hạt nhân vàng ở mức năng lượng đủ để tạo thành các hạt vi mô của súp nóng và đặc của các hạt cơ bản (quark và gluon) trước đây chỉ tồn tại trong vài micro giây đầu tiên sau khi Big Bang khởi nguồn vũ trụ của chúng ta. Dữ liệu thực nghiệm cho đến nay đã tiết lộ những đặc điểm bất ngờ và cung cấp manh mối hấp dẫn đầu tiên về khả năng hình thành plasma quark-gluon.
Các nhà vật lý trên toàn thế giới quan tâm đến các vụ va chạm RHIC, xảy ra hàng nghìn lần mỗi giây. Mỗi vụ va chạm hoạt động như một nồi áp suất cực nhỏ, tạo ra nhiệt độ và áp suất cực đoan hơn cả hiện tại ngay cả trong lõi của những ngôi sao nóng nhất. Trên thực tế, nhiệt độ bên trong một vụ va chạm RHIC có thể vượt quá 1.000.000.000.000 độ trên độ không tuyệt đối, gấp khoảng mười nghìn lần nhiệt độ của Mặt Trời. Mặc dù các vụ va chạm RHIC có thể cực nhanh và cực nóng, khiến chúng trở nên thú vị đối với các nhà vật lý, nhưng chúng quá nhỏ và quá ngắn để trở nên nguy hiểm.
Trong một thí nghiệm RHIC sử dụng máy dò PHENIX khổng lồ, tác động của hai hạt nhân vàng đã đẩy ra ít hạt ngang với trục va chạm hơn so với lý thuyết tiêu chuẩn dự đoán. Đây là chỉ báo đầu tiên về trạng thái kỳ lạ của vật chất, nhưng cần nhiều bằng chứng hơn nữa. Bằng cách kết hợp phát hiện này với nhiều phát hiện khác sẽ xuất hiện trong vài năm tới, các nhà nghiên cứu có thể hiểu được trạng thái vật chất chưa từng tồn tại kể từ buổi bình minh của vũ trụ.
8. Proton có không bền không?
Trong trường hợp bạn lo lắng rằng các proton tạo nên bạn sẽ phân rã, biến bạn thành một vũng các hạt cơ bản và năng lượng tự do, đừng lo lắng. Nhiều quan sát và thí nghiệm khác nhau cho thấy rằng proton phải ổn định trong ít nhất một tỷ tỷ tỷ năm. Tuy nhiên, nhiều nhà vật lý tin rằng nếu ba lực nguyên tử thực sự chỉ là những biểu hiện khác nhau của một trường thống nhất duy nhất, thì các boson siêu lớn giả kim được mô tả ở trên sẽ thỉnh thoảng hình thành từ quark, khiến quark và proton mà chúng tạo thành bị suy biến.
Thoạt nhìn, bạn sẽ được tha thứ vì nghĩ rằng những nhà vật lý này cho rằng các quark nhỏ không có khả năng sinh ra các boson khổng lồ nặng hơn 10.000.000.000.000.000 lần chính chúng. Nhưng có một thứ gọi là nguyên lý bất định Heisenberg, nói rằng bạn không bao giờ có thể biết cả động lượng và vị trí của một hạt cùng một lúc, và nó gián tiếp cho phép một đề xuất vô lý như vậy. Do đó, có thể một boson lớn bật ra khỏi một quark tạo nên một proton trong một thời gian rất ngắn và khiến proton đó phân rã.
9. Trọng lực là gì?
Tiếp theo là vấn đề về trọng lực, lực kỳ lạ khi nói đến các hạt nhỏ và năng lượng giữ chúng lại với nhau. Khi Einstein cải tiến lý thuyết của Newton, ông đã mở rộng khái niệm về trọng lực bằng cách tính đến cả trường hấp dẫn cực lớn và các vật thể chuyển động với vận tốc gần bằng tốc độ ánh sáng. Những phần mở rộng này dẫn đến các khái niệm nổi tiếng về thuyết tương đối và không-thời gian. Nhưng các lý thuyết của Einstein không chú ý đến cơ học lượng tử, lĩnh vực của những thứ cực nhỏ, vì lực hấp dẫn không đáng kể ở quy mô nhỏ và các bó rời rạc của trọng lực, không giống như các bó năng lượng rời rạc giữ các nguyên tử lại với nhau, chưa bao giờ được quan sát thấy trong thực nghiệm. Tuy nhiên, có những điều kiện khắc nghiệt trong tự nhiên mà trong đó lực hấp dẫn buộc phải tiếp cận gần và trực tiếp với những thứ nhỏ bé. Ví dụ, gần tâm của một lỗ đen, nơi một lượng lớn vật chất bị nén vào không gian lượng tử, lực hấp dẫn trở nên rất mạnh ở khoảng cách rất nhỏ. Điều tương tự cũng đúng trong vũ trụ nguyên thủy dày đặc vào khoảng thời gian Big Bang. Nhà vật lý Stephen Hawking đã xác định một vấn đề cụ thể về lỗ đen đòi hỏi phải có sự kết nối giữa cơ học lượng tử và lực hấp dẫn trước khi chúng ta có thể có một lý thuyết thống nhất về bất cứ thứ gì. Theo Hawking, khẳng định rằng không có gì, ngay cả ánh sáng, có thể thoát khỏi lỗ đen là không hoàn toàn đúng. Năng lượng nhiệt yếu thực sự tỏa ra từ xung quanh lỗ đen. Hawking đưa ra giả thuyết rằng năng lượng này được sinh ra khi các cặp hạt-phản hạt hình thành từ chân không trong vùng lân cận của lỗ đen. Trước khi các hạt vật chất-phản vật chất có thể kết hợp lại và triệt tiêu lẫn nhau, một hạt có thể ở gần lỗ đen hơn một chút sẽ bị hút vào, trong khi hạt còn lại ở xa hơn một chút sẽ thoát ra dưới dạng nhiệt. Công bố này không kết nối theo bất kỳ cách rõ ràng nào với các trạng thái vật chất và năng lượng trước đó đã bị hút vào hố đen đó và do đó vi phạm định luật vật lý lượng tử quy định rằng mọi sự kiện phải có thể truy nguyên đến các sự kiện trước đó. Có thể cần các lý thuyết mới để giải thích vấn đề này.
10. Có những chiều không gian bổ sung không?
Tự hỏi về bản chất thực sự của lực hấp dẫn cuối cùng dẫn đến tự hỏi liệu có nhiều hơn bốn chiều mà chúng ta có thể dễ dàng quan sát được hay không. Để đến được nơi đó, trước tiên chúng ta có thể tự hỏi liệu thiên nhiên có thực sự là tâm thần phân liệt không: Chúng ta có nên chấp nhận rằng có hai loại lực hoạt động trên hai thang đo khác nhau không: Lực hấp dẫn đối với các thang đo lớn như thiên hà, ba lực còn lại đối với thế giới nhỏ bé của các nguyên tử? Poppycock, người ủng hộ lý thuyết thống nhất nói rằng phải có một cách nào đó để kết nối ba lực ở thang đo nguyên tử với lực hấp dẫn. Có thể, nhưng sẽ không dễ dàng. Trước hết, lực hấp dẫn là lực kỳ lạ. Thuyết tương đối rộng của Einstein nói rằng lực hấp dẫn không phải là một lực mà là một đặc tính vốn có của không gian và thời gian. Theo đó, Trái Đất quay quanh Mặt Trời không phải vì nó bị lực hấp dẫn thu hút mà vì nó bị kẹt trong một vết lõm lớn trong không-thời gian do Mặt Trời tạo ra và quay xung quanh bên trong vết lõm này giống như một viên bi chuyển động nhanh bị kẹt trong một cái bát lớn. Thứ hai, lực hấp dẫn, theo như chúng ta có thể phát hiện, là một hiện tượng liên tục, trong khi tất cả các lực khác của tự nhiên đều xuất hiện theo từng bó rời rạc.
Tất cả những điều này dẫn chúng ta đến các nhà lý thuyết dây và lời giải thích của họ về lực hấp dẫn, bao gồm các chiều không gian khác. Mô hình lý thuyết dây ban đầu của vũ trụ kết hợp lực hấp dẫn với ba lực khác trong một thế giới phức tạp 11 chiều. Trong thế giới đó - thế giới của chúng ta có 7 chiều được bao bọc trong chính chúng trong các vùng nhỏ không thể tưởng tượng được mà chúng ta không nhận thấy. Một cách để hiểu được những chiều không gian bổ sung này là hình dung một sợi tơ nhện đơn lẻ. Đối với mắt thường, sợi tơ có vẻ là 1 chiều, nhưng ở độ phóng đại cao, nó phân giải thành một vật thể có chiều dài, chiều rộng và chiều cao đáng kể. Các nhà lý thuyết dây lập luận rằng chúng ta không thể nhìn thấy các chiều không gian bổ sung vì chúng ta không có các công cụ đủ mạnh để phân giải chúng. Chúng ta có thể không bao giờ nhìn thấy trực tiếp các chiều không gian bổ sung này, nhưng chúng ta có thể phát hiện ra bằng chứng về sự tồn tại của chúng bằng các công cụ của các nhà thiên văn học và nhà vật lý hạt.
11. Vũ trụ bắt đầu như thế nào?
Nếu cả 4 lực của tự nhiên thực sự là một lực duy nhất có các trạng thái khác nhau ở nhiệt độ dưới vài triệu độ, thì vũ trụ nóng và đặc không tưởng tồn tại ở Big Bang hẳn phải là nơi mà sự phân biệt giữa lực hấp dẫn, lực mạnh, hạt và phản hạt không có ý nghĩa gì. Các lý thuyết của Einstein về vật chất và không-thời gian, phụ thuộc vào các chuẩn mực quen thuộc hơn, không thể giải thích được nguyên nhân khiến điểm nóng nguyên thủy của vũ trụ phình to thành vũ trụ mà chúng ta thấy ngày nay. Chúng ta thậm chí còn không biết tại sao vũ trụ lại chứa đầy vật chất. Theo các ý tưởng vật lý hiện tại, năng lượng trong vũ trụ sơ khai hẳn phải tạo ra hỗn hợp vật chất và phản vật chất bằng nhau, sau đó sẽ hủy diệt lẫn nhau. Một cơ chế bí ẩn và rất hữu ích nào đó đã làm thay đổi cán cân theo hướng có lợi cho vật chất, để lại đủ để tạo ra các thiên hà đầy sao.
May mắn thay, vũ trụ nguyên thủy đã để lại một vài manh mối. Một là bức xạ phông nền vi ba của vũ trụ, dư âm của Big Bang. Trong nhiều thập kỷ nay, bức xạ yếu đó đo được như nhau ở bất cứ nơi nào các nhà thiên văn học nhìn vào các rìa của vũ trụ. Các nhà thiên văn học tin rằng sự đồng nhất như vậy có nghĩa là Big Bang bắt đầu bằng sự phình to của không-thời gian diễn ra nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Tuy nhiên, quan sát kĩ lưỡng gần đây hơn cho thấy bức xạ phông nền vũ trụ không hoàn toàn đồng nhất. Có những biến thể cực nhỏ từ một mảng không gian nhỏ này sang một mảng không gian nhỏ khác được phân bố ngẫu nhiên. Liệu những biến động lượng tử ngẫu nhiên trong mật độ của vũ trụ sơ khai có để lại dấu vân tay này không? Rất có thể, theo Michael Turner, chủ tịch khoa vật lý thiên văn tại Đại học Chicago và là chủ tịch của ủy ban đưa ra 11 câu hỏi này. Turner và nhiều nhà vũ trụ học khác hiện tin rằng những khối của vũ trụ, những khoảng không rộng lớn được phân chia bởi các thiên hà và cụm thiên hà. Có lẽ là những phiên bản phóng đại rất nhiều của những biến động lượng tử của vũ trụ ban đầu có kích thước hạ nguyên tử. Và đó chỉ là kiểu kết hợp giữa vĩ mô và vi mô khiến các nhà vật lý hạt nhân trở nên gần gũi với các nhà thiên văn học ngày nay, và tại sao cả 11 bí ẩn này có thể sớm được giải thích bằng một ý tưởng.
Comments
Post a Comment