 |
Loài người từng tin rằng Trái Đất là trung tâm của hệ Mặt Trời cho đến khi Nicolaus Copernicus, nhà thiên văn học người Ba Lan, chứng mình rằng Trái Đất của chúng ta chỉ là một hành tinh xoay quanh Mặt Trời.
Sau đó, Newton đã chứng minh nguyên lý đứng sau các hành tinh quay quanh Mặt Trời với định luật vạn vật hấp dẫn. Ông cho biết các vật thể càng lớn, lực hút giữa chúng càng lớn, nhưng chúng càng cách xa nhau, sức hút càng yếu.
Tiếp đến là thuyết tương đối của Albert Einstein, ông cho rằng tất cả vật thể trong vũ trụ đều nằm trên "một tấm vải", là sự liên tục bốn chiều được gọi là không-thời gian và gây biến dạng. Các vật thể khổng lồ như Mặt Trời làm cong không-thời gian xung quanh chúng, do đó quỹ đạo của Trái Đất chỉ đơn giản là kết quả của việc hành tinh của chúng ta tuân theo độ cong này, tương tự như lực hấp dẫn Newton.
Thuyết lượng tử có mâu thuẫn với khái niệm không-thời gian?
Bên cạnh đó, chúng ta cũng có một khái niệm khác đó là thuyết lượng tử. Trong thế giới lượng tử, một hệ vật lý luôn có sự chồng chéo trạng thái. Cụ thể một hạt có thể tồn tại ở nhiều nơi hoặc có nhiều vận tốc cùng lúc.
Vào những năm 1930, nhà vật lý Erwin Schrödinger đã nghĩ ra một thí nghiệm tưởng tượng mà ngày nay vẫn được gọi là “con mèo của Schrödinger” để bàn luận về thuyết lượng tử này.
Giả sử có một chiếc hộp kín, bên trong là một con mèo còn sống kèm theo một lọ thuốc độc và một chất phóng xạ mà sau khoảng một giờ sẽ bị phân rã (nhưng cũng có thể không). Nếu có xuất hiện phân rã, nó sẽ được ghi nhận bởi thiết bị đo trạng thái lượng tử và kích hoạt máy đếm làm cho chiếc búa được thả xuống làm vỡ lọ thuốc độc, chất độc sẽ giết chết con mèo. Nếu lọ thuốc không bị vỡ thì con mèo vẫn sống.
Vấn đề ở đây là cho đến khi phép đo được thực hiện, con mèo sẽ nằm trong hai trạng thái chồng chất là sống và chết.
 |
| Các vật thể khổng lồ làm cong cấu trúc không gian và thời gian xung quanh chúng, dẫn đến các vật thể lân cận đi theo một đường cong. Ảnh: Space. |
Điều này không thể dung hòa với tính liên tục của không-thời gian. “Trường hấp dẫn không thể ở hai nơi cùng một lúc”, Sabine Hossenfelder, nhà vật lý lý thuyết tại Viện Nghiên cứu Cao cấp Frankfurt cho biết.
Theo Einstein, không-thời gian bị vật chất và năng lượng làm cong vênh, nhưng theo vật lý lượng tử thì vật chất và năng lượng tồn tại ở nhiều trạng thái đồng thời. "Vậy trường hấp dẫn ở đâu", Hossenfelder đặt câu hỏi. Tuy nhiên không ai có câu trả lời cho câu hỏi đó.
Đi tìm lời giải
Để có thể dung hòa giữa hai lý thuyết, các nhà vật lý đã cố gắng tìm một lý thuyết chung giải quyết được cả vật lý lượng tử và thuyết không-thời gian. Có lẽ lý thuyết nổi tiếng nhất là thuyết dây của nhà vật lý Andrew Strominger.
Đó là ý tưởng cho rằng các hạt dưới nguyên tử như electron và quark được tạo ra từ sự dao động liên tục của những sợi siêu nhỏ chứ không phải từ tập hợp các hạt. Tuy nhiên, các sợi dây phải rung theo 11 chiều, trong khi kết cấu không-thời gian của Einstein chỉ có 4 chiều.
“Thuyết dây là một phép toán thú vị, nhưng liệu nó có mô tả đúng không-thời gian mà chúng ta đang sống hay không, ta cần một thí nghiệm để chứng minh điều đó”, Giáo sư Jorma Louko từ Đại học Nottingham cho biết.
 |
| Thuyết dây, một cách để dung hòa giữa thuyết tương đối và thuyết lượng tử nói rằng thực tế được tạo ra từ những sợi dây rung động. Ảnh: Spice. |
Phát triển từ những hạn chế của lý thuyết dây, các nhà vật lý khác đã chuyển sang một giải pháp thay thế gọi là Lực hấp dẫn lượng tử vòng (LQG). Họ lập luận không-thời gian được tạo thành từ một loạt các vòng lặp đan xen có cấu trúc ở các thang kích thước nhỏ nhất, giống như một tấm vải. Tuy nhiên, nó được làm bằng một mạng lưới các đường khâu, hoặc giống như một bức ảnh trên máy tính, được làm từ các pixel riêng lẻ.
Theo các nhà vật lý nghiên cứu LQG, các vòng lặp này rất nhỏ, đến nỗi số lượng vòng trong một centimet khối không gian còn nhiều hơn thể tích toàn bộ vũ trụ quan sát được tính theo centimet khối.
“Nếu không-thời gian chỉ khác nhau trên thang Planck thì điều này sẽ khó kiểm tra trong bất kỳ máy gia tốc hạt nào”, Louko cho biết. Bạn sẽ cần một máy đập nguyên tử mạnh hơn 1.000 nghìn tỷ lần so với máy gia tốc hạt lớn (LHC) tại CERN.
Để tìm câu trả lời, các nhà khoa học phải dùng ánh sáng từ tia Gamma ở khoảng cách xa để tìm kiếm bằng chứng cho LQG. Những tín hiệu chúng ta thu nhận được từ trong vũ trụ có thể đã đi qua hàng tỷ năm ánh sáng, trải qua ảnh hưởng của không-thời gian. Những tia chớp vũ trụ phát ra khi các ngôi sao đi hết vòng đời của chúng, các nhà khoa học vẫn cố gắng tìm hiểu ý nghĩa của các vụ nổ ngoài không gian này.
"Dải phổ của chúng có độ méo mang tính hệ thống", ông Hossenfelder nhận xét. Tuy nhiên, vấn đề hiện nay là tìm câu trả lời cho nguyên nhân gây ra độ méo này.
 |
| Một bức tranh thay thế cho biết không gian và thời gian không trơn tru, mà thay vào đó được tạo bởi một loạt các vòng lặp nhỏ. Ảnh: Space. |
Hiện tượng rối lượng tử
Theo Einstein, không-thời gian vẫn luôn tồn tại ngay cả khi không có bất kì ngôi sao hoặc hành tinh nào tồn tại xung quanh nó. Tuy nhiên, các nhà vật lý Laurent Freidel, Robert Leigh và Djordje Minic cho rằng không-thời gian không tồn tại độc lập với các vật thể trong đó. Theo họ, không-thời gian được xác định bởi sự tương tác giữa các vật thể. "Điều này nghe có vẻ khó hiểu, nhưng đó là cách tốt nhất để tiếp cận vấn đề", ông Minic cho biết.
Lý thuyết nói trên được gọi là mô-đun của không-thời gian (modular space-time), điều này có thể lý giải cho một hiện tượng nổi tiếng có tên "rối lượng tử".
Hiện tượng rối lượng tử là khi hai hạt nguyên tử được đưa lại gần nhau và liên kết các đặc tính lượng tử của chúng. Sau đó, khi các nhà khoa học tách chúng ra xa nhau, họ nhận thấy các hạt vẫn giữ được liên kết thuộc tính. Khi thay đổi thuộc tính của một hạt, hạt ở đầu kia sẽ cảm nhận được thay đổi này ngay lập tức, nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Einstein đã bị rối bởi hiện tượng này đến mức ông gọi nó là 'tác động ma quái ở khoảng cách xa', bởi theo ông tốc độ ánh sáng là lớn nhất.
Lý thuyết mô-đun không-thời gian có thể điều chỉnh thuộc tính của một hạt bằng cách nhìn vào "sự tách biệt" ở một khía cạnh khác. Nếu không-thời gian xuất hiện từ thế giới lượng tử, thì việc ở gần hơn theo nghĩa lượng tử sẽ đơn giản hơn nghĩa vật lý.
“Mỗi người sẽ có khái niệm khác nhau tùy thuộc vào ngữ cảnh ”, Minic cho biết. Nó giống như mối quan hệ giữa người với người. Chúng ta có thể cảm thấy gần gũi với người thân ở xa hơn là những người lạ ở xung quanh", Hossenfelder nói thêm.
 |
| Albert Einstein đưa ra bức tranh Newton về lực hấp dẫn như một lực, thay thế nó bằng không-thời gian. Ảnh: Science Photo Library. |
Freidel, Leigh và Minic đã làm việc với ý tưởng của họ trong 5 năm qua và tin rằng họ đang từng bước hoàn thiện được nó. Theo Minic, điều này sẽ là một cách tiếp cận mới lạ nhằm đưa khái niệm lực hấp dẫn vào thế giới lượng tử, thay vì lượng tử hóa lực hấp dẫn như với lý thuyết LQG. Tuy nhiên, bất kỳ lý thuyết khoa học nào cũng cần được thử nghiệm xác thực. Hiện tại, bộ ba đang tìm cách để đưa thời gian vào mô hình của họ.
Khám phá mới này có thể có ảnh hưởng sâu sắc hơn đến cuộc sống hàng ngày của chúng ta. “Tất cả các thiết bị hiện tại của ta chỉ hoạt động nhờ vào lý thuyết lượng tử. Nếu chúng ta hiểu rõ hơn về cấu trúc lượng tử của không-thời gian, điều đó sẽ có tác động đến các công nghệ trong tương lai - có thể trong 200 năm nữa", ông Hossenfelder nói.
