Nếu không - thời gian giống như một chất lỏng - một khái niệm mà một số nhà vật lý nói có thể giúp giải quyết sự bất đồng giữa hai lý thuyết chủ đạo của vật lý - thì nó phải là một chất lỏng rất đặc biệt. Một nghiên cứu gần đây so sánh các quan sát vật lý thiên văn với các dự đoán dựa trên khái niệm của "chất lỏng không - thời gian", và tìm thấy ý tưởng chỉ hoạt động nếu không - thời gian là vô cùng nhẵn mịn và chảy tự do - hay nói cách khác, đó là một siêu chất lỏng.

Suy nghĩ không thời gian như một chất lỏng có thể là một phép loại suy hữu ích. Chúng ta thường hình dung không gian và thời gian như là phông nền cơ bản của vũ trụ. Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu chúng không phải là cơ bản, và được tạo ra để thay thế các thành phần nhỏ hơn đang tồn tại trong một lớp sâu hơn mà thực tế chúng ta không thể cảm nhận được? Nếu đó là một trường hơp, các tính chất của không thời gian sẽ "xuất hiện" từ tính chất vật lý căn bản của các thành phần của nó, cũng giống như các tính chất của nước xuất hiện từ các hạt tạo thành nó. "Nước được cấu thành một cách rời rạc, từ những phân tử riêng biệt, tương tác với các phân tử khác theo các định luật của cơ học lượng tử, nhưng nước lỏng lại hiện diện một cách liên tục, chúng có thể chảy, trong suốt và có thể khúc xạ ánh sáng," theo giải thích của Ted Jacobson, một nhà vật lý tại Đại học Maryland, Colledge Park. "Đó là tất cả các tính chất "nổi bật" không thể tìm thấy trong các phân tử đơn lẻ, mặc dù cuối cùng các tính chất đó xuất phát từ các tính chất của các phân tử kia."

Vật lý Thiên văn - vatlythienvan.comÁnh sáng từ tinh vân Con Cua, thể hiện ở đây trong một bức ảnh từ kính viễn vọng không gian Hubble, giới hạn khả năng của chất lỏng không-thời gian. Ảnh: NASA/ESA/ASU/J. Hester

Các nhà vật lý đã xem xét khả năng này từ những năm 1990 trong một nỗ lực để hòa giải lý thuyết chủ đạo của lực hấp dẫn trên quy mô lớn - thuyết tương đối tổng quát - với lý thuyết thống trị các thành phần vô cùng nhỏ của vũ trụ - cơ học lượng tử. Cả hai lý thuyết này hiện diện và hoạt động hoàn hảo trong lĩnh vực của mình, nhưng lại xung đột với nhau trong tình huống kết hợp giữa quy mô lớn và quy mô nhỏ, chẳng hạn như trường hợp của lỗ đen (khối lượng vô cùng lớn, kích thước vô cùng nhỏ). Nhiều nhà vật lý đã cố gắng để giải quyết vấn đề này bằng cách "lượng tử hóa" hấp dẫn - chia nó thành những phần nhỏ hơn, cũng như cơ học lượng tử chia nhỏ nhiều phần thành các gói rời rạc, như mức năng lượng của các hạt chẳng hạn. "Có rất nhiều nỗ lực để lượng tử hóa hấp dẫn - lý thuyết dây và lý thuyết hấp dẫn lượng tử vòng là các phương pháp thay thế có thể sử dụng để đi trước một bước," theo lời Stefano Liberati, một nhà vật lý tại trường năng khiếu quốc tế (SISSA) ở Trieste, Ý. "Nhưng có thể bạn không cần đến lượng tử hoa hấp dẫn; bạn chỉ cần lượng tử hóa đối tượng cơ bản tạo nên không - thời gian."

Liberati, cùng với đồng nghiệp Luca Maccione ở Đại học Ludwig Maximilian, Munich, gần đây đã khám phá ra cách mà ý tưởng đó có thể tác động đến ánh sáng di chuyển trong vũ trụ. Một không - thời gian ló, một khi hoạt động như một chất lỏng, có thể không phân biệt ngay lập tức với không thời gian của lý thuyết khác. Nhưng trong những tình huống đặc biệt, chẳng hạn như với các hạt ánh sáng đầy năng lượng, Liberati và Maccione nhận ra rằng một số sự khác biệt sẽ cần được chú ý. Thực tế là, bằng các quan sát kiểm tra các photon năng lượng cao bay trong vũ trụ từ Tinh vân Con Cua (Crab Nebula), các nhà vật lý đã có thể loại trừ một số phiên bản của không - thời gian ló.

Một cách tương tự, các hạt sẽ di chuyển xuyên qua không - thời gian như sóng đại dương, và các định luật của cơ học chất lưu - vật lý vật chất ngưng tụ - sẽ được áp dụng. Trước đây các nhà vật lý hình dung cách các hạt với năng lượng khác nhau sẽ phân tán trong không -thời gian cũng như sóng ở các bước sóng khác nhau phân tán hoặc di chuyển ở các tốc độ khác nhau ở trong môi trường nước. Nghiên cứu mới nhất của Liberati và Maccione đã tính đến một hiệu ứng chất lưu: phân tán. Cũng như sóng di chuyển qua một môi trường, chúng bị mất năng lượng theo không - thời gian. Tác động suygiảm này cũng xảy ra với các photon di chuyển trong không - thời gian. Mặc dù các tác động này rất nhỏ, thì các photon năng lượng cao di chuyển quãng đường rất dài cũng sẽ mất một số năng lượng đáng kể, theo các nhà nghiên cứu.

Một ví dụ thực tế là Tinh vân Con Cua, một tàn dư Siêu Sao Mới cách Trái Đất khoảng 6500 năm ánh sáng phát ra tia gamma và tia X năng lượng cao. Vào thời điểm các tia này đến với kính thiên viễn vọng của chúng ta, năng lượng của chúng đã tiên tan phần nào nếu không - thời gian có các tính chất của chất lỏng. Tuy nhiên, các quan sát với tinh vân Con Cua cho thấy không có dấu hiệu của các tác động như vậy. "Chúng ta thấy quang phổ sẽ phải bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi việc mất năng lượng này, ngay cả khi nó chỉ là hiệu ứng rất nhỏ, bởi vì chúng di chuyển quá lâu," theo lời Liberati. Việc thiếu mất dấu hiệu phân tán buộc các nhà nghiên cứu đặt những ràng buộc mạnh vào những hiệu ứng chất lỏng để có thể có mặt trong không - thời gian, và cho thấy chúng phải cực kỳ nhỏ nếu chúng có hiện diện. "Điều này không phải nói lên rằng ý tưởng này đã hoàn toàn bị loại trừ," theo lời Liberati. Tuy nhiên, các phát hiện này thu hẹp các khả năng của chất lỏng không - thời gian để giống chất lỏng có độ nhớt rất thấp gần như không có sự suy giảm nào - siêu chất lỏng.

Ngay cả những người ủng hộ ý tưởng chất lỏng không - thời gian cũng nói rằng ý tưởng này không quá phổ biến, và có lẽ khó xảy ra. Nhưng cũng có thể nó đúng? "Tôi hoàn toàn không biết," theo lời Renaud Parentani, một nhà vật lý ở Đại Học Nam Paris, người ban đầu đề xuất ý tưởng về hiệu ứng phân tán. "Ý kiến thẳng thắn của tôi là không ai có bất kỳ ý tưởng nào. Tất cả chúng ta có thể làm là mô hình hóa các khả năng khác nhau."

Nếu siêu chất lỏng không - thời gian là thật, trong đó photon với năng lượng khác nhau di chuyển ở vận tốc khác nhau hoặc phân tán theo thời gian, thì nó có nghĩa là thuyết tương đối không bao gồm tất cả mọi tình huống. Một trong những nguyên lý chính của thuyết tương đối, bất biến Lorentz, cho rằng tốc độ ánh sáng là không đổi, bất kể quan sát ở khung hình nào. "Khả năng không - thời gian chúng ta biết xuất hiện từ thứ gì đó vi phạm thuyết tương đối là một điều khá cấp tiến," theo lời Jacobson. Tuy nhiên, rõ ràng nó là một con đường tiềm năng hướng đến sự điều chỉnh một số vấn đề phát sinh khi cố gắng kết hợp thuyết tương đối và cơ học lượng tử. "Vi phạm thuyết tương đối sẽ mở ra khả năng loại bỏ một lượng vô hạn phát sinh trong lý thuyết hiện nay và nó dường như không giống như vật lý chính xác."

Vì vậy, nếu không thời gian là một chất siêu lỏng, thì sau đó nó sẽ là hướng phát triển tốt đối với các nhà vật lý lý thuyết.

Hien PHAN
Theo Nature

Author: Hien PHAN
Cựu thành viên CLB Thiên văn học Đà Nẵng - DAC; nghiên cứu viên tại khoa Vũ trụ và Ứng dụng, trường Đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội - USTH (Đại học Việt Pháp).


Bài viết xem nhiều