Lý giải về không gian và thời gian

Nhiều nhà nghiên cứu tin rằng vật lí học sẽ không hoàn thiện cho đến khi nó có thể lí giải không những hành trạng của không gian và thời gian, mà cả những thực thể này có gốc gác từ đâu nữa. Zeeya Merali (Nature) “Hãy tưởng tượng một sớm mai thức dậy và nhận ra rằng thật ra bạn đang sống trong một trò chơi vi tính,” Mark Van Raamsdonk mô tả cái nghe giống như một tình tiết trong phim khoa học viễn tưởng. Nhưng đối với Van Raamsdonk, một nhà vật lí tại trường Đại học British Columbia ở Vancouver, Canada, kịch bản này là một cách để nghĩ về thực tại. Nếu đúng như vậy, theo ông, “mọi thứ xung quanh chúng ta – toàn bộ thế giới vật chất ba chiều – là một ảo giác ra đời từ thông tin mã hóa ở đâu đó, trên một con chip hai chiều.” Ảo giác đó sẽ tạo ra Vũ trụ của chúng ta, với ba chiều không gian của nó, một loại ảnh toàn kí, được chiếu ra từ một chất nền chỉ tồn tại trong những chiều thấp hơn. ‘Nguyên lí toàn kí’ này thật lạ lùng, dù là nhìn bằng các tiêu chuẩn thông thường của vật lí học lí thuyết. Nhưng Raamsdonk là một trong một nhóm nhỏ gồm những nhà nghiên cứu nghĩ rằng các quan niệm thông thường là chưa đủ mức lạ lẫm. Nếu không, theo họ, không lí thuyết nào trong hai cột trụ chính của vật lí học hiện đại – thuyết tương đối rộng, lí thuyết mô tả lực hấp dẫn là sự cong của không gianv à thời gian, và cơ học lượng tử, lí thuyết chi phối thế giới nguyên tử - chẳng giải thích nổi sự tồn tại của không gian và thời gian. Tình trạng bế tắc cũng xảy ra với lí thuyết dây, lí thuyết mô tả những sợi chỉ sơ cấp của năng lượng. Van Raamsdonk và các đồng sự của ông bị thuyết phục rằng vật lí học sẽ không hoàn thiện cho đến khi nó có thể lí giải không gian và thời gian xuất hiện như thế nào từ cái gì đó sơ cấp hơn – một dự án sẽ cần đến các khái niệm ít nhất phải táo bạo như ảnh toàn kí. Họ cho rằng một sự nhận thức lại triệt để của thực tại như thế là cách duy nhất để giải thích cái xảy ra khi ‘kì dị’ đặc vô hạn tại lõi của một lỗ đen làm biến dạng cấu trúc không-thời gian vượt ngoài mọi nhận thức, hay làm thế nào các nhà nghiên cứu có thể thống nhất lí thuyết lượng tử cấp độ nguyên tử và thuyết tương đối rộng quy mô hành tinh – một dự án đã làm hao mòn trí lực của các nhà lí thuyết qua nhiều thế hệ. “Toàn bộ kinh nghiệm cho chúng ta biết rằng chúng ta không nên có hai quan niệm khác nhau kịch tính của thực tại – phải có một lí thuyết lớn bao quát hơn,” phát biểu của nhà vật lí Abhay Ashtekar tại trường Đại học Pennsylvania. Việc tìm kiếm một lí thuyết lớn như thế là hết sức thách thức. Dưới đây, Nature điểm qua một số hướng nghiên cứu triển vọng – cùng với một số ý tưởng đang xuất hiện đề xuất làm thế nào kiểm tra những khái niệm này. Lực hấp dẫn là nhiệt động lực học Một trong những câu hỏi hiển nhiên nhất là liệu cố gắng này có là một trò ngớ ngẩn hay không. Đâu là bằng chứng cho biết thật sự có cái gì đó sơ cấp hơn cả không gian và thời gian? Một dấu hiệu trêu ngươi đến từ một loạt khám phá đáng chú ý vào đầu thập niên 1970, khi người ta trở nên rõ ràng rằng cơ học lượng tử và lực hấp dẫn hòa quyện mật thiết với nhiệt động lực học, ngành khoa học nhiệt. Nổi tiếng nhất là vào năm 1974, Stephen Hawking thuộc trường Đại học Cambridge ở Anh chứng minh rằng các hiệu ứng lượng tử trong không gian xung quanh một lỗ đen sẽ làm cho nó phun trào bức xạ như thể nó là nóng. Những nhà vật lí khác nhanh chóng xác nhận hiện tượng này là khá khái quát. Ngay cả trong không gian hoàn toàn trống rỗng, theo họ, một nhà du hành sẽ vẫn chịu gia tốc do bị vây quanh bởi một bể nhiệt. Hiệu ứng sẽ quá nhỏ để cảm nhận cho bất kì gia tốc nào có thể thu được bởi tên lửa, nhưng nó có vẻ là cơ bản. Nếu thuyết lượng tử và thuyết tương đối rộng là đúng – và cả hai lí thuyết đã được chứng thực nhiều lần bởi thí nghiệm – thì sự tồn tại của bức xạ Hawking có vẻ là không thể tránh khỏi. Khám phá chủ chốt thứ hai có liên hệ mật thiết với nhiệt động lực học. Theo nhiệt động lực học, một vật có thể phát ra nhiệt chỉ bằng cách giảm entropy của nó, một số đo số lượng trạng thái lượng tử bên trong nó. Và nó đúng với các lỗ đen: ngay trước khi có bài báo năm 1974 của Hawking, Jacob Bekenstein, nay làm việc tại trường Đại học Hebrew Jerusalam, đã chứng minh rằng các lỗ đen có entropy. Nhưng có một khác biệt. Ở đa số các vật, entropy tỉ lệ với số nguyên tử mà vật đó chứa, và do đó tỉ lệ với thể tích của nó. Nhưng entropy của một lỗ đen hóa ra lại tỉ lệ với diện tích bề mặt của chân trời sự kiện của nó – tức đường ranh giới mà bên trong đó ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát ra ngoài. Như thể là bề mặt đó bằng cách nào đó mã hóa thông tin về cái chứa bên trong, giống hệt như một ảnh toàn kí hai chiều mã hóa một hình ảnh ba chiều. Năm 1995, Ted Jacobson, một nhà vật lí tại trường Đại học Maryland ở College Park, đã kết hợp hai kết quả này, và giả thuyết rằng mỗi điểm trong không gian nằm trên một ‘chân trời lỗ đen’ nhỏ xíu cũng tuân theo liên hệ entropy-diện tích. Từ đó, ông tìm thấy toán học đã mang lại các phát triển Einstein của thuyết tương đối rộng – nhưng chỉ sử dụng các khái niệm nhiệt động lực học, không cần dùng đến khái niệm bẻ cong không-thời gian.1 “Kết quả này có vẻ nói lên cái gì đó sâu sắc về các nguồn gốc của lực hấp dẫn,” Jacobson nói. Đặc biệt, các định luật của nhiệt động lực học trong tự nhiên là mang tính thống kê – một trung bình vĩ mô trên chuyển động của vô số nguyên tử và phân tử - cho nên kết quả của ông đề xuất rằng lực hấp dẫn cũng mang tính thống kê, một gần đúng vĩ mô cho những phần tử không nhìn thấy của không gian và thời gian. Vào năm 2010, quan điểm này được phát triển thêm bước nữa bởi Erik Verlinde, một nhà lí thuyết dây tại trường Đại học Amsterdam; ông chứng minh2 rằng nhiệt động lực học thống kê của các phần tử không-thời gian – cho dù chúng là cái gì chăng nữa – có thể tự động tạo ra định luật vạn vật hấp dẫn của Newton. Và trong một nghiên cứu độc lập, Thanu Padmanabhan, một nhà vũ trụ học tại Trung tâm Thiên văn và Thiên văn Vật lí Liên trường Đại học ở Pune, Ấn Độ, chứng minh3 rằng các phương trình Einstein có thể được viết lại ở dạng khiến chúng giống hệt với các định luật của nhiệt động lực học – có thể có nhiều lí thuyết thay thế khác của lực hấp dẫn. Padmanabhan hiện đang mở rộng cách tiếp cận nhiệt động lực học trong một nỗ lực muốn lí giải nguồn gốc và độ lớn của năng lượng tối: nguồn lực vũ trụ bí ẩn đang làm cho Vũ trụ giãn nở tăng tốc. Việc kiểm tra những quan điểm như thế theo lối kinh nghiệm sẽ hết sức khó. Theo kiểu giống như nước trông có dạng lỏng và phẳng hoàn hảo cho đến khi nó được quan sát ở cấp độ phân tử của nó – một phần nhỏ của một nano mét – các ước tính cho biết không-thời gian sẽ trông liên tục cho đến kích cỡ Planck: chừng 10-35 mét, hay nhỏ hơn một proton chừng 20 bậc độ lớn. Nhưng không hẳn là không thể. Một cách thường được nhắc tới để kiểm tra không-thời gian có được cấu tạo từ những phần tử rời rạc hay không là tìm kiếm sự trễ khi các photon năng lượng cao lan truyền đến Trái đất từ những sự kiện vũ trụ xa xôi ví dụ như sao siêu mới và vụ nổ tia gamma. Nói chung, những photon bước sóng ngắn nhất sẽ cảm nhận sự rời rạc dưới dạng một gập ghềnh nhỏ xíu trên đường chúng phải truyền đi, làm chúng chậm lại một chút. Giovanni Amelino-Camelia, một nhà nghiên cứu hấp dẫn lượng tử tại Đại học Rome, và các đồng sự của ông đã tìm thấy4những dấu vết của những sự trễ như thế ở các photon đến từ một vụ nổ tia gamma hồi tháng tư. Các kết quả chưa rõ ràng, theo lời Amelino-Camelia, nhưng nhóm nghiên cứu có kế hoạch mở rộng tìm kiếm để khảo sát thời gian truyền của các neutrino năng lượng cao do các sự kiện vũ trụ sinh ra. Ông cho biết nếu các lí thuyết không thể kiểm tra được, “thì đối với tôi, chúng không phải là khoa học. Chúng chỉ là đức tin tôn giáo, và tôi không hứng thú với chúng.” Những nhà vật lí khác thì đang nhìn vào các kiểm nghiệm trong phòng lab. Trong năm 2012, chẳng hạn, các nhà nghiên cứu thuộc trường Đại học Vienna và Imperial College London đã đề xuất5 một thí nghiệm để bàn trong đó một cái gương hiển vi sẽ được làm cho chuyển động bằng laser. Họ cho rằng các tính-hạt cỡ Planck trong không-thời gian sẽ tạo ra những biến đổi có thể phát hiện được trong ánh sáng phản xạ từ cái gương đó (xem Nature  2012). Hấp dẫn lượng tử vòng Dẫu cho nó đúng, nhưng cách tiếp cận nhiệt động lực học chẳng cho biết điều gì về những phần tử cơ bản của không gian và thời gian có thể là cái gì. Nếu không-thời gian là một tấm vải, nói ví dụ thôi, thì những sợi dệt của nó là cái gì? Một câu trả lời khả dĩ hơi nghiêng về hiểu theo nghĩa đen. Lí thuyết hấp dẫn lượng tử vòng, lí thuyết đã được phát triển kể từ giữa thập niên 1980 bởi Ashtekar và những nhà nghiên cứu khác, mô tả kết cấu của không-thời gian là một mạng tơ nhện đang diễn tiến mang thông tin về những vùng bị lượng tử hóa và thể tích của những vùng mà chúng đi qua6. Từng sợi tơ của mạng nhện đó cuối cùng phải nhập hai đầu chúng tạo thành vòng – vì thế mà lí thuyết có tên như thế - nhưng chúng không có liên can gì với các dây nổi tiếng hơn nhiều của lí thuyết dây. Các dây trong lí thuyết dây chuyển động trong không-thời gian, còn các sợi tơ nhện ở trên thật sự là không-thời gian: thông tin mà chúng mang xác định hình dạng của kết cấu không-thời gian trong vùng phụ cận của chúng. Tuy nhiên, vì các vòng là đối tượng lượng tử, nên chúng cũng xác định một đơn vị diện tích tối thiểu theo kiểu giống hệt như cơ học lượng tử thông thường xác định một năng lượng trạng thái cơ bản tối thiểu cho một electron trong một nguyên tử hydrogen. Lượng tử diện tích này là một miếng có cạnh cỡ bằng một chiều dài Planck. Cố đưa thêm một sợi nữa mang ít diện tích hơn thì nó sẽ mất kết nối với phần còn lại của mạng lưới. Nó sẽ không thể liên kết với bất kì cái gì khác, và sẽ bị rơi khỏi không-thời gian. Một hệ quả được chào đón của một diện tích tối thiểu là sự hấp dẫn lượng tử vòng không thể nén một lượng cong vô hạn lên trên một vô cùng nhỏ. Điều này có nghĩa là nó không thể tạo ra loại kì dị làm cho các phương trình Einstein của thuyết tương đối rộng bị phá vỡ tại thời khắc Big Bang và tại tâm của các lỗ đen. Vào năm 2006, Ashtekar và các đồng sự của ông đã báo cáo7 một loạt mô phỏng khai thác thực tế đó, sử dụng phiên bản hấp dẫn lượng tử vòng của các phương trình Einstein để cho đồng hồ chạy ngược và hình dung cái xảy ra trước Big Bang. Vũ trụ chạy ngược co lại về phía Big Bang, đúng như trông đợi. Nhưng khi đạt tới giới hạn kích cỡ cơ bản ràng buộc bởi sự hấp dẫn lượng tử vòng, thì một lực đẩy xuất hiện và giữ điểm kì dị mở ra, biến nó thành một đường hầm dẫn sang một vũ trụ có trước vũ trụ của chúng ta. Trong năm nay, các nhà vật lí Rodolfo Gambini tại Đại học Uruguayan thuộc nước Cộng hòa Montevideo và Jorge Pullin tại trường Đại học Louisiana ở Baton Rouge đã báo cáo8 một mô phỏng tương tự cho một lỗ đen. Họ tìm thấy rằng một nhà quan sát đang đi sâu vào tâm của một lỗ đen sẽ chạm trán không phải điểm kì dị, mà là một đường hầm không-thời gian mỏng dẫn tới một bộ phận khác của không gian. “Việc thoát khỏi bài toán điểm kì dị là một thành tựu lớn,” Ashtekar nói, ông đang làm việc với các nhà nghiên cứu khác để nhận ra các dấu hiệu sẽ được để lại bởi một cú bật, chứ không phải một vụ nổ, trên bức xạ nền vũ trụ - bức xạ tàn dư từ sự giãn nở khủng khiếp của Vũ trụ trong những thời khắc đầu tiên của nó. Hấp dẫn lượng tử vòng không phải là một lí thuyết thống nhất hoàn chỉnh, vì nó không bao hàm thêm bất kì lực nào khác. Hơn nữa, các nhà vật lí vẫn chưa chỉ ra được không-thời gian sẽ xuất hiện như thế nào từ một mạng lưới thông tin như thế. Nhưng Daniele Oriti, một nhà vật lí tại Viện Vật lí Hấp dẫn Max Planck ở Golm, Đức, đang hi vọng tìm được cảm hứng trong nghiên cứu của các nhà vật lí vật chất ngưng tụ, họ đã tạo ra được những pha mới lạ của vật chất trải qua các biến đổi pha được mô tả bởi lí thuyết trường lượng tử. Oriti và các đồng sự của ông đang tìm kiếm các công thức mô tả Vũ trụ có thể biến đổi pha giống như vậy như thế nào, chuyển từ một tập hợp gồm những cái vòng rời rạc sang một không-thời gian trơn và liên tục. “Chỉ mới là những ngày đầu và công việc của chúng tôi khó khăn bởi vì chúng tôi là những con cá bơm trong đại dương và đồng thời cố gắng tìm hiểu nó,” Oriti nói. Các tập hợp nhân quả Những thất vọng như thế đã khiến một số nhà nghiên cứu theo đuổi một chương trình của phe thiểu số gọi là lí thuyết tập hợp nhân quả. Đi tiên phong bởi Rafael Sorkin, một nhà vật lí tại Viện Perimeter ở Waterloo, Canada, lí thuyết này giả thuyết rằng những viên gạch cấu trúc của không-thời gian là những điểm toán học đơn giản nối với nhau bằng các liên kết, với mỗi liên kết hướng từ quá khứ đến tương lai. Một liên kết như thế là một hiện thân cơ bản của nhân quả, nghĩa là một điểm trước có thể ảnh hưởng đến một điểm sau, nhưng không có sự ngược lại. Mạng lưới thu được na ná như một cái cây đang lớn dần dần dựng thành không-thời gian. “Bạn có thể nghĩ không gian hiện ra từ các điểm theo kiểu giống như nhiệt độ có từ các nguyên tử,” Sorkin nói. “Hỏi ‘Nhiệt độ của một nguyên tử độc thân là bao nhiêu?’ là vô nghĩa. Bạn cần một tập hợp để cho khái niệm có nghĩa.” Vào giữa thập niên 1980, Sorkin đã sử dụng khuôn khổ này để ước tính9 số lượng điểm mà Vũ trụ quan sát được sẽ chứa, và luận giải rằng chúng sẽ gây ra một nội năng nhỏ làm cho Vũ trụ tăng tốc độ giãn nở của nó. Một vài năm sau, việc khám phá ra năng lượng tối đã xác nhận dự đoán của ông. “Người ta thường nghĩ rằng sự hấp dẫn lượng tử không thể đưa ra những dự đoán có thể kiểm tra, nhưng đây là một trường hợp nó làm được như thế,” phát biểu của Joe Henson, một nhà nghiên cứu hấp dẫn lượng tử tại trường Imperial College London. “Nếu giá trị của năng lượng tối là lớn hơn, hoặc bằng không, thì lí thuyết tập hợp nhân quả sẽ bị bác bỏ.” Các tam giác đạc động nhân quả Tuy nhiên, điều đó khó tạo thành bằng chứng, và lí thuyết tập hợp nhân quả mang lại một vài dự đoán khác nữa có thể kiểm tra được. Một số nhà vật lí nhận thấy cách hiệu quả hơn nhiều là sử dụng các mô phỏng trên máy tính. Quan điểm, có từ hồi đầu thập niên 1990, là xét gần đúng những phần tử cơ bản chưa biết là những lát nhỏ xíu của không-thời gian bình thường xuất hiện trong một biển sôi sục các thăng giáng lượng tử, và theo dõi những lát này tự gắn chúng với nhau như thế nào thành những cấu trúc lớn hơn. Những cố gắng đầu tiên đó không thành công, theo lời Renate Loll, một nhà vật lí nay làm việc tại Đại học Radboud ở Nijmegen, Hà Lan. Những viên gạch cấu trúc không-thời gian là những siêu kim tự tháp đơn giản – những đối tác bốn chiều của hình tứ diện ba cheieuf – và các quy tắc hàn gắn của chương trình mô phỏng cho phép chúng kết hợp tự do. Kết quả là một loạt những ‘vũ trụ’ kì lạ có quá nhiều chiều (hoặc quá ít chiều), và tự cuộn chúng lại hoặc vỡ thành các mảnh. “Đó là một trận loạn đả chẳng mang lại cái gì tương tự với cái chúng ta nhìn thấy xung quanh mình,” Loll nói. Nhưng, giống như Sorkin, Loll và các đồng sự của bà nhận ra rằng việc thêm nhân quả làm thay đổi mọi thứ. Xét cho cùng, Loll nói, chiều của thời gian không giống với ba chiều của không gian. “Chúng ta không thể đi tới lui trong thời gian,” bà nói. Cho nên đội của bà đã thay đổi mô phỏng của họ để đảm bảo rằng quả không thể xuất hiện trước nhân của chúng – và họ tìm thấy rằng các lát không-thời gian bắt đầu kiên định tự gắn kết chúng thành những vũ trụ bốn chiều trơn nhẵn có các tính chất tương tự với vũ trụ của chúng ta.10 Thật thú vị, các mô phỏng cũng gợi ý rằng không bao lâu sau Big Bang, Vũ trụ đã trải qua một pha giãn nở chỉ với hai chiều – một chiều không gian và một chiều thời gian. Dự đoán này cũng được nêu ra một cách độc lập bởi những nhóm người khác đang cố gắng suy luận ra các các phương trình hấp dẫn lượng tử, và thậm chí một số người đề xuất rằng sự xuất hiện của năng lượng tối là một dấu hiệu rằng Vũ trụ của chúng ta hiện đang lớn lên một chiều không gian thứ tư. Những người khác đã chứng minh rằng một pha hai chiều trong Vũ trụ sơ khai sẽ tạo ra những kiểu phân bố tương tự như các phân bố mà người ta đã thấy trong bức xạ nền vi sóng vũ trụ. Ảnh toàn kí Trong khi đó, Van Raamsdonk đề xuất một quan điểm rất khác về sự ra đời của không-thời gian, dựa trên nguyên lí ảnh toàn kí. Lấy cảm hứng bởi cách na ná ảnh toàn kí mà các lỗ đen trữ lại toàn bộ entropy của chúng tại mặt chân trời, nguyên lí này lần đầu tiên được nêu ra một dạng toán học rõ ràng bởi Juan Maldacena, một nhà lí thuyết dây tại Viện nghiên cứu Cao cấp ở Princeton, New Jersey, ông đã công bố11 mô hình vũ trụ toàn kí có sức ảnh hưởng lớn của ông vào năm 1998. Trong mô hình đó, phần nội ba chiều của vũ trụ chứa các dây và lỗ đen chỉ bị chi phối bởi lực hấp dẫn, còn ranh giới hai chiều của nó thì chứa các hạt sơ cấp và các trường tuân theo các định luật lượng tử bình thường không có lực hấp dẫn. Cư dân giả định của không gian ba chiều sẽ không bao giờ nhìn thấy ranh giới này, vì nó sẽ ở xa vô hạn. Nhưng điều đó không ảnh hưởng gì đến toán học: bất kì cái gì xảy ra trong vũ trụ ba chiều đều có thể được mô tả tốt ngang ngửa bởi các phương trình ở ranh giới hai chiều, và ngược lại. Vào năm 2010, Van Raamsdonk đã nghiên cứu ý nghĩa khi các hạt lượng tử trên ranh giới đó bị ‘vướng víu’ – nghĩa là các phép đo thực hiện trên một hạt chắc chắn ảnh hưởng lên hạt kia12. Ông phát hiện thấy nếu mỗi vướng víu hạt giữa hai vùng độc lập của ranh giới đó giảm đều về không, sao cho các liên kết lượng tử giữa hai vùng biến mất, thì không gian ba chiều phản ứng bằng cách dần dần tự phân chia giống như một tế bào phân chia, cho đến cuối cùng, liên kết mong manh giữa hai nửa đứt rời ra. Lặp lại quá trình đó sẽ chia nhỏ không gian ba chiều hoài hoài, trong khi ranh giới hai chiều vẫn kết nối. Cho nên, nói chung, Van Raamsdonk kết luận, vũ trụ ba chiều được duy trì bởi sự vướng víu lượng tử trên ranh giới đó – hiểu theo một nghĩa nào đó, thì sự vướng víu lượng tử và không-thời gian là cùng một thứ. Hay, như Maldacena nói: “Điều này đề xuất rằng lượng tử là cơ bản nhất, và không-thời gian ra đời từ nó.”