Tách thời gian ra khỏi không gian
Có phải Newton đã đúng và Einstein đã sai không? Có vẻ như việc phân tách cơ cấu không thời gian và quay trở lại với những quan điểm thế kỉ 19 về thời gian có thể dẫn đến một lí thuyết hấp dẫn lượng tử.
Định làm lu mờ Einstein? Một kì nhật thực đã xác nhận hiện tượng thấu kính hấp dẫn và quan điểm của Einstein về không thời gian. Nhưng một lí thuyết hấp dẫn lượng tử mới hiện đang muốn tách rời thời gian ra khỏi không gian.
Các nhà vật lí đã vật lộn trong nhiều thập kỉ với việc se duyên giữa cơ học lượng tử và thuyết hấp dẫn. Trái lại, các lực khác của tự nhiên đều ngoan ngoãn đi vào khuôn phép. Chẳng hạn, lực điện từ có thể mô tả theo cơ học lượng tử bởi chuyển động của các photon. Tuy nhiên, hãy thử và trình bày lực hấp dẫn giữa hai vật theo graviton lượng tử, bạn sẽ nhanh chóng đi vào bế tắc – câu trả lời là mỗi phép tính đều vô hạn. Nhưng nay Petr Ho Yava, một nhà vật lí tại trường Đại học California, Berkeley, nghĩ rằng ông đã hiểu ra được vấn đề. Tất cả đó là vấn đề thời gian, ông nói.
Đặc biệt hơn, vấn đề là ở cách thức thời gian bị bó buộc với không gian trong lí thuyết Einstein về hấp dẫn: thuyết tương đối rộng. Einstein nổi tiếng đã đánh đổ quan niệm Newton luận rằng thời gian là tuyệt đối – tíc tắc đều đều, tách rời với nền không gian. Thay vào đó, ông cho rằng thời gian là một chiều kích khác, dệt lại với không gian, hình thành nên một cơ cấu linh hoạt bị vật chất làm biến dạng. Chỗ sơ hở là trong cơ học lượng tử, thời gian vẫn giữ tính chất tách biệt Newton luận của nó, mang lại sân khấu trong đó vật chất khiêu vũ nhưng không bao giờ bị ảnh hưởng bởi sự có mặt của nó. Hai khái niệm này của thời gian không hòa hợp được.
Lời giải, theo Ho Yava, là cắt đi những mối chỉ buộc chặt thời gian với không gian ở những năng lượng rất cao, ví dụ như năng lượng tìm thấy trong vũ trụ sơ khai, nơi sự hấp dẫn lượng tử chi phối. “Tôi đang quay lại với quan điểm của Newton rằng thời gian và không gian không tương đương với nhau”, Ho Yava nói. Ở những năng lượng thấp, thuyết tương đối rộng xuất hiện từ khuôn khổ nền tảng này, và cơ cấu của không thời gian được khâu vá trở lại, ông giải thích.
Ho Yava ví sự xuất hiện này với cách thức một số chất kì lạ biến đổi pha. Chẳng hạn, ở những nhiệt độ thấp, các tính chất của hellium lỏng biến đổi ngoạn mục, trở thành “siêu chảy” có thể chiến thắng sự ma sát. Thật ra, ông đã dung nạp cơ sở toán học của những sự biến đổi pha kì lạ để xây dựng lí thuyết hấp dẫn của mình. Từ trước đến nay, nó dường như đang hoạt động: các vô hạn gây tai họa cho những lí thuyết hấp dẫn lượng tử khác đã bị thuần hóa, và lí thuyết ấy khạc ra một graviton hành xử tốt. Nó dường như phù hợp với các mô phỏng máy tính của sự hấp dẫn lượng tử.
Lí thuyết của Ho Yava đang gây hào hứng kể từ khi ông đề xuất nó hồi tháng giêng, và các nhà vật lí đã gặp nhau để thảo luận về nó tại một cuộc họp trong tháng 11 tại Viện Vật lí Lí thuyết Perimeter ở Waterloo, Ontario. Đặc biệt, các nhà vật lí đã và đang kiểm tra xem mô hình ấy có mô tả đúng vũ trụ mà chúng ta thấy ngày nay hay không. Thuyết tương đối rộng đã ghi đòn knockout khi Einstein tiên đoán chuyển động của Thủy tinh với độ chính xác lớn hơn lí thuyết hấp dẫn của Newton có thể.
Liệu lí thuyết hấp dẫn Ho Yava có thể khẳng định sự thành công tương tự? Những câu trả lời ưỡm ờ đầu tiên là “yes”, Francisco Lobo và các đồng sự của ông đã tìm thấy một sự phù hợp tốt với chuyển động của các hành tinh.
Những người khác còn đưa ra những khẳng định táo bạo hơn cho sự hấp dẫn Ho Yava, đặc biệt khi nó đi tới giải thích những câu đố vũ trụ học hóc búa như sự kì dị của vụ nổ lớn, nơi các định luật vật lí bị đánh đổ. Nếu lí thuyết hấp dẫn Ho Yava là đúng, như nhà vũ trụ học Robert Brandenberger thuộc trường Đại học McGill tranh luận trong một bài báo công bố trên số ra tháng tám của tờ Physical Review D, thì vũ trụ đã chẳng có vụ nổ nào – nó bật trở ra. “Một vũ trụ chứa đầy vũ trụ sẽ co lại đến một kích thước nhỏ - nhưng hữu hạn – và rồi bật ra trở lại, cho chúng ta vũ trụ đang giãn nở mà chúng ta thấy ngày nay”, ông nói. Các tính toán của Brandenberger cho thấy những gợn sóng tạo ra bởi sự bật ra đó phù hợp với những gợn sóng đã phát hiện ra bởi những vệ tinh đo nền vi sóng vũ trụ, và ông hiện đang tìm kiếm những dấu hiệu có thể phân biệt sự bật trở ra với kịch bản vụ nổ lớn.
Lí thuyết hấp dẫn Ho Yava cũng có thể tạo “ảo giác vật chất tối”, theo lời nhà vũ trụ học Shinji Mukohyama tại trường Đại học Tokyo. Trên tờ Physical Review D số tháng 9, ông giải thích rằng trong những tình huống nhất định, graviton của Ho Yava thăng giáng khi nó tương tác với vật chất bình thường, làm cho lực hút hấp dẫn hơi mạnh hơn một chút so với trông đợi trong thuyết tương đối rộng. Hiệu ứng trên có thể làm cho các thiên hà dường như chứa nhiều vật chất hơn cái có thể thấy. Nếu như thế chưa đủ, thì nhà vũ trụ học Mu-In Park thuộc trường đại học quốc gia Chonbuk ở Hàn Quốc tin rằng lí thuyết hấp dẫn Ho Yava còn có thể ẩn chứa sự giãn nở gia tốc của vũ trụ, hiện nay bị quy cho một nguồn năng lượng tối bí ẩn. Một trong lời giải thích hàng đầu cho nguồn gốc của nó là không gian trống rỗng chứa một năng lượng nội tại đẩy vũ trụ ra bên ngoài. Năng lượng bên trong này không thể giải thích bằng thuyết tương đối rộng mà tự nhiên là xuất hiện các phương trình hấp dẫn Ho Yava, theo như Park nói.
Tuy nhiên, lí thuyết của Ho Yava, còn lâu mới hoàn chỉnh. Diego Blas, một nhà nghiên cứu sự hấp dẫn lượng tử tại Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ (EPFL) ở Lausanne nhận ra một “điểm yếu tiềm ẩn” trong lí thuyết trên khi kiểm tra hai lần các phép tính đối với hệ mặt trời. Đa số nhà vật lí khảo sát những trường hợp lí tưởng, giả sử, chẳng hạn, rằng Trái đất và mặt trời là những khối cầu, Blas giải thích: “Chúng tôi đã kiểm tra trường hợp thực tế hơn, trong đó mặt trời hầu như là một quả cầu, chứ không phải hơi cầu”. Thuyết tương đối rộng cho cùng một câu trả lời trong cả hai trường hợp. Nhưng theo lí thuyết Ho Yava, trường hợp thực tế mang lại kết quả khác hoàn toàn.
Cùng với Sergei M. Sibiryakov, cũng tại EPFL, và Oriol Pujolas thuộc CERN ở gần Geneva, Blas đã thiết lập lại sự hấp dẫn Ho Yava để mang nó trở về với thuyết tương đối rộng. Sibiryakov đã trình bày mô hình của nhóm hồi tháng 9 tại một cuộc họp ở Talloires, Pháp.
Ho Yava hoan nghênh những sự cải tiến. “Khi tôi đề xuất lí thuyết này, tôi không khẳng định mình đã có lí thuyết cuối cùng”, ông nói. “Tôi muốn những người khác khảo sát nó và cải tiến nó”.
Gia Dvali, một chuyên gia hấp dẫn lượng tử tại CERN, vẫn giữ thận trọng. Cách đây vài năm, ông đã thử một thủ thuật tương tự, tách rời không gian và thời gian trong một nỗ lực nhằm giải thích năng lượng tối. Nhưng ông đã từ bỏ mô hình của mình vì nó cho phép thông tin có thể truyền đi nhanh hơn tốc độ ánh sáng.
“Trực giác của tôi là bất kì mô hình nào như thế sẽ có những tác dụng phụ không mong muốn”, Dvali nghĩ. “Nhưng nếu họ tìm ra một phiên bản không có tác dụng phụ, thì lí thuyết đó phải được xem xét rất nghiêm túc”.
Theo Scientific American
