Vn-Z.vn Ngày 19 tháng 08 năm 2023, Theo Wiki Vũ trụ bao gồm tất cả các vật chất, năng lượng và không gian hiện có, được xem là một khối bao quát. Vũ trụ hiện tại chưa xác định được kích thước chính xác, giả thuyết cho rằng nó đã được mở rộng kể từ khi khởi đầu ở vụ nổ Big Bang khoảng 13,8 tỷ năm trước
Như vậy từ trước đến nay loài người vẫn giả thuyết rằng mô hình tiêu chuẩn về vũ trụ học cho rằng vũ trụ bắt đầu từ một nổ lớn Big Bang, sau đó tiếp tục mở rộng và nguội.
Tuy nhiên, một nghiên cứu mới đây đã phát hiện ra rằng, dựa trên một kỹ thuật toán học , người ta có thể "co giãn" vũ trụ và sự mở rộng vũ trụ có thể chỉ là một ảo giác. Liệu giả thuyết này vượt qua được sự kiểm chứng của giới khoa học không?
Trong những năm 1920 của thế kỷ 20, có hai hướng nghiên cứu song song mở đường cho những hiểu biết hiện đại của loài người chúng ta về vũ trụ. Về mặt lý thuyết, nếu tuân theo lý thuyết Tổng quát Tương đối, chúng ta có thể suy ra một vũ trụ được lấp đầy đồng đều bởi vật chất và năng lượng, nó sẽ không tĩnh và ổn định, mà sẽ mở rộng hoặc sụp đổ. Về mặt quan sát, chúng ta đã có khả năng quan sát các thiên hà ngoài Dải Ngân Hà và có thể xác định rằng (trung bình) càng xa chúng ta, tốc độ xa cách của chúng so với chúng ta càng nhanh.
Bằng cách đơn giản kết hợp lý thuyết và quan sát, khái niệm về vũ trụ mở rộng đã ra đời và tiếp tục tồn tại đến ngày nay. Mô hình tiêu chuẩn của chúng ta về vũ trụ - bao gồm sự kiện vụ nổ Big Bang, Sự mở rộng vũ trụ, Hình thành cấu trúc vũ trụ , Vật chất tối và Năng lượng tối - được xây dựng dựa trên mô hình vũ trụ mở rộng.
Tuy nhiên, liệu vũ trụ mở rộng có phải là điều tất yếu tuyệt đối không, hay có thể có những khả năng khác? Gần đây, một bài báo mới thú vị đã thu hút sự chú ý. Nhà vật lý lý thuyết Lucas Lombriser cho rằng thông qua một số biến đổi của phương trình trong lý thuyết Tổng quát Tương đối, chúng ta có thể "xóa bỏ" sự mở rộng của vũ trụ. Theo ý tưởng của ông, sự mở rộng của vũ trụ mà chúng ta quan sát chỉ là một ảo giác. Tuy nhiên, điều này có phù hợp với những gì hiện chúng ta đã biết về khoa học vũ trụ không?
Trong chân không, tất cả các tia sáng, bất kể bước sóng hay năng lượng của chúng, đều truyền đi với cùng một tốc độ. Khi chúng ta quan sát ánh sáng đến từ những ngôi sao xa xôi, ánh sáng mà chúng ta nhìn thấy thực tế đã hoàn thành hành trình từ nguồn sáng đến người quan sát. Nguồn: Lucas Vieira/Wikimedia Commons
Trong vật lý, "nguyên lý tương đương" (equivalence principle) là một khái niệm quan trọng. Nguyên lý này có nhiều dạng, nhưng ý chính là sự tương đương giữa các hệ thống tham gia vào các quá trình vật lý khác nhau.
Có ba dạng chính của nguyên lý tương đương:
Trong vật lý, thực sự tồn tại nhiều cách hiểu và mô tả khác nhau cho cùng một hiện tượng, đặc biệt là khi các cách này tương đương về mặt vật lý. Nếu hai cách mô tả có thể được sử dụng để mô tả cùng một hiện tượng và đưa ra kết quả tương tự, thì chúng không có sự khác biệt cốt lõi.
Sự tương đương này rất quan trọng trong vật lý, vì nó cho phép chúng ta lựa chọn cách mô tả phù hợp nhất với tình huống cụ thể hoặc sở thích cá nhân. Các cách mô tả khác nhau có thể giúp giải thích một số hiện tượng một cách thuận tiện hơn hoặc trực quan hơn, nhưng kết quả cuối cùng phải là như nhau.
Một ví dụ là sự chuyển đổi giữa cơ học Newton và thuyết tương đối. Trong trường hợp tốc độ thấp và khối lượng tương đối nhỏ, cơ học Newton là một cách mô tả rất hiệu quả. Tuy nhiên, ở tốc độ cao và khối lượng tương đối lớn, thuyết tương đối trở nên chính xác hơn. Mặc dù hai cách mô tả này khác nhau về mặt vật lý, nhưng chúng tương đương trong phạm vi áp dụng của chúng, vì cả hai đều có thể được sử dụng để dự đoán và giải thích hiện tượng vật lý.
Đôi khi chúng ta nhận ra rằng có nhiều cách hiểu khác nhau về cùng một hiện tượng. Nếu hai cách tương đương nhau về mặt vật lý, thì chúng ta biết không có sự khác biệt giữa chúng và việc chọn cách nào chỉ đơn giản là vấn đề sở thích cá nhân.
Sử dụng quang học làm ví dụ, bạn có thể mô tả ánh sáng dưới dạng sóng (như Huygens đã làm) hoặc tia (như Newton đã làm) và cả hai mô tả đều dẫn đến những dự đoán giống nhau trong hầu hết các tình huống thí nghiệm.
Trong lĩnh vực vật lý lượng tử, chúng ta cũng có thể lựa chọn các cách mô tả khác nhau. Cơ học lượng tử sử dụng hàm sóng để mô tả trạng thái và sự tiến hóa của hạt. Chúng ta có thể cho phép hàm sóng tiến hóa theo thời gian trong khi các toán tử lượng tử không thay đổi, điều này được gọi là hình ảnh Heisenberg. Hoặc chúng ta có thể giữ hàm sóng của hạt không thay đổi trong khi cho phép các toán tử lượng tử tiến hóa theo thời gian, điều này được gọi là hình ảnh Schrödinger. Cả hai cách mô tả này là tương đương về mặt vật lý và được sử dụng để tính toán và dự đoán hành vi của hệ thống lượng tử.
Hoặc, như thường thấy trong thuyết tương đối của Einstein, hãy tưởng tượng hai người quan sát, mỗi người có một chiếc đồng hồ: một người trên mặt đất và một người trên một đoàn tàu đang chuyển động. Hiện tượng này có thể được mô tả tương đương từ hai quan điểm khác nhau: đặt mặt đất ở trạng thái "đứng yên" và người quan sát trên tàu trải nghiệm tác động của sự giãn nở thời gian và độ dài co lại trong chuyển động; hoặc để tàu ở trạng thái "đứng yên" trạng thái, người quan sát trên mặt đất chịu tác động của sự giãn nở thời gian và sự co lại của chiều dài.
Như hàm ý của từ "tương đối", bất kỳ kịch bản nào trong số này đều tương đương với kịch bản kia nếu chúng đưa ra cùng một dự đoán tương đối với nhau. Trong vật lý, khi hai cách mô tả khác nhau cho ra cùng kết quả dự đoán, chúng ta nói rằng chúng là tương đương. Điều này có nghĩa là chúng ta có thể lựa chọn một trong các cách mô tả đó để giải thích và hiểu hiện tượng mà không ảnh hưởng đến tính chính xác của kết quả. Các cách mô tả tương đương này cho phép chúng ta nhìn nhận và hiểu tự nhiên từ các góc nhìn và công cụ khác nhau, nhưng chúng vẫn tương thích với nhau.
ý tưởng mang tính cách mạng về thuyết đối tuyến do Einstein sáng lập (trước Einstein, Lorenz, FitzGerald và những người khác cũng đã suy luận ra các biểu thức toán học tương tự). Theo ý tưởng này, các vật thể di chuyển nhanh trong không gian sẽ bị co lại và thời gian sẽ giãn ra. Điều này có nghĩa là khi bạn di chuyển nhanh hơn so với một quan sát viên tĩnh, chiều dài của bạn sẽ co lại và thời gian sẽ chậm đi. Đối với một quan sát viên đứng trên mặt đất, chiếc tàu sẽ co lại và thời gian trong tàu sẽ giãn ra. Đối với một quan sát viên trên tàu, thế giới bên ngoài sẽ trải qua sự co lại chiều dài và giãn ra thời gian. Hình ảnh được trích từ C. Renshaw, IEEE, 1996.
Trên thực tế, các hệ thống tọa độ khác nhau trong toán học và vật lý có thể cung cấp cái nhìn và công cụ khác nhau để mô tả và hiểu các hiện tượng. Loài người chúng ta thường quen với hệ tọa độ Descartes, trong đó các trục tọa độ là vuông góc nhau và có cùng tỷ lệ, giống như hệ tọa độ Descartes mà chúng ta đã học.
Tuy nhiên, hệ tọa độ Descartes không phải là duy nhất và không phải lúc nào cũng là lựa chọn tốt nhất. Ví dụ, khi xử lý các vật thể có đối xứng trục, chúng ta có thể ưa thích sử dụng hệ tọa độ trụ. Khi xử lý các vật thể đối xứng theo trung tâm, sử dụng hệ tọa độ cầu có thể là lựa chọn hợp lý hơn. Nếu chúng ta đang xem xét không chỉ không gian mà còn không gian thời gian - trong đó chiều "thời gian" có cách ứng xử khác biệt so với chiều "không gian" - việc sử dụng hệ tọa độ hyperboloid để kết nối không gian và thời gian có thể thuận tiện hơn.
Điều tuyệt vời về phương pháp tọa độ là chúng chỉ là lựa chọn. Miễn là bạn không thay đổi nguyên tắc vật lý căn bản của hệ thống, bạn có thể tự do chọn bất kỳ hệ tọa độ nào bạn thích để mô tả mọi thứ trong vũ trụ.
Nguồn: vchalup / Adobe Stock
Trong lý thuyết về lỗ đen, vùng biên sự kiện (Event Horizon) là một ranh giới đặc biệt. Khi vượt qua ranh giới này, không có vật chất nào có thể thoát ra khỏi lực hấp dẫn của lỗ đen, thậm chí cả ánh sáng cũng không thể trốn thoát. Bên trong lỗ đen được giả định là một điểm đặc biệt, nơi các vật chất bị nén thành một điểm vô cùng dày đặc, dựa trên các lý thuyết và dữ liệu quan sát hiện tại.
Tuy nhiên, một số suy luận và biến đổi toán học cho thấy mỗi điểm bên trong lỗ đen tương ứng với một điểm ở không gian bên ngoài. Điều này đưa ra một khả năng toán học thú vị, rằng bên trong mỗi lỗ đen có thể sinh ra một vũ trụ nhỏ. Quan điểm này dựa trên lập luận và giả thuyết toán học, chúng ta vẫn chưa có bằng chứng thực nghiệm cụ thể để chứng minh hay phủ định nó.
Định nghĩa lại hệ tọa độ: "Vũ trụ co lại"
Có một cách dễ thấy để thử áp dụng cho vũ trụ đang mở rộng. Theo truyền thống, chúng ta nhận thấy khoảng cách trong các hệ thống ràng buộc (như hạt nhân, nguyên tử, phân tử, hành tinh, thậm chí hệ sao và thiên hà) không thay đổi theo thời gian; chúng ta có thể coi chúng như "thước đo" và đo được khoảng cách tốt tại bất kỳ thời điểm nào. Khi áp dụng cho toàn bộ vũ trụ, vì chúng ta thấy các thiên hà xa xôi (không bị ràng buộc) đang xa cách nhau, chúng ta kết luận rằng vũ trụ đang mở rộng và cố gắng tìm mối quan hệ giữa tốc độ mở rộng và thời gian.
Vậy tại sao chúng ta không nghĩ một cách ngược lại, và định nghĩa lại các tọa độ này: giữ khoảng cách giữa các thiên hà (không bị ràng buộc) trong vũ trụ cố định, trong khi hạn chế "thước đo" của chúng ta và các cấu trúc ràng buộc khác co lại theo thời gian?
Sự lựa chọn này có vẻ hấp tấp, nhưng trong khoa học, bằng cách thay đổi cách nhìn về vấn đề, chúng ta có thể khám phá ra những đặc điểm không rõ ràng trong góc nhìn ban đầu, những đặc điểm này có thể trở nên rõ ràng hơn trong góc nhìn mới. Phương pháp định nghĩa lại tọa độ giúp chúng ta có nhiều hi vọng - đây chính là điều mà Hubble đang nghiên cứu trong bài báo mới của ông. Sử dụng góc nhìn ngược lại này, chúng ta sẽ đạt được những bí ẩn lớn nhất và kết quả gì ?
Đây là một đoạn mô phỏng về cấu trúc vũ trụ hình thành theo tỉ lệ co lại của vũ trụ ở độ phân giải trung bình, cho thấy sự phát triển của sự tăng trưởng của lực hấp dẫn trong hàng tỷ năm của vũ trụ chứa đầy vật chất tối. Đáng chú ý, tại các điểm giao nhau các cấu trúc sợi, vật chất sợi và cụm thiên hà phong phú chủ yếu được tạo ra bởi vật chất tối; vật chất thông thường chỉ đóng vai trò nhỏ. Khi quy mô mô phỏng càng lớn, các cấu trúc với tỷ lệ nhỏ hơn sẽ bị đánh giá thấp hoặc "làm mờ" hơn. Nguồn ảnh: Ralf Kaehler và Tom Abel (KIPAC)/Oliver Hahn
Khác với quan điểm vũ trụ học truyền thống, chúng ta có thể xây dựng lại vũ trụ thành một hệ thống tĩnh và không mở rộng, với giá trị tương ứng là: khối lượng, chiều dài và thời gian sẽ thay đổi và tiến hóa. Vì mục tiêu của chúng ta là duy trì cấu trúc vũ trụ không đổi, do đó không thể có sự mở rộng và uốn cong không gian (bao gồm sự không đồng nhất tăng lên mật độ liên tục), vì vậy các hiệu ứng tiến hóa này cần được áp dụng vào các khía cạnh khác. Quy mô khối lượng sẽ phải tiến hóa theo sự tiến hóa của không gian-thời gian, và tương tự với quy mô khoảng cách và thời gian. Chúng phải tiến hóa cùng nhau theo một cách chính xác, để khi kết hợp chúng để mô tả vũ trụ, chúng có thể tạo ra "đối nghịch" của giải thích tiêu chuẩn.
Một phương pháp khác là cùng duy trì cấu trúc vũ trụ, cùng với các quy mô khối lượng, chiều dài và thời gian, nhưng với giá trị hằng số cơ bản của vũ trụ tiến hóa cùng nhau theo một cách nào đó, để có thể "mã hóa" tất cả các động lực của vũ trụ trên chúng.
Có thể bạn sẽ muốn phản đối cả hai ý kiến trên, vì quan điểm thông thường của chúng ta trực quan hơn. Như chúng ta đã đề cập trước đây, nếu toán học giống nhau và không có sự khác biệt có thể quan sát được giữa các dự đoán của bất kỳ quan điểm nào, thì tất cả chúng đều có giá trị như nhau khi bạn cố gắng áp dụng chúng vào vũ trụ.
Một vũ trụ không mở rộng sẽ trông như thế nào?
Bạn muốn giải thích sự dịch chuyển đỏ trong vũ trụ? Trong hình ảnh mới này, có thể được hiểu theo một cách khác.
Có nhiều mức năng lượng trong một nguyên tử sắt, và cũng có những quy tắc lựa chọn khác nhau cho sự chuyển đổi điện tử. Trong khi nhiều hệ thống lượng tử có thể được kiểm soát để truyền năng lượng hiệu quả, không có ví dụ nào về việc chúng hoạt động theo cách tương tự trong các hệ thống sinh học. Nguồn: Daniel Carlos Leite Dias Andrade và cộng sự, Hội nghị: 25º CSBMM – Congresso da Sociedade Brasileira de Microscopia e Microanálise, 2015
Trong phòng thí nghiệm, quan sát duy nhất chúng ta có thể thực hiện là đo bước sóng quan sát được của photon nhận được và so sánh nó với bước sóng của photon trong phòng thí nghiệm. Sự phát triển của khối lượng electron, sự phát triển của hằng số Planck (ℏ) và sự phát triển của hằng số cấu trúc mịn (không thứ nguyên) (hoặc sự kết hợp của các hằng số khác) có thể xảy ra trong quá trình này. Sự dịch chuyển đỏ của các photon ở xa mà chúng ta đo được có thể là do một số yếu tố khác nhau không thể phân biệt được giữa chúng. Điều đáng chú ý là, nếu được mở rộng một cách thích hợp, nhiều yếu tố này cũng sẽ mang lại cùng loại dịch chuyển đỏ đối với sóng hấp dẫn.
Khi quả bóng bay được bơm phồng lên, các đồng xu dính trên bề mặt của nó dường như di chuyển ra xa nhau, với những đồng xu "xa hơn" di chuyển ra xa nhanh hơn những đồng xu ở gần hơn. Bất kỳ ánh sáng nào cũng bị dịch chuyển đỏ, tương tự như sự giãn nở của quả bóng bay, bước sóng của ánh sáng được "kéo dài" đến một giá trị lớn hơn. Hình ảnh này giải thích một cách độc đáo sự dịch chuyển đỏ của vũ trụ. Nguồn ảnh: E. Siegel / Beyond the Galaxy
Tương tự như vậy, chúng ta có thể tái tạo lại cấu trúc phát triển như thế nào trong vũ trụ. Thông thường,chúng ta bắt đầu với một vùng không gian hơi quá đậm đặc hơn một chút so với mật độ trung bình của vũ trụ. Rồi theo thời gian:
Thay vì theo dõi sự tiến hóa của vùng quá mật độ của vũ trụ (theo một nghĩa nào đó theo dõi sự tiến hóa của trường mật độ), thay vào đó, chúng ta cũng có thể xem xét sự tiến hóa kết hợp của thang khối lượng, thang khoảng cách và thang thời gian.
Tương tự, người ta có thể chọn xem xét sự tiến hóa của hằng số Planck, tốc độ ánh sáng và hằng số hấp dẫn. "Cấu trúc vũ trụ đang phát triển" mà chúng ta thấy có thể không phải là kết quả của sự phát triển của vũ trụ, mà những tham số này về cơ bản thay đổi theo thời gian sao cho các vật thể quan sát được như cấu trúc và kích thước quan sát được của nó không đổi.
Các khu vực dày đặc điển hình hoặc "bình thường" sẽ phát triển cấu trúc phong phú theo thời gian, trong khi các khu vực "Void" ít dày đặc hơn sẽ có ít cấu trúc hơn. Tuy nhiên, cấu trúc quy mô nhỏ ban đầu bị chi phối bởi các vùng dày đặc nhất (được dán nhãn ở đây là 'Rarepeak') phát triển nhanh nhất và chỉ có thể quan sát chi tiết trong các mô phỏng có độ phân giải cao nhất. Nguồn: J. McCaffrey và cộng sự, Open Journal of Astrophysics (submitted), 2023
Nếu áp dụng cách tiếp cận này, có thể chúng ta cố gắng diễn giải lại một số đặc điểm hiện không thể giải thích được của vũ trụ của chúng ta, bất kể điều đó có vẻ không tự nhiên đến mức nào.
Lấy ví dụ vấn đề về "hằng số vũ trụ", trong đó vì một lý do nào đó, vũ trụ dường như lấp đầy không gian bằng một trường có mật độ năng lượng cố hữu không đổi: mật độ năng lượng này không pha loãng hoặc thay đổi khi vũ trụ giãn nở. Trước đây câu hỏi này không quan trọng, nhưng bây giờ nó quan trọng vì mật độ vật chất đã bị pha loãng dưới một ngưỡng tới hạn nhất định. Chúng ta không biết tại sao không gian lại có mật độ năng lượng khác không này, cũng như tại sao nó lại có các giá trị phù hợp với năng lượng tối quan sát được của chúng ta. Đây là một bí ẩn không thể giải thích được.
Tuy nhiên, trong phương pháp tái tạo này, nếu thay đổi thang khối lượng và thang khoảng cách theo cấu hình mới, thì có một mối quan hệ giữa giá trị của hằng số vũ trụ và nghịch đảo của bình phương độ dài Planck.
Ngoài ra, độ dài Planck thay đổi theo sự tiến hóa của vũ trụ, và sự tiến hóa của nó là từ quan điểm của người quan sát: giá trị chúng ta quan sát bây giờ chính xác là giá trị quan sát được tại thời điểm này. Nếu thời gian, khối lượng và độ dài đều đồng tiến hóa, thì "vấn đề trùng hợp" trong vũ trụ học sẽ bị loại bỏ. Bất kỳ người quan sát nào cũng sẽ quan sát hằng số vũ trụ hiệu quả "bây giờ" của họ, điều này rất quan trọng vì thời điểm "bây giờ" của họ không ngừng phát triển theo thời gian vũ trụ.
Sơ đồ minh họa mật độ bức xạ photon (màu đỏ), mật độ neutrino (đường đứt nét màu đen), mật độ vật chất (màu xanh) và mật độ năng lượng tối (đường chấm) theo thời gian. Trong một mô hình mới được đề xuất cách đây vài năm, năng lượng tối đã được thay thế bằng đường liền màu đen trong hình, hiện tại không thể phân biệt bằng quan sát với năng lượng tối giả thuyết của chúng ta. Kể từ năm 2023, năng lượng tối trong một Vũ trụ đang giãn nở có thể lệch khỏi "hằng số" khoảng 7% trong phương trình trạng thái; nhiều phương sai hơn bị hạn chế nghiêm ngặt bởi dữ liệu. Nguồn : F. Simpson et al., Physics of the Dark Universe, 2018
Trong trường hợp này, chung ta có thể diễn giải lại vật chất tối như một hiệu ứng hình học trong đó khối lượng của các hạt tăng lên một cách hội tụ ở giai đoạn đầu. Chúng ta cũng có thể diễn giải lại năng lượng tối như một hiệu ứng hình học của khối lượng hạt tăng lên theo cách khác nhau trong giai đoạn cuối. Điều thú vị là một cách tiếp cận khác để diễn giải lại vật chất tối - trong đó sự giãn nở của vũ trụ được diễn giải lại là kết quả của trường vô hướng axion (như một hạt ứng cử viên vật chất tối đã biết) tương tác với trường. Sự kết hợp của trường vô hướng axion với các trường khác dẫn đến vi phạm CP—một trong những thành phần chính để tạo ra sự bất đối xứng vật chất-phản vật chất trong vũ trụ của chúng ta.
"Ảo ảnh" của thực tế
Suy nghĩ về các vấn đề theo các cách này dẫn đến nhiều kết luận tiềm ẩn thú vị và chúng ta không nên ngăn cản bất kỳ ai thực hiện kiểu khám phá toán học này trong giai đoạn đầu của "hộp cát".
Những ý tưởng như vậy một ngày nào đó có thể trở thành một phần của nền tảng lý thuyết ngoài Mô hình Chuẩn của vũ trụ học được chấp nhận hiện nay. Tuy nhiên, ngay cả khi điều này thú vị từ góc độ thuyết tương đối rộng thuần túy, hầu hết các nhà vũ trụ học hiện đại sẽ không bận tâm xem xét những vấn đề này. Bởi vì ngay cả việc quan sát bằng thực nghiệm và chứng minh rằng những cấu hình lại này có thể chấp nhận được ở quy mô vũ trụ sẽ hoàn toàn mâu thuẫn với những gì chúng ta đã quan sát được ở đây trên Trái đất.
Khi một nguyên tử hydro được hình thành, các spin của electron và proton có khả năng song song và phản song song như nhau. Nếu chúng là phản song song, thì không thể xảy ra quá trình chuyển tiếp nào nữa, nhưng nếu chúng là song song, chúng có thể tạo đường hầm lượng tử sang trạng thái năng lượng thấp hơn, phát ra các photon có bước sóng cụ thể trong khoảng thời gian dài hơn đáng kể. Những chuyển đổi như vậy đã được đo với độ chính xác đến từng phần nghìn tỷ và không đổi trong nhiều thập kỷ, hạn chế hằng số Planck, tốc độ ánh sáng, khối lượng của electron và sự kết hợp của chúng. Nguồn: Tiltec/Wikimedia Commons
Ví dụ, hãy xem xét các quan điểm sau:
Nguyên lý tương đương nói rằng không nên có bất kỳ sự khác biệt nào giữa gia tốc do trọng trường và gia tốc gây ra bởi bất kỳ lực nào khác trong vũ trụ. Một trong số chúng phụ thuộc vào hằng số hấp dẫn và cái còn lại thì không.Thử nghiệm chính xác nhất về nguyên lý tương đương đã được thực hiện bởi vệ tinh MICROSCOPE với độ chính xác từ 10 đến âm 15, đây là một phương pháp hằng số hấp dẫn bị ràng buộc theo thời gian. Nguồn: APS/Carin Cain
Một đặc điểm nổi bật của các nghiên cứu vũ trụ từ quan điểm tiêu chuẩn là trong suốt lịch sử của vũ trụ, tất cả các định luật vật lý áp dụng trên Trái đất đều áp dụng như nhau tại bất kỳ vị trí và thời điểm nào trong vũ trụ.
Một ý tưởng vũ trụ thất bại trên Trái đất kém thú vị hơn nhiều so với một ý tưởng hoạt động thành công trong tất cả các hệ thống vật lý. Nếu quan điểm truyền thống về vũ trụ giãn nở phù hợp với vật lý học trên Trái đất, và một quan điểm thay thế hoạt động tốt trong việc mô tả vũ trụ lớn hơn nhưng lại thất bại trên Trái đất, thì chúng ta không thể nói rằng vũ trụ giãn nở là một ảo ảnh.
Rốt cuộc, vật lý trên Trái đất được đo lường chính xác nhất và được kiểm tra chặt chẽ nhất đối với chúng ta. Điều đó không có nghĩa là các tạp chí xuất bản nghiên cứu khám phá mang tính suy đoán chẳng hạn như Classical and Quantum Gravity）, Journal of High Energy Physics, v.v. - không có uy tín và chất lượng cao. Những tạpj chí này đều rất uy tín, là những tạp chí chuyên ngành trong một lĩnh vực cụ thể.
Dù sao đi nữa, chúng ta còn phải tiếp tục khám phá các lựa chọn thay thế thực tế cho vũ trụ học tiêu chuẩn (và vật lý hạt). Nhưng đừng vứt bỏ tất cả thực tế là một lựa chọn khả thi. Ở đây, "ảo ảnh" duy nhất là thực tế được quan sát, đo lường của chúng ta, điều này rất quan trọng trong việc hiểu vũ trụ của chúng ta.
Có thể bạn sẽ không thể tán thành với quan điểm rằng sự giãn nở vũ trụ là một ảo ảnh. Bởi hiện tại, quan điểm chung trong cộng đồng khoa học là vũ trụ thực sự đang trải qua quá trình giãn nở.
Sự giãn nở vũ trụ được chứng minh bằng nhiều bằng chứng quan trọng, bao gồm sự phân tán đỏ của các thiên hà, phát hiện của nền vũ trụ phồng lên và các quan sát động học của vũ trụ. Các quan sát này đã được thu thập và xác nhận bởi nhiều thiết bị quan sát khác nhau, bao gồm cả vệ tinh và thiên văn quan trên Trái Đất.
Lý thuyết chính để giải thích sự giãn nở vũ trụ là lý thuyết Big Bang, mô hình cho sự ra đời và phát triển của vũ trụ từ một trạng thái siêu nhỏ, siêu nóng và siêu mật độ. Lý thuyết này đã giải thích được nhiều bằng chứng quan sát, bao gồm sự phân tán đỏ và phân phối vũ trụ.
Tuy nhiên, việc nghiên cứu vũ trụ vẫn còn rất nhiều câu hỏi chưa có lời giải đáp hoàn chỉnh. Có những lý thuyết và mô hình thay thế được đề xuất, và việc tiếp tục nghiên cứu và thảo luận là rất quan trọng trong việc hiểu sự phát triển và cấu trúc của vũ trụ.
Vn-Z.vn team tổng hợp tham khảo nguồn
Lucas Lombriser 2023 Class. Quantum Grav. 40 155005, DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6382/acdb41
Phys. Rev. Lett. 130, 071801 DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.071801
Ethan Siegel, Could the expanding Universe truly be a mirage?
Như vậy từ trước đến nay loài người vẫn giả thuyết rằng mô hình tiêu chuẩn về vũ trụ học cho rằng vũ trụ bắt đầu từ một nổ lớn Big Bang, sau đó tiếp tục mở rộng và nguội.
Trong những năm 1920 của thế kỷ 20, có hai hướng nghiên cứu song song mở đường cho những hiểu biết hiện đại của loài người chúng ta về vũ trụ. Về mặt lý thuyết, nếu tuân theo lý thuyết Tổng quát Tương đối, chúng ta có thể suy ra một vũ trụ được lấp đầy đồng đều bởi vật chất và năng lượng, nó sẽ không tĩnh và ổn định, mà sẽ mở rộng hoặc sụp đổ. Về mặt quan sát, chúng ta đã có khả năng quan sát các thiên hà ngoài Dải Ngân Hà và có thể xác định rằng (trung bình) càng xa chúng ta, tốc độ xa cách của chúng so với chúng ta càng nhanh.
Bằng cách đơn giản kết hợp lý thuyết và quan sát, khái niệm về vũ trụ mở rộng đã ra đời và tiếp tục tồn tại đến ngày nay. Mô hình tiêu chuẩn của chúng ta về vũ trụ - bao gồm sự kiện vụ nổ Big Bang, Sự mở rộng vũ trụ, Hình thành cấu trúc vũ trụ , Vật chất tối và Năng lượng tối - được xây dựng dựa trên mô hình vũ trụ mở rộng.
Tuy nhiên, liệu vũ trụ mở rộng có phải là điều tất yếu tuyệt đối không, hay có thể có những khả năng khác? Gần đây, một bài báo mới thú vị đã thu hút sự chú ý. Nhà vật lý lý thuyết Lucas Lombriser cho rằng thông qua một số biến đổi của phương trình trong lý thuyết Tổng quát Tương đối, chúng ta có thể "xóa bỏ" sự mở rộng của vũ trụ. Theo ý tưởng của ông, sự mở rộng của vũ trụ mà chúng ta quan sát chỉ là một ảo giác. Tuy nhiên, điều này có phù hợp với những gì hiện chúng ta đã biết về khoa học vũ trụ không?
Trong chân không, tất cả các tia sáng, bất kể bước sóng hay năng lượng của chúng, đều truyền đi với cùng một tốc độ. Khi chúng ta quan sát ánh sáng đến từ những ngôi sao xa xôi, ánh sáng mà chúng ta nhìn thấy thực tế đã hoàn thành hành trình từ nguồn sáng đến người quan sát. Nguồn: Lucas Vieira/Wikimedia Commons
Trong vật lý, "nguyên lý tương đương" (equivalence principle) là một khái niệm quan trọng. Nguyên lý này có nhiều dạng, nhưng ý chính là sự tương đương giữa các hệ thống tham gia vào các quá trình vật lý khác nhau.
Có ba dạng chính của nguyên lý tương đương:
- Nguyên lý tương đương của trọng lực và gia tốc: Nguyên lý này đề cập đến việc rằng tác động của trọng lực trên một hệ thống vật chất tương tự như tác động của một gia tốc đối với hệ thống đó. Điều này đồng nghĩa với việc một người trong không gian không trọng lực sẽ không thể phân biệt được giữa trọng lực và gia tốc.
- Nguyên lý tương đương của khối lượng và năng lượng: Nguyên lý này nói rằng khối lượng và năng lượng có mối liên hệ tương đương. Theo đó, khối lượng có thể được coi là một dạng năng lượng, và năng lượng có thể được coi là một dạng khối lượng.
- Nguyên lý tương đương của khí và chất rắn: Nguyên lý này ám chỉ rằng trong một môi trường đủ nhất định, các tính chất của một hệ thống khí có thể tương đương với các tính chất của một hệ thống chất rắn. Ví dụ, trong điều kiện cụ thể, các định luật về nhiệt độ và áp suất trong hệ thống khí có thể tương đương với các định luật về áp suất và thể tích trong hệ thống chất rắn.
Trong vật lý, thực sự tồn tại nhiều cách hiểu và mô tả khác nhau cho cùng một hiện tượng, đặc biệt là khi các cách này tương đương về mặt vật lý. Nếu hai cách mô tả có thể được sử dụng để mô tả cùng một hiện tượng và đưa ra kết quả tương tự, thì chúng không có sự khác biệt cốt lõi.
Sự tương đương này rất quan trọng trong vật lý, vì nó cho phép chúng ta lựa chọn cách mô tả phù hợp nhất với tình huống cụ thể hoặc sở thích cá nhân. Các cách mô tả khác nhau có thể giúp giải thích một số hiện tượng một cách thuận tiện hơn hoặc trực quan hơn, nhưng kết quả cuối cùng phải là như nhau.
Một ví dụ là sự chuyển đổi giữa cơ học Newton và thuyết tương đối. Trong trường hợp tốc độ thấp và khối lượng tương đối nhỏ, cơ học Newton là một cách mô tả rất hiệu quả. Tuy nhiên, ở tốc độ cao và khối lượng tương đối lớn, thuyết tương đối trở nên chính xác hơn. Mặc dù hai cách mô tả này khác nhau về mặt vật lý, nhưng chúng tương đương trong phạm vi áp dụng của chúng, vì cả hai đều có thể được sử dụng để dự đoán và giải thích hiện tượng vật lý.
Đôi khi chúng ta nhận ra rằng có nhiều cách hiểu khác nhau về cùng một hiện tượng. Nếu hai cách tương đương nhau về mặt vật lý, thì chúng ta biết không có sự khác biệt giữa chúng và việc chọn cách nào chỉ đơn giản là vấn đề sở thích cá nhân.
Sử dụng quang học làm ví dụ, bạn có thể mô tả ánh sáng dưới dạng sóng (như Huygens đã làm) hoặc tia (như Newton đã làm) và cả hai mô tả đều dẫn đến những dự đoán giống nhau trong hầu hết các tình huống thí nghiệm.
Trong lĩnh vực vật lý lượng tử, chúng ta cũng có thể lựa chọn các cách mô tả khác nhau. Cơ học lượng tử sử dụng hàm sóng để mô tả trạng thái và sự tiến hóa của hạt. Chúng ta có thể cho phép hàm sóng tiến hóa theo thời gian trong khi các toán tử lượng tử không thay đổi, điều này được gọi là hình ảnh Heisenberg. Hoặc chúng ta có thể giữ hàm sóng của hạt không thay đổi trong khi cho phép các toán tử lượng tử tiến hóa theo thời gian, điều này được gọi là hình ảnh Schrödinger. Cả hai cách mô tả này là tương đương về mặt vật lý và được sử dụng để tính toán và dự đoán hành vi của hệ thống lượng tử.
Hoặc, như thường thấy trong thuyết tương đối của Einstein, hãy tưởng tượng hai người quan sát, mỗi người có một chiếc đồng hồ: một người trên mặt đất và một người trên một đoàn tàu đang chuyển động. Hiện tượng này có thể được mô tả tương đương từ hai quan điểm khác nhau: đặt mặt đất ở trạng thái "đứng yên" và người quan sát trên tàu trải nghiệm tác động của sự giãn nở thời gian và độ dài co lại trong chuyển động; hoặc để tàu ở trạng thái "đứng yên" trạng thái, người quan sát trên mặt đất chịu tác động của sự giãn nở thời gian và sự co lại của chiều dài.
Như hàm ý của từ "tương đối", bất kỳ kịch bản nào trong số này đều tương đương với kịch bản kia nếu chúng đưa ra cùng một dự đoán tương đối với nhau. Trong vật lý, khi hai cách mô tả khác nhau cho ra cùng kết quả dự đoán, chúng ta nói rằng chúng là tương đương. Điều này có nghĩa là chúng ta có thể lựa chọn một trong các cách mô tả đó để giải thích và hiểu hiện tượng mà không ảnh hưởng đến tính chính xác của kết quả. Các cách mô tả tương đương này cho phép chúng ta nhìn nhận và hiểu tự nhiên từ các góc nhìn và công cụ khác nhau, nhưng chúng vẫn tương thích với nhau.
ý tưởng mang tính cách mạng về thuyết đối tuyến do Einstein sáng lập (trước Einstein, Lorenz, FitzGerald và những người khác cũng đã suy luận ra các biểu thức toán học tương tự). Theo ý tưởng này, các vật thể di chuyển nhanh trong không gian sẽ bị co lại và thời gian sẽ giãn ra. Điều này có nghĩa là khi bạn di chuyển nhanh hơn so với một quan sát viên tĩnh, chiều dài của bạn sẽ co lại và thời gian sẽ chậm đi. Đối với một quan sát viên đứng trên mặt đất, chiếc tàu sẽ co lại và thời gian trong tàu sẽ giãn ra. Đối với một quan sát viên trên tàu, thế giới bên ngoài sẽ trải qua sự co lại chiều dài và giãn ra thời gian. Hình ảnh được trích từ C. Renshaw, IEEE, 1996.
Trên thực tế, các hệ thống tọa độ khác nhau trong toán học và vật lý có thể cung cấp cái nhìn và công cụ khác nhau để mô tả và hiểu các hiện tượng. Loài người chúng ta thường quen với hệ tọa độ Descartes, trong đó các trục tọa độ là vuông góc nhau và có cùng tỷ lệ, giống như hệ tọa độ Descartes mà chúng ta đã học.
Tuy nhiên, hệ tọa độ Descartes không phải là duy nhất và không phải lúc nào cũng là lựa chọn tốt nhất. Ví dụ, khi xử lý các vật thể có đối xứng trục, chúng ta có thể ưa thích sử dụng hệ tọa độ trụ. Khi xử lý các vật thể đối xứng theo trung tâm, sử dụng hệ tọa độ cầu có thể là lựa chọn hợp lý hơn. Nếu chúng ta đang xem xét không chỉ không gian mà còn không gian thời gian - trong đó chiều "thời gian" có cách ứng xử khác biệt so với chiều "không gian" - việc sử dụng hệ tọa độ hyperboloid để kết nối không gian và thời gian có thể thuận tiện hơn.
Điều tuyệt vời về phương pháp tọa độ là chúng chỉ là lựa chọn. Miễn là bạn không thay đổi nguyên tắc vật lý căn bản của hệ thống, bạn có thể tự do chọn bất kỳ hệ tọa độ nào bạn thích để mô tả mọi thứ trong vũ trụ.
Nguồn: vchalup / Adobe Stock
Tuy nhiên, một số suy luận và biến đổi toán học cho thấy mỗi điểm bên trong lỗ đen tương ứng với một điểm ở không gian bên ngoài. Điều này đưa ra một khả năng toán học thú vị, rằng bên trong mỗi lỗ đen có thể sinh ra một vũ trụ nhỏ. Quan điểm này dựa trên lập luận và giả thuyết toán học, chúng ta vẫn chưa có bằng chứng thực nghiệm cụ thể để chứng minh hay phủ định nó.
Định nghĩa lại hệ tọa độ: "Vũ trụ co lại"
Có một cách dễ thấy để thử áp dụng cho vũ trụ đang mở rộng. Theo truyền thống, chúng ta nhận thấy khoảng cách trong các hệ thống ràng buộc (như hạt nhân, nguyên tử, phân tử, hành tinh, thậm chí hệ sao và thiên hà) không thay đổi theo thời gian; chúng ta có thể coi chúng như "thước đo" và đo được khoảng cách tốt tại bất kỳ thời điểm nào. Khi áp dụng cho toàn bộ vũ trụ, vì chúng ta thấy các thiên hà xa xôi (không bị ràng buộc) đang xa cách nhau, chúng ta kết luận rằng vũ trụ đang mở rộng và cố gắng tìm mối quan hệ giữa tốc độ mở rộng và thời gian.
Vậy tại sao chúng ta không nghĩ một cách ngược lại, và định nghĩa lại các tọa độ này: giữ khoảng cách giữa các thiên hà (không bị ràng buộc) trong vũ trụ cố định, trong khi hạn chế "thước đo" của chúng ta và các cấu trúc ràng buộc khác co lại theo thời gian?
Sự lựa chọn này có vẻ hấp tấp, nhưng trong khoa học, bằng cách thay đổi cách nhìn về vấn đề, chúng ta có thể khám phá ra những đặc điểm không rõ ràng trong góc nhìn ban đầu, những đặc điểm này có thể trở nên rõ ràng hơn trong góc nhìn mới. Phương pháp định nghĩa lại tọa độ giúp chúng ta có nhiều hi vọng - đây chính là điều mà Hubble đang nghiên cứu trong bài báo mới của ông. Sử dụng góc nhìn ngược lại này, chúng ta sẽ đạt được những bí ẩn lớn nhất và kết quả gì ?
Đây là một đoạn mô phỏng về cấu trúc vũ trụ hình thành theo tỉ lệ co lại của vũ trụ ở độ phân giải trung bình, cho thấy sự phát triển của sự tăng trưởng của lực hấp dẫn trong hàng tỷ năm của vũ trụ chứa đầy vật chất tối. Đáng chú ý, tại các điểm giao nhau các cấu trúc sợi, vật chất sợi và cụm thiên hà phong phú chủ yếu được tạo ra bởi vật chất tối; vật chất thông thường chỉ đóng vai trò nhỏ. Khi quy mô mô phỏng càng lớn, các cấu trúc với tỷ lệ nhỏ hơn sẽ bị đánh giá thấp hoặc "làm mờ" hơn. Nguồn ảnh: Ralf Kaehler và Tom Abel (KIPAC)/Oliver Hahn
Khác với quan điểm vũ trụ học truyền thống, chúng ta có thể xây dựng lại vũ trụ thành một hệ thống tĩnh và không mở rộng, với giá trị tương ứng là: khối lượng, chiều dài và thời gian sẽ thay đổi và tiến hóa. Vì mục tiêu của chúng ta là duy trì cấu trúc vũ trụ không đổi, do đó không thể có sự mở rộng và uốn cong không gian (bao gồm sự không đồng nhất tăng lên mật độ liên tục), vì vậy các hiệu ứng tiến hóa này cần được áp dụng vào các khía cạnh khác. Quy mô khối lượng sẽ phải tiến hóa theo sự tiến hóa của không gian-thời gian, và tương tự với quy mô khoảng cách và thời gian. Chúng phải tiến hóa cùng nhau theo một cách chính xác, để khi kết hợp chúng để mô tả vũ trụ, chúng có thể tạo ra "đối nghịch" của giải thích tiêu chuẩn.
Một phương pháp khác là cùng duy trì cấu trúc vũ trụ, cùng với các quy mô khối lượng, chiều dài và thời gian, nhưng với giá trị hằng số cơ bản của vũ trụ tiến hóa cùng nhau theo một cách nào đó, để có thể "mã hóa" tất cả các động lực của vũ trụ trên chúng.
Có thể bạn sẽ muốn phản đối cả hai ý kiến trên, vì quan điểm thông thường của chúng ta trực quan hơn. Như chúng ta đã đề cập trước đây, nếu toán học giống nhau và không có sự khác biệt có thể quan sát được giữa các dự đoán của bất kỳ quan điểm nào, thì tất cả chúng đều có giá trị như nhau khi bạn cố gắng áp dụng chúng vào vũ trụ.
Một vũ trụ không mở rộng sẽ trông như thế nào?
Bạn muốn giải thích sự dịch chuyển đỏ trong vũ trụ? Trong hình ảnh mới này, có thể được hiểu theo một cách khác.
- Nguyên tử trải qua quá trình chuyển đổi nguyên tử;: Khi nguyên tử hoặc phân tử ở trạng thái kích thích, chúng có thể chuyển xuống trạng thái năng lượng thấp hơn. Quá trình này tạo ra photon.
- Phát ra photon có bước sóng cụ thể: Quá trình nhảy nguyên tử tạo ra photon với bước sóng cụ thể. Mỗi nguyên tử hoặc phân tử có tần số nhảy riêng, tương ứng với bước sóng hoặc tần số cụ thể.
- Photon đi qua vũ trụ đang mở rộng, trong quá trình di chuyển, dịch chuyển đỏ trên đường đi: Khi những photon này được phát ra từ các thiên thể trong vũ trụ và truyền qua không gian, chúng sẽ đi qua không gian mở rộng. Nếu vũ trụ đang mở rộng, không gian chính nó cũng đang mở rộng, dẫn đến việc bước sóng của photon bị kéo dài trong quá trình truyền.
- Khi người quan sát nhận được, bước sóng của photon sẽ dài hơn so với bước sóng cùng nguyên tử nhảy trong phòng thí nghiệm của người quan sát: Khi những photon này cuối cùng được người quan sát trên Trái Đất nhận được, chúng đã trải qua hiện tượng đỏ dịch, nghĩa là bước sóng của chúng đã dài hơn. Người quan sát sẽ đo được bước sóng dài hơn so với bước sóng nhảy của cùng một nguyên tử trong phòng thí nghiệm của họ.
Có nhiều mức năng lượng trong một nguyên tử sắt, và cũng có những quy tắc lựa chọn khác nhau cho sự chuyển đổi điện tử. Trong khi nhiều hệ thống lượng tử có thể được kiểm soát để truyền năng lượng hiệu quả, không có ví dụ nào về việc chúng hoạt động theo cách tương tự trong các hệ thống sinh học. Nguồn: Daniel Carlos Leite Dias Andrade và cộng sự, Hội nghị: 25º CSBMM – Congresso da Sociedade Brasileira de Microscopia e Microanálise, 2015
Trong phòng thí nghiệm, quan sát duy nhất chúng ta có thể thực hiện là đo bước sóng quan sát được của photon nhận được và so sánh nó với bước sóng của photon trong phòng thí nghiệm. Sự phát triển của khối lượng electron, sự phát triển của hằng số Planck (ℏ) và sự phát triển của hằng số cấu trúc mịn (không thứ nguyên) (hoặc sự kết hợp của các hằng số khác) có thể xảy ra trong quá trình này. Sự dịch chuyển đỏ của các photon ở xa mà chúng ta đo được có thể là do một số yếu tố khác nhau không thể phân biệt được giữa chúng. Điều đáng chú ý là, nếu được mở rộng một cách thích hợp, nhiều yếu tố này cũng sẽ mang lại cùng loại dịch chuyển đỏ đối với sóng hấp dẫn.
Khi quả bóng bay được bơm phồng lên, các đồng xu dính trên bề mặt của nó dường như di chuyển ra xa nhau, với những đồng xu "xa hơn" di chuyển ra xa nhanh hơn những đồng xu ở gần hơn. Bất kỳ ánh sáng nào cũng bị dịch chuyển đỏ, tương tự như sự giãn nở của quả bóng bay, bước sóng của ánh sáng được "kéo dài" đến một giá trị lớn hơn. Hình ảnh này giải thích một cách độc đáo sự dịch chuyển đỏ của vũ trụ. Nguồn ảnh: E. Siegel / Beyond the Galaxy
Tương tự như vậy, chúng ta có thể tái tạo lại cấu trúc phát triển như thế nào trong vũ trụ. Thông thường,chúng ta bắt đầu với một vùng không gian hơi quá đậm đặc hơn một chút so với mật độ trung bình của vũ trụ. Rồi theo thời gian:
- Các nhiễu loạn hấp dẫn trong vùng này thu hút nhiều vật chất hơn các vùng xung quanh;
- Tốc độ giãn nở của không gian trong khu vực này chậm hơn tốc độ giãn nở trung bình của vũ trụ;
- Khi mật độ tăng lên, một ngưỡng cuối cùng sẽ bị vượt qua, kích hoạt các điều kiện cho liên kết hấp dẫn;
- Vùng này bắt đầu co lại theo lực hấp dẫn và tạo thành một phần của các cấu trúc vũ trụ như cụm sao, thiên hà và thậm chí là các nhóm thiên hà lớn hơn.
Thay vì theo dõi sự tiến hóa của vùng quá mật độ của vũ trụ (theo một nghĩa nào đó theo dõi sự tiến hóa của trường mật độ), thay vào đó, chúng ta cũng có thể xem xét sự tiến hóa kết hợp của thang khối lượng, thang khoảng cách và thang thời gian.
Tương tự, người ta có thể chọn xem xét sự tiến hóa của hằng số Planck, tốc độ ánh sáng và hằng số hấp dẫn. "Cấu trúc vũ trụ đang phát triển" mà chúng ta thấy có thể không phải là kết quả của sự phát triển của vũ trụ, mà những tham số này về cơ bản thay đổi theo thời gian sao cho các vật thể quan sát được như cấu trúc và kích thước quan sát được của nó không đổi.
Các khu vực dày đặc điển hình hoặc "bình thường" sẽ phát triển cấu trúc phong phú theo thời gian, trong khi các khu vực "Void" ít dày đặc hơn sẽ có ít cấu trúc hơn. Tuy nhiên, cấu trúc quy mô nhỏ ban đầu bị chi phối bởi các vùng dày đặc nhất (được dán nhãn ở đây là 'Rarepeak') phát triển nhanh nhất và chỉ có thể quan sát chi tiết trong các mô phỏng có độ phân giải cao nhất. Nguồn: J. McCaffrey và cộng sự, Open Journal of Astrophysics (submitted), 2023
Nếu áp dụng cách tiếp cận này, có thể chúng ta cố gắng diễn giải lại một số đặc điểm hiện không thể giải thích được của vũ trụ của chúng ta, bất kể điều đó có vẻ không tự nhiên đến mức nào.
Lấy ví dụ vấn đề về "hằng số vũ trụ", trong đó vì một lý do nào đó, vũ trụ dường như lấp đầy không gian bằng một trường có mật độ năng lượng cố hữu không đổi: mật độ năng lượng này không pha loãng hoặc thay đổi khi vũ trụ giãn nở. Trước đây câu hỏi này không quan trọng, nhưng bây giờ nó quan trọng vì mật độ vật chất đã bị pha loãng dưới một ngưỡng tới hạn nhất định. Chúng ta không biết tại sao không gian lại có mật độ năng lượng khác không này, cũng như tại sao nó lại có các giá trị phù hợp với năng lượng tối quan sát được của chúng ta. Đây là một bí ẩn không thể giải thích được.
Tuy nhiên, trong phương pháp tái tạo này, nếu thay đổi thang khối lượng và thang khoảng cách theo cấu hình mới, thì có một mối quan hệ giữa giá trị của hằng số vũ trụ và nghịch đảo của bình phương độ dài Planck.
Ngoài ra, độ dài Planck thay đổi theo sự tiến hóa của vũ trụ, và sự tiến hóa của nó là từ quan điểm của người quan sát: giá trị chúng ta quan sát bây giờ chính xác là giá trị quan sát được tại thời điểm này. Nếu thời gian, khối lượng và độ dài đều đồng tiến hóa, thì "vấn đề trùng hợp" trong vũ trụ học sẽ bị loại bỏ. Bất kỳ người quan sát nào cũng sẽ quan sát hằng số vũ trụ hiệu quả "bây giờ" của họ, điều này rất quan trọng vì thời điểm "bây giờ" của họ không ngừng phát triển theo thời gian vũ trụ.
Sơ đồ minh họa mật độ bức xạ photon (màu đỏ), mật độ neutrino (đường đứt nét màu đen), mật độ vật chất (màu xanh) và mật độ năng lượng tối (đường chấm) theo thời gian. Trong một mô hình mới được đề xuất cách đây vài năm, năng lượng tối đã được thay thế bằng đường liền màu đen trong hình, hiện tại không thể phân biệt bằng quan sát với năng lượng tối giả thuyết của chúng ta. Kể từ năm 2023, năng lượng tối trong một Vũ trụ đang giãn nở có thể lệch khỏi "hằng số" khoảng 7% trong phương trình trạng thái; nhiều phương sai hơn bị hạn chế nghiêm ngặt bởi dữ liệu. Nguồn : F. Simpson et al., Physics of the Dark Universe, 2018
Trong trường hợp này, chung ta có thể diễn giải lại vật chất tối như một hiệu ứng hình học trong đó khối lượng của các hạt tăng lên một cách hội tụ ở giai đoạn đầu. Chúng ta cũng có thể diễn giải lại năng lượng tối như một hiệu ứng hình học của khối lượng hạt tăng lên theo cách khác nhau trong giai đoạn cuối. Điều thú vị là một cách tiếp cận khác để diễn giải lại vật chất tối - trong đó sự giãn nở của vũ trụ được diễn giải lại là kết quả của trường vô hướng axion (như một hạt ứng cử viên vật chất tối đã biết) tương tác với trường. Sự kết hợp của trường vô hướng axion với các trường khác dẫn đến vi phạm CP—một trong những thành phần chính để tạo ra sự bất đối xứng vật chất-phản vật chất trong vũ trụ của chúng ta.
"Ảo ảnh" của thực tế
Suy nghĩ về các vấn đề theo các cách này dẫn đến nhiều kết luận tiềm ẩn thú vị và chúng ta không nên ngăn cản bất kỳ ai thực hiện kiểu khám phá toán học này trong giai đoạn đầu của "hộp cát".
Những ý tưởng như vậy một ngày nào đó có thể trở thành một phần của nền tảng lý thuyết ngoài Mô hình Chuẩn của vũ trụ học được chấp nhận hiện nay. Tuy nhiên, ngay cả khi điều này thú vị từ góc độ thuyết tương đối rộng thuần túy, hầu hết các nhà vũ trụ học hiện đại sẽ không bận tâm xem xét những vấn đề này. Bởi vì ngay cả việc quan sát bằng thực nghiệm và chứng minh rằng những cấu hình lại này có thể chấp nhận được ở quy mô vũ trụ sẽ hoàn toàn mâu thuẫn với những gì chúng ta đã quan sát được ở đây trên Trái đất.
Khi một nguyên tử hydro được hình thành, các spin của electron và proton có khả năng song song và phản song song như nhau. Nếu chúng là phản song song, thì không thể xảy ra quá trình chuyển tiếp nào nữa, nhưng nếu chúng là song song, chúng có thể tạo đường hầm lượng tử sang trạng thái năng lượng thấp hơn, phát ra các photon có bước sóng cụ thể trong khoảng thời gian dài hơn đáng kể. Những chuyển đổi như vậy đã được đo với độ chính xác đến từng phần nghìn tỷ và không đổi trong nhiều thập kỷ, hạn chế hằng số Planck, tốc độ ánh sáng, khối lượng của electron và sự kết hợp của chúng. Nguồn: Tiltec/Wikimedia Commons
Ví dụ, hãy xem xét các quan điểm sau:
- Các thuộc tính của hạt cơ bản như khối lượng, điện tích, chiều dài hoặc sự thay đổi tuổi thọ,
- Hay những hằng số cơ bản như vận tốc ánh sáng, hằng số Planck hay hằng số hấp dẫn thay đổi. Vũ trụ của chúng ta chỉ mới 13,8 tỷ năm tuổi trong điều kiện có thể quan sát được. Chúng ta đã thực hiện các phép đo có độ chính xác cao của các hệ thống lượng tử trong phòng thí nghiệm trong nhiều thập kỷ, với các phép đo chính xác nhất cho thấy các khoảnh khắc từ tính của electron với độ chính xác 1,3 phần mười nghìn tỷ [2]. Nếu các thuộc tính của hạt hoặc các hằng số cơ bản thay đổi, thì các phép đo trong phòng thí nghiệm của chúng tôi cũng vậy. Và theo lý thuyết được xây dựng lại bởi Lucas Lombisse và cộng sự, trong khoảng 14 năm kể từ năm 2009, chúng ta có thể quan sát những thay đổi từ các phép đo chính xác này với độ chính xác gấp hàng nghìn lần so với các phép đo tốt nhất của chúng ta: Chênh lệch khoảng một phần tỷ.
- Mômen từ của electron được đo với độ chính xác cực cao trong cả hai năm 2007 và 2022, với sự thay đổi giữa chúng nhỏ hơn một phần mười nghìn tỷ (giới hạn của độ chính xác trong các phép đo trước đó), cho thấy rằng hằng số cấu trúc tinh tế không thay đổi.
- Quá trình chuyển đổi quay-lật của nguyên tử hydro tạo ra một tia có bước sóng chính xác là 21,10611405416 cm, với độ sai số chỉ 1,4 phần nghìn tỷ và không thay đổi kể từ lần đầu tiên được quan sát thấy vào năm 1951. Các nhà vật lý đã đo nó chính xác hơn theo thời gian, chứng tỏ rằng hằng số Planck không thay đổi.
- Và thí nghiệm Eötvös, đo lường sự tương đương giữa khối lượng quán tính (không bị ảnh hưởng bởi hằng số hấp dẫn) và khối lượng hấp dẫn (bị ảnh hưởng), tính đến năm 2017 đã chỉ ra rằng hai "loại" khối lượng này tương đương giới tính là rất đáng kể, đạt một phần trong một nghìn tỷ.
Nguyên lý tương đương nói rằng không nên có bất kỳ sự khác biệt nào giữa gia tốc do trọng trường và gia tốc gây ra bởi bất kỳ lực nào khác trong vũ trụ. Một trong số chúng phụ thuộc vào hằng số hấp dẫn và cái còn lại thì không.Thử nghiệm chính xác nhất về nguyên lý tương đương đã được thực hiện bởi vệ tinh MICROSCOPE với độ chính xác từ 10 đến âm 15, đây là một phương pháp hằng số hấp dẫn bị ràng buộc theo thời gian. Nguồn: APS/Carin Cain
Một đặc điểm nổi bật của các nghiên cứu vũ trụ từ quan điểm tiêu chuẩn là trong suốt lịch sử của vũ trụ, tất cả các định luật vật lý áp dụng trên Trái đất đều áp dụng như nhau tại bất kỳ vị trí và thời điểm nào trong vũ trụ.
Một ý tưởng vũ trụ thất bại trên Trái đất kém thú vị hơn nhiều so với một ý tưởng hoạt động thành công trong tất cả các hệ thống vật lý. Nếu quan điểm truyền thống về vũ trụ giãn nở phù hợp với vật lý học trên Trái đất, và một quan điểm thay thế hoạt động tốt trong việc mô tả vũ trụ lớn hơn nhưng lại thất bại trên Trái đất, thì chúng ta không thể nói rằng vũ trụ giãn nở là một ảo ảnh.
Rốt cuộc, vật lý trên Trái đất được đo lường chính xác nhất và được kiểm tra chặt chẽ nhất đối với chúng ta. Điều đó không có nghĩa là các tạp chí xuất bản nghiên cứu khám phá mang tính suy đoán chẳng hạn như Classical and Quantum Gravity）, Journal of High Energy Physics, v.v. - không có uy tín và chất lượng cao. Những tạpj chí này đều rất uy tín, là những tạp chí chuyên ngành trong một lĩnh vực cụ thể.
Dù sao đi nữa, chúng ta còn phải tiếp tục khám phá các lựa chọn thay thế thực tế cho vũ trụ học tiêu chuẩn (và vật lý hạt). Nhưng đừng vứt bỏ tất cả thực tế là một lựa chọn khả thi. Ở đây, "ảo ảnh" duy nhất là thực tế được quan sát, đo lường của chúng ta, điều này rất quan trọng trong việc hiểu vũ trụ của chúng ta.
Có thể bạn sẽ không thể tán thành với quan điểm rằng sự giãn nở vũ trụ là một ảo ảnh. Bởi hiện tại, quan điểm chung trong cộng đồng khoa học là vũ trụ thực sự đang trải qua quá trình giãn nở.
Sự giãn nở vũ trụ được chứng minh bằng nhiều bằng chứng quan trọng, bao gồm sự phân tán đỏ của các thiên hà, phát hiện của nền vũ trụ phồng lên và các quan sát động học của vũ trụ. Các quan sát này đã được thu thập và xác nhận bởi nhiều thiết bị quan sát khác nhau, bao gồm cả vệ tinh và thiên văn quan trên Trái Đất.
Lý thuyết chính để giải thích sự giãn nở vũ trụ là lý thuyết Big Bang, mô hình cho sự ra đời và phát triển của vũ trụ từ một trạng thái siêu nhỏ, siêu nóng và siêu mật độ. Lý thuyết này đã giải thích được nhiều bằng chứng quan sát, bao gồm sự phân tán đỏ và phân phối vũ trụ.
Tuy nhiên, việc nghiên cứu vũ trụ vẫn còn rất nhiều câu hỏi chưa có lời giải đáp hoàn chỉnh. Có những lý thuyết và mô hình thay thế được đề xuất, và việc tiếp tục nghiên cứu và thảo luận là rất quan trọng trong việc hiểu sự phát triển và cấu trúc của vũ trụ.
Vn-Z.vn team tổng hợp tham khảo nguồn
Lucas Lombriser 2023 Class. Quantum Grav. 40 155005, DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6382/acdb41
Phys. Rev. Lett. 130, 071801 DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.071801
Ethan Siegel, Could the expanding Universe truly be a mirage?
