VƯỢT LÊN TRÊN KHÔNG – THỜI GIAN: CHÀO ĐÓN KHÔNG GIAN PHA - Phần 1

Tác giả: Amanda Gelter
Theo Newscientist.com

Một lý thuyết về thực tại vượt lên trên vũ trụ của Einstein đang dần thành hình – và một tín hiệu kì diệu của vũ trụ có thể sẽ sớm điền vào những chỗ khuyết này.

Không lâu trước đây, chúng ta cho rằng không gian và thời gian là những nền tảng bất biến và tuyệt đối của vũ trụ. Cho đến Albert Einstein, người chỉ ra rằng những người quan sát khác nhau có thể không thống nhất với nhau về chiều dài của các vật và khoảng thời gian giữa các sự kiện. Lý thuyết hấp dẫn của ông thống nhất không gian và thời gian thành một thực thể duy nhất – không thời gian. Theo cách này, chúng ta biết rằng thực tại sẽ không còn giống như trước nữa. “ Từ nay, bản thân không gian và thời gian sẽ mờ dần theo cái bóng của nó,” theo như nhà toán học Hermann Minkowski. “ Chỉ có sự thống nhất giữa chúng mới tồn tại như một thực thể độc lập”.

Nhưng liệu cuộc cách mạng của Einstein có còn tiến xa? Nhà vật lý Lee Smolin làm việc tại Viện Đo lường vật lý lý thuyết đặt tại Waterloo, Ontario, Canada lại không nghĩ vậy. Ông và ba đồng sự đang nhắm đến việc giải quyết vấn đề thuyết tương đối ở một cấp độ hoàn toàn mới, và họ nhận được một cách nhìn khác về không thời gian. Nhóm này cho rằng chúng ta cần quên đi ngôi nhà mà Einstein đã mang lại cho chúng ta: thay vì vậy chúng ta đang sống trong một không gian pha.

Cái gì ẩn dưới bức màn không thời gian?. Nguồn Newscientist.com

Nếu luận điểm căn bản này chính xác, nó có thể giải quyết một nghịch lý về lỗ đen đã gây đau đầu cho các nhà vật lý hàng thập kỉ qua. Hơn thế nữa, nó có thể mang lại hành trang cho con đường mơ ước của họ: một “lý thuyết cho tất cả”, hợp nhất thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử.

Vậy không gian pha là gì? Nó là một thế giới kì lạ chứa không thời gian bốn chiều quen thuộc với chúng ta và một thế giới bốn chiều gọi là không gian xung.

Không gian xung mới nghe như một thế giới ngoại hành tinh. Khi bạn nhìn thế giới quanh bạn, bạn không quan sát thấy không gian hay thời gian – thay vì vậy bạn nhìn thấy năng lượng và xung lượng. Khi bạn xem ti vi chẳng hạn, các photon va chạm với các bề mặt và đọng lại trên võng mạc của bạn. Bằng cách đo đạc năng lượng và xung lượng của photon, não bộ của bạn xây dựng lại các sự kiện trong không gian và thời gian.

Điều tương tự cũng xảy ra trong các thực nghiệm vật lý. Bên trong đám bụi các hạt, các nhà vật lý đo đạc năng lượng và xung lượng của cá hạt khi chúng chuyển động và va chạm với các hạt khác, và năng lượng và xung lượng của các thành phần va chạm sẽ được chuyển ra ngoài. Giống như vậy, các kính thiên văn ước đạt năng lượng và xung lượng của các photon mà chúng bắt được đến từ những nơi xa xôi trong vũ trụ. “ Nếu bạn thừa nhận những gì chúng ta quan sát được, bạn sẽ nhận thấy chúng ta không sống trong không thời gian,” Smolin cho biết. “ Chúng ta sống trong không gian xung lượng”.

Và khi không thời gian được mô tả như một hệ tọa độ với một trục thời gian và ba chiều không gian được quy về một trục khác thì điều tương tự cũng đúng với không gian xung lượng. Trong trường hợp này, năng lượng là một trục và xung lượng, với ba thành phần như không gian, là một trục khác.

Những phép biến đổi toán học đơn giản giứp chuyển những phép đo trong không gian xung thành những phép đo trong không thời gian, và đôi khi mang lại ý nghĩ rằng không gian xung chẳng qua chỉ là một công cụ toán học. Sau hết, Einstein chỉ ra rằng không thời gian là một sân khấu thực tại thực sự, mà trong đó vở kịch vũ trụ diễn ra.

Smolin và các đồng sự không phải là những người đầu tiên thắc mắc liệu đó có phải là toàn bộ câu chuyện hay không. Trở lại năm 1938, nhà vật lý người Đức Max Born lưu ý rằng một vài phương trình quan trọng trong cơ học lượng tử vẫn giữ nguyên dạng khi chuyển từ không thời gian sang hệ tọa độ của không gian xung. Ông nghi vấn về khả năng liệu liên hệ này có thể giúp thống nhất hai lý thuyết không trùng hợp nhau là thuyết tương đối rộng, liên hệ với không thời gian và cơ học lượng tử, cho biết các hạt mang xung lượng và năng lượng. Có lẽ nó sẽ mang lại chìa khóa cho một lý thuyết dài hơi hơn: hấp dẫn lượng tử.

Tư tưởng của Born về việc không thời gian và không gia xung có thể hoán đổi cho nhau – thường biết đến với tên gọi “sự tương hổ Born” – có một hệ quả đáng lưu ý: nếu không thời gian có thể bị cong bởi khối lượng của sao và các thiên hà, như lý thuyết của Einstein đã chỉ ra, kh iđó nó cũng có thể làm cong không gian xung.

Ở thời điểm đó, cách thức mà một thực thể vật lý làm cong không gian xung là chưa rõ ràng, và toán học cần phải tạo ra những công cụ còn chưa biết đến trước đây. Vì vậy, Born chưa thể hoàn thành giấc mơ đặt không thời gian và không gian xung vào cùng một chỗ được.

Đó chính là nơi mà Smolim và các đồng sự bước vào câu chuyện. Cùng với Laurent Freidel, cũng tại Viện đo lường, Jerzy Kowalski-Glikman ở Đại học Wroclaw, Phần Lan và Giovani Amelino-Camelia ở Đại học Sapienza ở thành phố Rome nước Ý, Smolin hiện đang nghiên cứu các hiệu ứng do sự cong của không gian xung gây ra.

Bộ tứ này sử dụng các công cụ toán học quy chuẩn để chuyển đổi giữa không gian xung và không thời gian và áp dụng chúng cho một không gian xung bị uốn cong. Những gì họ khám phá ra thực sự gây sốc: những quan sát viên sống trong một không gian xung bị uốn cong sẽ không còn đồng tình với các đo đạc được thực hiện trong không thời gian. Điều này hoàn toàn chống lại bản chất của thuyết tương đối Einstein. Người chỉ ra rằng trong khi không gian và thời gian là tương đối, thì không thời gian là như nhau với tất cả mọi người. Tuy nhiên, đối với các quan sát viên sống trong không gian xung bị uốn cong, thậm chí không thời gian cũng là tương đối.

Còn tiếp ....