nhìn lại NĂNG LƯỢNG TỐI

 

nhìn lại

Năng lượng tối :Liệu có cần một lý thuyết vật lý mới cho vũ trụ?

 

Mười năm trước một phát hiện đã làm kinh ngạc các nhà vũ trụ học. Nhiều quan trắc chứng tỏ rằng quá trình giãn nở vũ trụ thay vì chậm lại thì càng gia tăng. Để giải thích hiện tượng khó hiểu này các nhà vũ trụ học đã đưa ra giả thuyết về sự tồn tại một loại năng lượng bí ẩn – năng lượng tối . Hiện nay bản chất của loại năng lượng này chưa được làm sáng tỏ. Công cuộc truy tầm năng lượng tối đang tiếp diễn quyết liệt trong lĩnh vực thực nghiệm cũng như lý thuyết .

 

  

Hiện nay vũ trụ đang giãn nở có gia tốc thay vì giãn nở chậm lại như chúng ta lầm nghĩ trước đây. Nguyên nhân : sự tồn tại phỏng đoán của một loại năng lượng gọi là năng lượng tối gây nên lực đẩy. Nếu không có năng lượng tối (hình I.5/1) thì  lực hấp dẫn vốn là lực hút sẽ làm cho sự giãn nở của vũ trụ chậm dần lại. Phỏng thuyết về năng lượng tối đã được đưa ra khoảng 10 năm trước đây, song bản chất của loại năng lượng này vẫn còn nằm trong bóng tối. Tuy vậy đa số các nhà vũ trụ học không  nghi ngờ sự tồn tại của năng lượng tối. Nhiều lý  thuyết đã được đưa ra để giải thích năng lượng tối và gây nên tình huống  năng lượng tối càng ngày càng trở nên bí ẩn hơn bao giò hết.

 

 

Sự dịch về phía đỏ

 

Vào đầu thế kỷ XX nguời ta cho rằng vũ trụ luôn luôn nằm trong trạng thái  tĩnh. Song vào năm 1929 những quan trắc của nhà thiên văn người Mỹ Edwin Hubble đã  làm thay đổi quan điểm trên. Phổ ánh sáng phát ra từ các thiên hà bị dịch về phía đỏ. Sự dịch về phía đỏ nói rằng các thiên hà đang chuyển động xa dần (hiệu ứng Doppler) và theo định luật Hubble, tốc độ chuyển động xa dần tỷ lệ với khoảng cách đến các thiên hà.

Trong nửa thế kỷ tiếp theo người ta nghĩ rằng lực hấp dẫn sẽ dần dần làm cho quá trình giãn nở này chậm lại và  quá trình co lại của vũ trụ sẽ dẫn đến  BigCrunch ( vụ co lớn của vũ trụ về một điểm kỳ dị ), song mọi việc đã xảy ra ngược lại.   

 

Các siêu sao (supernovae)

 

Đến năm 1990 nhờ các kỹ thuật ghi đo phát triển nguời ta phát hiện những siêu sao (supernova) hình thành do  nổ nhiệt hạch của các sao ở giai đoạn cuối đời. Các siêu sao phát ra  độ sáng rất lớn. Sau một thời gian ( nhiều tuần đến nhiều tháng ) siêu sao chết dần, trong khoảng thời gian đó siêu sao có thể phát ra một năng lượng tương đương với năng lượng mặt trời phát ra  trong khoảng 10 tỷ năm. Các siêu sao trông giống như những ngọn nến quy chiếu trong vũ trụ nhờ  năng lượng khổng lồ thoát ra: độ sáng  cho phép người ta xác định khoảng cách của chúng còn sự dịch về phía đỏ trong  phổ phát xạ cho phép xác định tốc độ giãn nở và từ đó đưa ra phỏng thuyết về năng lượng tối.

 

 

Những dao động âm baryonic (Baryonic Acoustic Oscillations -BAO )

 

Vào những giai đoạn sớm của vũ trụ không lâu sau BigBang tồn tại hai lực với bản chất khác nhau : áp lực bức xạ ( radiative pressure ) gây nên bởi các photon và lực hấp dẫn. Sự tranh chấp  của hai lực này đã gây nên những sóng áp lực (pressure wawe ) tương tự như sóng âm lan truyền với một tần số và vận tốc xác định. Khi vật chất và ánh sáng cuối cùng  phân chia nhau ( trước đây photon, electron, baryon tức proton & neutron nằm cùng nhau trong một trạng thái plasma ) thì các sóng này đóng vai trò quyết định trong sự phân bố mật độ vật chất – và do đó khoảng cách giữa các thiên hà.

Các sóng này lưu lại dấu vết trong vật chất baryon (baryonic matter ), sử dụng chúng người  ta có thêm một phương pháp khác để đo các khoảng cách trong việc xác định quá trình giãn nở của vũ trụ.

 

 

             

 

 

            Hình 1. Vũ trụ giãn nở từ 13,7 tỷ năm về trước. Các quan trắc cho thấy rằng quá trình giãn nở đó chậm lại trong giai đoạn 9 tỷ năm tiếp theo , do tỷ phần áp đảo của vật chất. Sau đó mật độ vật chất không đủ làm đối trọng với lực đẩy gây nên bởi năng lượng tối, từ đó vũ trụ giãn nở với gia tốc ngày càng lớn.

 

Các thành phần năng lượng trong vũ trụ

   

 

 

      Hình 2.   Trong vũ trụ có năng lượng tối,vật chất tối và vật chất thông thường xếp thứ tự theo chiều kim đồng hồ trên hình vẽ. Vật chất có nhiều ở giai đoạn sơ sinh của vũ trụ. Trong quá trình giãn nở vật chất loãng dần và năng lượng tối dần  chiếm ưu thế và quyết định số phận của vũ trụ.

 

Trong vũ trụ có 3 thành phần quan trọng : năng lượng tối  ( dark energy ) gây lực đẩy,vật chất tối ( dark matter ) gây lực hút , vật chất thông thường ( các sao , các thiên hà, các bức xạ ). Sự biến thiên của tỷ phần của năng lượng tối / vật chất tối / vật chất thông thường theo thời gian  được trình bày ở Bảng 1.

 

 

Bảng 1

 

Thời điểm	Năng lượng tối	Vật chất tối	Vật chất thông thường
11,5 tỷ năm trước	3,5 %	80,4 %	16,1 %
7,5 tỷ năm trước	22,6 %	64,5%	12,9%
HIỆN TẠI	70 %	25 %	5 %
11,5 tỷ năm sau	95 %	4,2%	0,8 %
24,5 tỷ năm sau	99,3%	0,6%	0,1%

 

 

Theo  các quan trắc thì năng lượng tối hiện nay  chiếm đến 70-72 % vũ trụ (xem hình I.5/2 & Bảng 1) và tỷ phần này càng lớn dần theo thời gian.

Hiện tượng giãn nở có gia tốc xảy ra tuơng đối không lâu lắm khoảng 5 tỷ năm về trước (xem hình I.5/1). Trước thời điểm đó sự giãn nở của vũ trụ đang chậm dần lại vì lực hấp dẫn của vật chất. Điều đó có nghĩa là trong khi mật độ vật chất giảm dần khi vũ trụ giãn nở thì nguợc lại mật độ năng lượng tối gần như không thay đổi (hoặc thay đổi rất ít): như thế tỷ phần năng lượng tối tăng lên theo quá trình giãn nở.

 

 

Những giả thuyết về năng lượng tối

 

  Những quan trắc hiện đại ( năm 1998 ) về sự bùng nổ của các sao ở khoảng cách xa ( supernovae ) chứng tỏ rằng có một lực bí ẩn đang gia tốc quá trình giãn nở của vũ trụ

 Nhiều lý thuyết đã được đưa ra để giải thích năng lượng tối.

1  /  Lý thuyết Einstein  nối liền không thời gian với vật chất trong phương trình mang tên Einstein: 

                                                G _ab   =8pGT_ab , 

 

G_ab  mô tả hình học của không thời gian, T_ab mô tả vật chất. Một tiếp cận lý thuyết nhiều hứa hẹn để giải thích  năng lượng tối là thêm  “hằng số vũ trụ  l” (lambda-constant cosmologic) vào vế trái  phương trình trên:                

                                         

                                                 G _ab + l g_ab  =8pGT_ab    .

 

Hằng số này ứng với một hiện tượng lượng tử – sự thăng giáng của chân không. Những thăng giáng này gây nên  mật độ và áp suất của năng lượng tối. Giả thuyết này gặp phải một khó khăn. Theo tính toán của các nhà vật lý lượng tử thì năng lượng thăng giáng của chân không vượt năng lượng tối khoảng 10 ⁶⁰ lần. Sự hiện diện của hằng số vũ trụ tương đương với sự tồn tại của  chất lỏng đồng nhất (homogeneous) với mật độ năng lượng  e   không thay đổi và áp suất  p < 0 (giống như một dây lò xo bị kéo giãn ra gây áp suất âm), chất lỏng này tạo nên gia tốc cho sự giãn nở của vũ trụ.

Người ta đưa vào  mật độ năng lượng chân không  e_l   tỷ lệ với hằng số vũ trụ  l  trong phương trình Einstein

                       l    =    (8 p G / 3c² ) e_l

 và thông số mật độ W

                      W  =    (8 p G / 3 H² c² ) e

 ở trên đây  H là hằng số Hubble . Thông số mật độ

                             W  =W_{vật chất} + W_{bức xạ} +  W_l   .

Khi  W < 1 thì không gian có độ cong âm, khi W thì không gian có độ cong dương, còn khi  W = 1 thì không gian phẳng.

 

2  /  Một phương án khác là giả định sự tồn tại của quintessence - một dạng ether. Quintessence là  danh từ lấy từ luyện kim thuật ( alchimie ), có nghĩa là nguyên tố  thứ năm xếp sau bốn nguyên tố khác là không khí, đất, nước và lửa.

 

Quintessence mô tả năng lượng tối như một thực thể động học với mật độ và áp suất thay đổi theo thời gian. Quintessence chỉ tương tác với vật chất thông thường thông qua hấp dẫn.

Như ta biết phương trình trạng thái của chân không có dạng p = - e, trong đó p là áp suất  còn e là mật độ năng lượng.

 

 Đối với quintessence thì phương trình trạng thái nối liền áp suất với mật độ năng lượng  là p/e  = q với  -1<q < -1/3. Một phương trình trạng thái như thế dẫn đến phản hấp dẫn ( antigravity )  p  < 0 và   e_{hấp dần}  < 0 [2] &[3] .

Nếu số q < - 1 thì  phản hấp dẫn sẽ lớn dần đến mức xé rách mọi thiên hà , mọi nguyên tử, mọi vật chất, đó là sự cố BigRip (Rip, tiếng Anh là xé rách) .

 

Trong triết học cổ điển những người Hy lạp cổ xưa đã tìm ra năm hình đa diện có 6, 8, 4, 20 và 12 mặt. Năm hình đa diện đều này đóng một vai trò quan trọng trong lịch sử phát triển  khái niệm đối xứng. Người Hylạp xem chúng là những viên gạch cơ bản cấu thành vũ trụ: họ gắn liền đất với hình 6 mặt, không khí – hình 8 mặt, lửa - hình 4 mặt, nước- hình 20 mặt và một loại chất liệu vũ trụ – hình 12 mặt.

Trong vật lý hiện đại một số các nhà vật lý đưa ra  5 yếu tố của vũ trụ: baryon, neutrino, photon, vật chất tối, và quintessence (một khả năng khác của năng lượng tối, ngoài khả năng hằng số vũ trụ ).

 

Có thể đưa ra sơ đồ khả dĩ của 2 khả năng  sau đây cho năng lượng tối: 

trong đó quintescence là một một loại hạt giả tưởng chiếm đầy vũ trụ ( ứng với một trường lượng tử ) .

Theo sơ đồ nêu trên chúng ta thấy có 2 khả năng để xét vấn đề năng lượng tối, trong đó khả năng sử dụng quintessence cũng có nhiều điểm duy lý, được nhiều nhà vật lý chú ý.Quintessence tạo ra một trường khi tương tác với vật chất thì thay đổi theo thời gian. Điểm này làm cho quintessence dễ thích hợp với các trị số quan sát được đối với năng lượng tối. Theo quan trắc thiên văn có thể năng lượng tối chỉ phát huy tác dụng cách đây khoảng 6 tỷ năm

 

 

3  /  Một hướng khác để giải thích năng lượng tối là thay đổi lý thuyết tương đối: giả định  tồn tại một loại vật chất mà mật độ năng lượng thay đổi theo thời gian, có tương tác tầm xa với các hạt khác cho nên làm thay đổi tương tác hấp dẫn.  Đây là loại tương tác thứ năm (sau các tương tác điện từ, yếu,  mạnh và hấp dẫn ) không đáng kể trong vùng không gian tương đối nhỏ song có ảnh hưởng phải tính đến  trong những vùng vũ trụ với kích thước lớn. Một lý thuyết kiểu như thế là  lý thuyết Brans-Dicke. Hai tác giả Brans & Dicke  đưa vào lý thuyết một trường vô hướng  f , trường này biến đổi theo không gian và thời gian. Trong lý thuyết Brans-Dicke vật chất sẽ biến động tùy thuộc vào độ cong của không thời gian như trong lý thuyết Einstein và vào sự thay đổi của cường độ hấp dẫn từng nơi. Trường  f  choáng đầy không gian và tham gia quyết định chuyển động của vật chất trong không thời gian. Trong lý thuyết Brans-Dicke vế phải của phương trình Einstein  nguyên thủy biến thành

     

              8pGT_ab + các số hạng chứa trường f  và  tham số  w

Tham số  w là một tham số không thứ nguyên, khi w ®   ¥  ta sẽ có lại lý thuyết Einstein.

Trong lý thuyết Brans-Dicke có tenxơ T_ab  và vô hướng S nên được gọi là lý thuyết  vô hướng-tenxơ. Gần như cùng một lúc Higgs đưa vào vật lý các hạt cơ bản trường Higgs để tạo khối lượng cho các hạt.

Các công trình của Brans-Dicke & Higgs được công bố  trên tạp chí uy tín là Physical Review. Vào giữa những năm 1970 người ta thấy dường như  có mối liên quan giữa hai lý thuyết trên. Phải chăng hai trường  Brans-Dicke và Higgs có cùng một bản chất vật lý?

 

 4  /  Một giả thuyết khác cầu cứu đến  hạt axion, là một hạt giả định do nhà vật lý Peccei-Quinn đưa ra để giải thích hiện tượng phá vỡ đối xứng CP. Các hạt này có một mật độ năng lượng không đáng kể so với vật chất thông thường. Người ta giả thiết rằng một phần các photon có thể biến thành axion . Các kính viễn vọng chỉ ghi đo các photon (bỏ mất phần photon đã biến thành axion) cho nên sẽ  đánh giá độ sáng của các sao thấp hơn thực tế, điều này làm cho chúng ta nghĩ lầm rằng các sao ở xa hơn sự thật do đó đoán nhận sai hiện tượng giãn nở.

 

5  /  Một hướng khác là đưa vào lý thuyết những mô hình không đồng nhất ( heterogeneous ) để  giải thích hiện tượng  giãn nở bằng cách ... loại bỏ nó: sự giản nở chỉ là một hệ quả gắn liền với cách đoán nhận các dữ liệu dựa trên một giả thuyết  sai lầm về hình học của vũ trụ. Trong vũ trụ vật chất có thể  phân bố không đồng nhất và đẳng hướng như chúng ta giả định khi nghiên cứu hiện tượng giãn nở. Nếu xét những mô hình hình học phức tạp hơn chúng ta có thể  không cần đến một mật độ năng lượng bổ sung nào khác và như vậy loại bỏ năng lượng tối.

 

6 /   Tồn tại chăng những chiều dư ( extra dimensions )?

 Lý thuyết siêu dây  đã đưa ra 6 đến 7 chiều dư  ngoài 4 chiều không thời gian. Các chiều dư này cuộn lại thành những không gian nhỏ nên chúng ta không cảm nhận được. Một số tác giả cho rằng hiện tượng gia tốc hiện nay của vũ trụ không phải gây nên  bởi năng lượng tối mà  bởi sự lan truyền, rò rỉ hấp dẫn vào những chiều dư [4]. 

Thế năng của một số trường có khả năng gây ra một hiệu ứng tương tự như hằng số vũ trụ (ví dụ inflaton ) hay quintessence, song những giả thuyết như vậy vẫn nằm trong phạm trù chấp nhận sự tồn tại của năng lượng tối. Liệu có thể không cần đến khái niệm năng lượng tối, chỉ dùng hiện tượng rò rỉ hấp dẫn sang các chiều dư để giải thích hiện tượng giãn nở có gia tốc của vũ trụ?

Như chúng ta biết  trong lý thuyết siêu dây, những mặt có tên là màng ( brane ) đóng một vai trò tôpô quan trọng. Các hạt như electron, proton, neutron … là những dao động của những dây h , đầu mút các dây này bị dán vào màng vốn là chỗ cư trú của thế giới chúng ta, trong khi đó graviton, lượng tử của hấp dẫn lại là dao động của những dây kín, không có đầu mút, cho nên graviton có khả năng thoát  khỏi màng và truyền lan sang các chiều dư. Như vậy chỉ riêng tương tác hấp dẫn là có thể thất thoát khỏi màng  và người ta chứng minh rằng các graviton có bước sóng dài dễ dàng lan truyền sang các chiều dư ( hình I.5/3 ).

 

         

 

 

Hình 3. Vũ trụ của chúng ta nằm trong một màng ( brane ).Hấp dẫn có thể thoát ra khỏi màng và lan truyền sang các chiều dư ( extra dimension ) .

 

 

Nếu hai thiên hà ở rất xa nhau thì các graviton trao đổi giữa chúng là những graviton có bước sóng dài, loại graviton này sẽ thất thoát sang các chiều dư do đó lực hấp dẫn trở nên yếu, định luật hấp dẫn không còn là 1 / r ² nữa ( trong không gian n chiều thì định luật hấp dẫn sẽlà 1/ r ^n-1 ). Đây là một điều kiện cho sự giãn nở có gia tốc.

Các tác giả Cedric Deffayet , Gabadadze và Georgi Dvali  chứng minh rằng các chiều dư sẽ dẫn đến giản nở có gia tốc [4] . Thực vậy trong lý thuyết nhiều chiều, những chiều dư sẽ tạo nên một số hạng mới trong các  phương trình  làm cho độ cong của màng thay đổi, hệ quả là: hấp  dẫn rò rỉ vào các chiều dư tạo nên thêm một độ cong bất khả quy  (irreducible) trên màng mà không phụ thuộc vào mật độ vật chất và năng lượng trên màng! Và độ cong này tác dụng như một hằng số hấp dẫn và làm cho vũ trụ giãn nở có gia tốc.

 

                                 

 

Một lý thuyết vật lý mới cho vũ trụ ?

 

Năng lượng tối có thể dẫn đến một mô hình vũ trụ mới thậm chí đòi hỏi thay đổi một số định luật vật lý. Hãy xét nguyên lý Copernicien gồm ba yếu tố: vũ trụ đồng nhất và đẳng hướng đối với  mọi điểm + lý thuyết Einstein + một loại chất lỏng với một phương trình trạng thái.

Jean-Philippe Uzan, CNRS (xem hình 4) muốn xét lại nguyên lý Copernicien. Sự dịch chuyển phổ và độ sáng (khoảng cách)  không độc lập với nhau nếu nguyên lý Copernicien là đúng. Một sự sai lệch khỏi mối liên kết đó sẽ chứng tỏ  nguyên lý Copernicien là sai. Nếu nguyên lý này sai thì cần có những phương trình khác để mô tả một hình học phức tạp hơn của vũ trụ. Và như thế những lời giải sẽ không ứng với một vũ trụ đẳng hướng và đồng nhất, ví dụ ta phải xét đến một đối xứng như đối xứng cầu chẳng hạn.  Đây quả là một cuộc cách mạng chống-Copernicien. Và trong mô hình mới này rất có thể không còn tồn tại sự giãn nở.  Sự giãn nở có thể là hệ quả của một giả thuyết sai lầm về đối xứng (một trường hợp làm mất đối xứng là  vũ trụ của chúng ta nằm  trong một bong bóng với mật độ nhỏ hơn).

Nếu giữ lại nguyên lý Copernicien thì phải hoặc thay đổi lý thuyết tương đối hoặc phải chấp nhận năng lượng tối.

 

Kết luận

 

Năng lượng tối là một vấn đề đang còn nằm ngoài  phạm vi hiểu biết của chúng ta. Năng lượng tối có thể dẫn đến việc xét lại nhiều định luật vật lý, nhiều mô hình vũ trụ hiện đại. Nguời ta hy vọng trong vòng 15 đến 20 năm mới có thể làm sáng tỏ bài toán khó khăn này mà thiên nhiên đặt ra cho chúng ta.

 

                                                      

 

Tài liệu tham khảo

[1] Franck Danino, Fabrice Demarthon  (La Recherche), Pierre Astier, Reynald Pain , Jean-Philippe Uzan (CNRS), Energie noire , La Recherche , tháng 9 / 2008

[2] A.D. Tchernin , Cosmic Vacuum, Uspekhi phys.nauk , 11/2001

[3] L.D.Landau,E.M.Liftchitz . Field theory

[4] Cao Chi, Einstein và vũ trụ lượng tử,  trong tuyển tập “ Einstein với khoa học & công nghệ hiện đại” , Hội Vật lý thành phố Hồ Chí Minh, 2005..