LỖ ĐEN TẠI GỐC THỜI GIAN
Các nhà khoa học đã cố gắng mô tả lịch
sử vũ trụ qua dòng thời gian song nhiều câu hỏi vẫn tồn đọng.Một trong các câu
hỏi đó là bản chất của Big Bang và tiếp theo là một thời kỳ lạm phát làm dãn nở
vũ trụ lên nhiều lần .
Các tác giả Niayesh Afshordi, Robert B.Mann
& Razieh Pourhasan (Đại học
Sau đây chúng tôi xin giới thiệu với bạn
đọc bài viết của 3 tác giả trên công bố tại Scientific American, tháng 8/2014.
Vũ trụ hiện tại có không gian
3 chiều và một chiều thời gian. Và ta hãy gọi đó là vũ trụ 3 chiều.Ta có thể
nghĩ rằng trước Big Bang, vũ trụ đã sở hữu thêm một chiều không gian dư (extra
dimension) nữa.
Trong kịch bản chúng tôi đề
ra thì vũ trụ 3 chiều hiện tại chỉ là cái bóng của một vũ trụ 4 chiều (tức có 4
chiều không gian).
Một vụ nổ hướng nội (implosion) đã tạo nên một cấu
trúc 3 chiều chung quanh một lỗ đen: vũ trụ chúng ta chính là cái cấu trúc đó (xem
hình 1).
Giả thuyết của chúng tôi dựa
trên cơ sở của nguyên lý toàn ảnh
(holography). Nguyên lý toàn ảnh (xem phần
chú thích) là nguyên lý chuyển sự mô tả vật lý từ một không gian với số chiều
này sang không gian với một số chiều khác.
Sự thắng lợi của nguyên lý
toàn ảnh đã thuyết phục nhiều nhà khoa học rằng đây không chỉ đơn thuần là một
phép toán học. Có lẽ ranh giới giữa các không gian với số chiều khác nhau là ít
ổn định hơn chúng ta tưởng. Có thể các định luật của vũ trụ được tạo nên trong
một không gian với số chiều nào đó và sau
được chuyển dịch sang một không gian với số chiều mà chúng ta quan sát
được. Chúng ta sống trong không gian 3 chiều nhưng nếu đào sâu vấn đề chúng ta
có thể thấy rằng nguồn gốc để trả lời các câu hỏi lại nằm trong không gian 4
chiều.Vũ trụ 4 chiều đáng được tư duy đến vì nó có thể cho phép chúng ta hiểu được những bí ẩn về nguồn gốc và bản
chất của vũ trụ chúng ta.
Hình 1. Một vụ nổ trong vũ trụ 4 chiều có
thể tạo nên vũ trụ 3 chiều của chúng ta
Hãy xét Big Bang- sự bùng nổ
đầu tiên dẫn đến sự hình thành vũ trụ của chúng ta.Các nhà lý thuyết hiện đại
cho rằng sau Big Bang là một thời kỳ “lạm
phát” – một thời kỳ dãn nở cực nhanh làm cho kích thước vũ trụ tăng lên 1078
lần hoặc hơn. Song quá trình lạm phát này không hề cung cấp được một tia sáng
nào vào câu hỏi điều gì đã gây nên Big Bang. Ngược lại giả thuyết vũ trụ 4
chiều mà chúng tôi giải trình sau đây có cơ giúp tìm hiểu được cái bí ẩn tối
hậu là Big Bang và loại bỏ thời kỳ lạm phát.
Hình 2. Kính viễn vọng đặt tại
Vũ trụ đã biết và chưa biết
Sự nghiên cứu của chúng tôi
về vũ trụ 4 chiều phát sinh từ nhưng bài toán chúng ta gặp phải trong vũ trụ 3
chiều. Vũ trụ học hiện đại có nhiều thành tựu rực rỡ song nhiều bí ẩn buộc
chúng ta phải cầu cứu đến nguyên lý toàn ảnh.
Các nhà vũ trụ có thể mô tả
lịch sử toàn vũ trụ bằng cách sử dụng một số phương trình (chủ yếu phương trình
Einstein) và tập 5 thông số sau đây:
-mật độ vật chất
-mật độ vật chất tối
-mật độ năng lượng tối
-biên độ (amplitude) và hình
dáng (shape) các thăng giáng lượng tử lúc sơ thời của vũ trụ.
Một hệ hình (paradigm) mô tả được nhiều quan trắc vũ trụ thu được trong
nhiều tỷ năm và trong không gian cực lớn của vũ trụ là mô hình Vật chất Tối và Lạnh- Lambda ( Lambda-Cold
Dark Matter, 
). Song hệ hình đó vẫn còn
bỏ ngỏ việc chúng ta đối diện với nhiều bí ẩn chưa có câu trả lời.
Vấn đề 1:chúng ta không hiểu được 5
thông số của mô hình 
Hãy xét mật độ của vật chất và
năng lượng trong vũ trụ.Đã nhiều thập kỷ các nhà khoa học hiểu nhầm rằng vật chất
thông thường –các nguyên tố tạo nên bảng Mendeleev- là dạng vật chất ngự trị. Bây
giờ chúng ta mới vỡ lẽ hiểu được rằng đó chỉ là 5% của tổng năng khối lượng, còn
lại 25% thuộc về vật chất tối (chỉ có tương tác hấp dẫn) và 70% thuộc năng lượng
tối, vốn gây nên dãn nở vũ trụ với gia tốc (chứ không phải dãn nở chậm dần vì sức
hút hấp dẫn như người ta nghĩ). Vật chất
tối và năng lượng tối là gì ? Chúng ta không biết.
Có thể câu trả lời nằm trong
việc thấu hiểu Big Bang -nguồn gốc đột
biến của không thời gian trong một plasma của bức xạ và hạt ở nhiệt độ 1027
độ.
Khó lòng hình dung được tình
huống vì sao sau Big Bang vũ trụ lại trở thành như ta quan sát được hiện nay: một
vũ trụ có nhiệt độ đồng nhất và với một độ cong gần phẳng dẫn đến các góc của một
tam giác có tổng bằng 180 độ.
Trong khuôn khổ vật lý hiện
nay thì chỉ có lạm phát mới dẫn đến tình huống như vậy. Lạm phát đã là phẳng mọi
chỗ có độ cong của vũ trụ và đã làm cho vũ trụ có nhiệt độ đồng nhất mọi nơi.Giống
như một máy khuếch đại khổng lồ lạm phát đã khuếch đại những thăng giáng nhỏ của
mật độ năng lượng thành những vật thể có kích thước vũ trụ. Chính các thăng giáng
này đã là mầm của các cấu trúc như thiên hà, sao, hành tinh và thậm chí các cơ
thể sống như chúng ta.
Lạm phát được xem như một hệ
hình (paradigm) có hiệu quả .Đã nhiều thập kỷ các nhà vũ trụ học truy tìm và
nghiên cứu CMB (Cosmic Microwave
Gackground), bức xạ tàn dư của thăng giáng mật độ thuở vũ trụ sơ sinh . Những
kết quả của vệ tinh Planck của European Space Agency cho thấy rằng vũ trụ quả là gần như phẳng và đồng
nhất (đây hai tiên đoán chìa khoá của lạm phát) .Ngoài ra biên độ và hình dáng (shape) của các thăng giáng
sơ khai quan sát được cũng phù hợp với việc khuếch đại chân không lượng tử bởi
lạm phát.
Vấn đề 2: lạm phát là một quá trình khó
hiểu
Điều gì đã khởi động lạm phát
, điều này cần năng lượng lớn.Phải chăng do trường inflaton? Như chúng ta biết
trường Higgs có thể đóng vai trò inflaton Inflaton có 2 nhiệm vụ: bảo đảm dãn nở
vũ trụ và bảo đảm cấu trúc của vũ trụ hiện tại từ những thăng giáng nhỏ ban đầu
trong năng lượng trường inflaton.
Song inflaton cũng không giải
quyết vấn đề mà chỉ đẩy các vấn đề lùi lại một bước: chúng ta không hiểu được bản
chất của inflaton, nó từ đâu đến và làm
sao tìm được nó, và không biết nó có tồn tại hay chăng?
Và người ta cũng không thể hiểu
lạm phát đã kết thúc như thế nào? đó là bài toán thoát ra (exit) của lạm phát.Nếu một trường nào đó khởi động lạm phát
thì vì sao nó lại dừng lại? điều gì đã làm nó dừng lại?
Chúng ta cũng không có lời giải
thích về 5 thông số của mô hình Lambda-CDM. Chúng ta cũng chưa có lời giải thích
về bản chất vũ trụ trước lạm phát.
Vấn đề 3: chúng ta không hiểu được mọi
việc bắt đầu như thế nào.
Một thách thức lớn của vũ trụ
học là vấn đề Big Bang-một điểm kỳ dị tại đấy mọi định luật vật lý bị phá sản.
Điểm kỳ dị là một vũ trụ không có thứ tự không có luật lệ nào cả. Khó lòng hiểu
được từ một vũ trụ đó lại sinh ra một vũ trụ có mọi định luật như vũ trụ hiện
tại.
Điểm kỳ dị là điều kỳ lạ song
không phải là không quen thuộc:ta đã có hình tượng của điểm kỳ dị đó là tâm của
các lỗ đen hình thành từ sự co lại của các sao lớn.Khi nhiên liệu hạt nhân đã bị
đốt hết thì hấp dẫn thắng thế và sao co lại dưới lực hấp dẫn.Những sao ít nhất
lớn hơn 10 lần mặt trời sẽ co lại và bùng nổ thành siêu tân tinh (siêu tân tinh
loại II ). Nếu sao lại lớn hơn 15-20 lần mặt trời thì siêu tân tinh sẽ để một hạt
nhân (core) co về lỗ đen.
Lỗ đen được hình dung là một
vùng mà ánh sáng không thoát ra được.Biên vùng đó là một mặt 2 chiều gọi là chân
trời sự cố (event horizon), đây
là biên giới từ đó có đường vào mà không có đường ra. Mọi vật rơi vào quá chân
trời sẽ bị cô lập với thế giới bên ngoài.
Giống như Big Bang mọi định
luật bị phá sản tại lỗ đen . Song điều khác là lỗ đen lại được bao quanh bởi mặt
biên gọi là chân trời sự cố . Mặt này có tác động như như một vỏ thiết giáp- nó
ngăn không cho mọi thông tin nội tại về kỳ dị thoát ra ngoài. Chân trời ngăn không
cho người bên ngoài biết được mọi sự cố tai biến của kỳ dị.
Chúng ta trở thành bất lực đối
với điểm kỳ dị vì nó bị ngăn bởi một vỏ bọc. Mọi sự cố không thoát ra được cho
nên không thể nào áp dụng những định luật gì để mô tả được những điều đã xảy ra
và tiên đoán được những điều sẽ đến.
Nhìn từ xa lỗ đen là một vật
thể rất đơn giản. Lỗ đen chỉ còn là một cấu trúc phẳng phiu đặc trưng bởi khối
lượng, momen góc (và có thể bởi điện tích nếu có).Các nhà vật lý gọi đặc trưng đó là “lỗ đen không có tóc”.
Ngược lại Big Bang không có vỏ
bọc nào cả . Big Bang không có chân
trời (mặt biên sự cố ). Chúng ta mong muốn tạo một vỏ bọc cho điểm kỳ dị Big
Bang tựa như chân trời sự cố của lỗ đen.
Các tác giả bài báo này chính đang làm việc
đó khi đưa ra kịch bản trong đó Big Bang biến thành một ảo ảnh vũ trụ. Điều này sẽ giúp chúng ta thoát khỏi việc cần thiết phải
thấu triệt mọi hệ quả bất thường và bí ẩn của Big Bang.
Thứ nguyên dư đã co lại (EXTRADIMENSIONAL COLLAPSE)
Hãy hình dung rằng vỏ bọc được
hình thành sau một quá trình co vũ trụ- giống y như đường chân trời 2 chiều của
lỗ đen được hình thành sau quá trình co của một sao 3 chiều. Như vậy nếu quá trình
co nói ở đây được thực hiện trong một vũ
trụ 4 chiều không gian thì chúng ta sẽ có
một vỏ bọc 3 chiều.
Ở đây ta gặp lại ý tưởng của
Theodor Kaluza năm 1919 và sự phát triển của Oskar Klein năm 1920 về sự tồn tại
những chiều dư (extra dimensions).Ý tưởng này bị lãng quên trong hơn nửa thế kỷ
và được phục hồi nhờ LTD (Lý thuyết dây-String theory) năm 1980. Hiện nay các
nhà vật lý đã sử dụng ý tưởng đó để xây dựng một vũ trụ gọi là vũ trụ màng
(brane world).
Ý tưởng chính của vũ trụ màng
là vũ trụ 3 chiều của chúng ta chỉ là một vũ trụ con (subuniverse) nhúng trong
một vũ trụ có số chiều không gian lớn hơn (4 hoặc nhiều hơn ). Và vũ trụ 3 chiều
của chúng ta sẽ được gọi là một màng còn
vũ trụ lớn được tạm gọi là “siêu vũ trụ”.
Mọi dạng khối lượng và năng lượng đều dán dính trên một màng 3 chiều giống như
một phim được chiếu trên một màn ảnh.
Chỉ riêng có hấp dẫn là có thể
thoát ra khỏi màng hay nói cách khác hấp dẫn thẩm thấu khỏi màng lan sang siêu vũ trụ có số chiều lớn hơn.
Hãy hình dung rằng siêu vũ trụ 4 chiều có thể tồn tại trước
Big Bang.Chúng ta có thể tưởng tượng siêu
vũ trụ được lấp đầy bởi những đối tượng như sao 4 chiều, thiên hà 4 chiều
.Những thiên thể 4 chiều này có thể tiêu thụ cạn nhiên liệu giống như các thiên
thể 3 chiều và co lại thành lỗ đen.
Một lỗ đen 4 chiều sẽ được hình
dung ra thế nào? Chúng phải có một chân
trời không phải là một mặt 2 chiều như trong lỗ đen mà là một chân trời 3 chiều không gian như trên đã nói.
Khi mô hình hoá một quá trình
chết do sự co hấp dẫn của một sao 4 chiều chúng tôi thấy rằng trong nhiều trường
hợp các vật liệu bị bắn ra từ vụ co hấp
dẫn của sao có thể tạo nên một màng 3 chiều dãn nở chậm quanh chân trời 3 chiều
(giống như hai mặt cầu bao quanh một quả
cầu ). Vũ trụ chúng ta là một màng 3 chiều – đó chính là một hologram (toàn ảnh)
của một sao 4 chiều đã co lại thành lỗ đen.Như vậy điểm kỳ dị
Big Bang sẽ bị giấu kín đối với chúng ta sau một chân trời 3 chiều (xem hình 3).
Hình 3. Trong lý thuyết chuẩn Big Bang bắt đầu
từ một điểm kỳ dị.Tuy nhiên điểm kỳ dị là
một điều đáng lo ngại : ở đấy mọi định luật vật lý phá sản và khó hình dung được
từ kỳ dị có thể đột sinh một vũ trụ như chúng ta quan sát hiện tại.Thay vì vào đó
các tác giả bài viết này đưa ra giả thuyết mọi việc bắt đầu bằng sự cố một vũ
trụ 4 chiều co lại thành một lỗ đen tại gốc thời gian. Vũ trụ của chúng ta được
bảo vệ khỏi điểm kỳ dị ở tâm lỗ đen đó bởi một chân trời sự cố 3 chiều. Trên hình
vẽ chúng tôi mô tả quá trình trong 3 chiều bởi vì không ai biết được một vũ trụ
4 chiều trông ra như thế nào.
Giả thuyết này có thực tế không?
Giả thuyết này của chúng tôi
có ưu điểm là loại bỏ được điểm kỳ dị ( gắn liền với Big Bang). Vậy các vấn đề
còn lại như tính gần phẳng và tính đồng nhất cao của vũ trụ thì sao?
Vì rằng siêu vũ trụ 4 chiều tồn tại
trong một thời gian vô tận trong quá khứ cho nên nó có đủ thời gian để làm cân
bằng mọi điểm nóng và điểm lạnh. Ngoài ra siêu
vũ trụ vốn là phẳng cho nên vũ trụ của chúng ta cũng thừa hưởng được tính
phẳng đó.Hơn nữa lỗ đen 4 chiều cũng không
có tóc cho nên cái màng 3 chiều cũng
do đó mà phẳng phiu.
Vậy tính phẳng của vũ trụ chúng
ta là sự tàn dư của quá trình co một của siêu
vũ trụ
Như vậy giả thuyết của chúng
tôi không những giải quyết vấn đề về tính
gần phẳng và tính đồng nhất cao của vũ trụ mà không cần đến lạm phát và cũng đồng thời làm triệt tiêu mọi hệ quả
khó khăn gây ra bởi điểm kỳ dị ban đầu.
Ý tưởng của chúng tôi trông có vẻ kỳ lạ song có nhiều con đường
để kiểm nghiệm. Một con đường đó là nghiên cứu CMB.
Chúng tôi có thể chỉ ra rằng
các thăng giáng nhiệt trong siêu vũ trụ
đó sẽ tạo nên những thăng giáng trên màng 3 chiều và chúng lại làm nhiễu CMB
bằng những đại lượng nhỏ song ghi đo được.Những tính toán của chúng tôi có khác
với những dữ liệu cuối cùng của đài Planck
của European Space Agency vào khoảng
4%. Song những
chênh lệch này có thể do những hệ quả thứ cấp mà chúng tôi chưa tính đến.
Ngoài ra nếu lỗ đen bốn chiều có chuyển động quay thì màng 3 chiều sẽ trông
khác nhau theo các hướng, vậy về cấu trúc quy mô lớn thì vũ trụ chúng ta sẽ có
tính bất đẳng hướng. Các nhà vũ trụ học có thể phát hiện được sự bất đẳng hướng
này khi nghiên cứu các biến đổi tinh tế
của CMB.
CC.
biên dịch và chú thích
Tài liệu
tham khảo và chú thích
[1] Nguyên lý toàn ảnh: năm1993 Gerard ‘t Hooft đề ra nguyên
lý toàn ảnh (holographic): theo
nguyên lý này tồn tại một vật lý n chiều trên mặt biên mô tả được hoàn toàn vật
lý (n+1) chiều của hệ nằm trong mặt biên. Một ví dụ ứng dụng nguyên lý
toàn ảnh: theo nguyên lý holographic các quy luật vật lý trên mặt biên (xem là
hologram) mô tả tương tác giữa các hạt như quark, gluon trong khi các quy luật
vật lý của không gian nằm trong mặt biên
được mô tả bởi lý thuyết siêu dây như thế có chứa cả hấp dẫn.
Trong quang học hologram là bức ảnh 2 chiều có khả năng tái lập một vật thể 3 chiều.
[2] Out of the White Hole: A Holographic Origin for the Big Bang. Razieh Pourhasan, Niayesh Afshordi and Robert B. Mann in Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, Vol. 2014, Article No. JCAP04(
2014)005; April 2014.
[3] Out of the Darkness. Georgi Dvali; February 2004.
[4] The Illusion of Gravity. Juan Maldacena; November 2005.
[5] Origin of the Universe. Michael S. Turner; September 2009
Nhận xét
Đăng nhận xét