Các nhà khoa học làm thế nào để chứng minh sự tồn tại của đa vũ trụ?

Một nghiên cứu do Đại học Cornell công bố vào ngày 9 tháng 5 năm 2023 tuyên bố rằng trong các thí nghiệm trên chất lỏng sắt từ, họ phát hiện ra rằng đa vũ trụ được dự đoán bởi lý thuyết giãn nở vĩnh cửu có thể là có thật. 

Điều đáng ngạc nhiên là thí nghiệm này không phải là bằng chứng duy nhất chứng minh sự tồn tại của đa vũ trụ, vì nhiều nghiên cứu khác cũng đã chỉ ra điều này. Một nghiên cứu năm 2017 của Đại học Durham ở Anh chỉ ra rằng trong bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB) do Vụ nổ lớn tạo ra, chúng ta đã quan sát thấy một số vùng đặc biệt lạnh, đặc biệt là những "điểm lạnh" hình tròn khổng lồ, có thể đến từ các vũ trụ khác và được hình thành gần vũ trụ của chúng ta. Những vũ trụ này có thể đã có tương tác hấp dẫn với vũ trụ của chúng ta trong Vụ nổ lớn, để lại những dấu vết này.

Bạn có thể tự hỏi chính xác thì đa vũ trụ là gì? Đa vũ trụ đến từ mô hình giãn nở vĩnh cửu. Nó phù hợp với những dự đoán của lý thuyết trường lượng tử, hợp lý hơn và liên quan trực tiếp đến mô hình Big Bang của vũ trụ. 

Theo thuyết Big Bang, vũ trụ của chúng ta được hình thành cách đây 13,8 tỷ năm trong một điểm kỳ dị cực kỳ đặc và cực nhỏ, vẫn chưa có câu trả lời rõ ràng nào về việc tại sao điểm kỳ dị này phát nổ và năng lượng trong vũ trụ được tạo ra như thế nào. 

Vì vậy, năm 1981, lý thuyết giãn nở vũ trụ đã được đề xuất để giải quyết các vấn đề trên. Theo lý thuyết giãn nở, vũ trụ trải qua quá trình giãn nở theo cấp số nhân trong khoảng từ 10^-36 giây đến 10^-32 giây sau khi ra đời. Trong khoảng thời gian rất ngắn này, thể tích của vũ trụ tăng nhanh gần 10⁷⁸ lần so với số 0 ban đầu. Nghĩa là, thể tích của vũ trụ đã giãn nở từ số 0 ban đầu đến kích thước của vũ trụ mà chúng ta quan sát được hoặc thậm chí lớn hơn.

Tại sao vũ trụ giãn nở xảy ra? Nguyên nhân là ở giai đoạn đầu của vũ trụ đã tồn tại một trường giãn nở dưới dạng trường vô hướng trong không gian. Nó có thể được coi là năng lượng tối, chân không lúc này chứa đầy năng lượng khổng lồ nên chân không này được gọi là chân không giả. Trong khoảng từ 10^-36 giây đến 10^-32 giây, năng lượng chân không gây ra sự giãn nở của không gian. Khi giãn nở dừng lại, năng lượng chân không phân rã và tạo ra vật chất. Giai đoạn này là giai đoạn nóng lên của vũ trụ, là khởi đầu của cái mà chúng ta gọi là Vụ nổ lớn.

Sau khi năng lượng chân không được giải phóng, tốc độ giãn nở của vũ trụ chậm lại đáng kể, nhưng vũ trụ vẫn tiếp tục giãn nở vì một phần năng lượng trong trường giãn nở vẫn còn trong chân không, đây là thứ mà ngày nay chúng ta gọi là năng lượng tối. 

Năng lượng tối vẫn khiến không gian giãn nở. Với lý thuyết giãn nở, chúng ta có thể hiểu được nguồn gốc trạng thái nhiệt của Big Bang, xuất phát từ sự phân rã của năng lượng chân không. Mặc dù hiện tại chúng ta không biết điều gì đã xảy ra trong khoảng thời gian từ 0 đến 10^-36 giây, nhưng sự xuất hiện của lý thuyết giãn nở đã khiến mô hình Big Bang trở nên hoàn thiện hơn. 

Tuy nhiên, vào năm 1986, lý thuyết giãn nở của Alan Guth đã được ba nhà vật lý phát triển thành lý thuyết giãn nở vĩnh cửu. Dựa trên lý thuyết này, chúng ta có dự đoán sau: Sự giãn nở của vũ trụ vẫn chưa dừng lại mà vẫn đang tiếp tục. Không gian mới được tạo ra có cùng lượng năng lượng chân không. Khi giãn nở dừng lại ở đâu đó trong không gian, vùng bong bóng sẽ hình thành. Khu vực bong bóng này đã trải qua một vụ nổ lớn và một vũ trụ bong bóng đã ra đời. Vũ trụ chúng ta đang sống là một trong nhiều vũ trụ bong bóng.

Để hiểu mô hình giãn nở vĩnh cửu, hãy tưởng tượng một quả bóng nhỏ lăn xuống một ngọn đồi thoai thoải. Đáy sườn đồi là một thung lũng, quả cầu trên sườn đồi có một thế năng nhất định. Trạng thái này có thể được so sánh với vũ trụ chứa đầy năng lượng chân không, đó là chân không giả. 

Hiển nhiên, quả cầu không ở trạng thái ổn định, theo thời gian trôi qua, cuối cùng nó sẽ lăn xuống thung lũng, giải phóng năng lượng, tiến vào trạng thái ổn định. Điều này thể hiện sự kết thúc của giãn nở. 

Khi chân không giải phóng năng lượng, nó tạo ra các hạt và trường khác, tạo ra vụ nổ lớn nóng. Nếu trường giãn nở trong chân không là cổ điển thì bài toán sẽ tương đối đơn giản, vì chúng ta có thể xác định khi nào quả bóng sẽ lăn xuống đồi. Một khi nó lăn xuống hoàn toàn, giãn nở sẽ chấm dứt và vũ trụ chỉ có thể hình thành một vũ trụ. 

Tuy nhiên, trường giãn nở là trường lượng tử và quả bóng không phải là vật vĩ mô mà được điều khiển bởi cơ học lượng tử. Vì vậy thời điểm quả bóng lăn xuống đồi là không chắc chắn và nó sẽ dao động lên xuống đồi. Vì vậy, ở những vùng giãn nở vũ trụ khác nhau, thời điểm giãn nở kết thúc cũng khác nhau. Ở một số không gian, vũ trụ có thể được sinh ra nhanh chóng, trong khi ở những không gian khác có thể mất nhiều thời gian. Thời gian trôi qua, vũ trụ sẽ sinh ra nhiều vũ trụ bong bóng như vậy, đó chính là đa vũ trụ.

Vậy chúng ta có thể giao tiếp với các vũ trụ khác không? Rõ ràng điều này là không thể. Vì không gian trong mỗi vũ trụ đang giãn nở nhanh hơn nhiều so với tốc độ ánh sáng nên không có thông tin nào được trao đổi dưới bất kỳ hình thức nào giữa hai vũ trụ. Vì vậy, để chứng minh sự tồn tại của đa vũ trụ, chúng ta chỉ có thể tìm kiếm bằng chứng gián tiếp. 

Theo một số nhà khoa học, khi đa vũ trụ được tạo ra, các vũ trụ ở rất gần nhau. Điều này tạo ra các tương tác hấp dẫn để lại các điểm lạnh trong bức xạ nền vi sóng vũ trụ. Chúng ta biết rằng các điểm lạnh là kết quả của lực hấp dẫn mạnh. Vì vậy, theo các tài liệu nghiên cứu đăng trên tạp chí Physical Review Letters và Physical Review D, các điểm lạnh đã được phát hiện trong nền vi sóng vũ trụ, có thể do các vũ trụ khác ở gần đó gây ra. 

Tuy nhiên trong cộng đồng khoa học quốc tế, không có sự đồng thuận về vấn đề này. Hầu hết các nhà khoa học tin rằng những điểm lạnh này là dấu vết của lực hấp dẫn của các siêu đám cổ đại, chứ không phải là bằng chứng của đa vũ trụ. 

Vậy làm thế nào để chúng ta chứng minh được sự tồn tại của đa vũ trụ? Một trong những cách chứng minh là tạo ra đa vũ trụ lượng tử trên Trái Đất bằng cách khai thác các hiện tượng lượng tử để tái tạo hành vi trường giãn nở. Miễn là hiện tượng lượng tử mà chúng ta quan sát được trong phòng thí nghiệm phù hợp với dự đoán của chúng ta về quả cầu lượng tử này, điều đó có nghĩa là trường giãn nở ban đầu có khả năng phát triển theo dự đoán của chúng ta.

Đại học Cornell đã công bố một nghiên cứu là kết quả thực nghiệm đầu tiên chứng minh sự tồn tại của đa vũ trụ. Thí nghiệm được tiến hành vào ngày 9 tháng 5 năm 2023 và sử dụng chất lỏng sắt từ làm đối tượng nghiên cứu. 

Khi những chất lỏng này chuyển từ trạng thái siêu bền sang trạng thái cơ bản, tương tự như quá trình một quả bóng lăn xuống đồi, chúng hoạt động rất giống với quá trình phân rã của trường giãn nở. Điều này nhìn chung phù hợp với những dự đoán của lý thuyết giãn nở vĩnh cửu, nhưng thí nghiệm này là tuyến tính và một chiều. Nếu muốn chứng minh sự tồn tại của đa vũ trụ, chúng ta vẫn cần tiến hành các thí nghiệm hai và ba chiều. Vì vậy, các nhà khoa học đang tiến hành các thí nghiệm khác. 

Trong vật lý lượng tử, khi các nguyên tử đạt đến áp suất và nhiệt độ cực thấp, hàm sóng của các nguyên tử phát triển sự kết hợp và tất cả các nguyên tử đều ở trạng thái lượng tử thấp nhất và giống nhau. Hiện tượng này được gọi là ngưng tụ Bose-Einstein. Các nhà nghiên cứu cũng quan sát thấy sự hình thành các bong bóng chân không nhỏ trong những đám mây ngưng tụ này. 

Từ quan điểm dữ liệu, những bong bóng chân không siêu nhỏ này tương tự như việc tạo ra bong bóng vũ trụ. Các nhà khoa học hiện đang tiến hành các thí nghiệm tương tự sử dụng nguyên tử kali và dự định công bố kết quả vào năm tới. Vì vậy đa vũ trụ rất có thể xảy ra vì nó có ý nghĩa logic.