Cách giải thích mới về "vật chất tối" này nói rằng ta đã hiểu sai hết về lực hấp dẫn

Một nhà vật lý lý thuyết vừa mới nêu ra giả thuyết mới, giải thích được bí một trong những bí ẩn lớn nhất vũ trụ, đó là vật chất tối, loại vật chất được dự đoán là tạo nên 27% Vũ trụ nhìn thấy được.

Theo bản báo cáo nghiên cứu mới kia, thì việc duy nhất mà ta cần làm để giải thích ảnh hưởng kì lạ của vật chất tối đó là gỡ bỏ lực hấp dẫn khỏi phương trình đó.

“Những ý nghĩ hiện tại của chúng ta về không gian, thời gian và lực hấp dẫn cần phải nhanh chóng sửa đổi lại. Đã từ lâu rồi, chúng ta vẫn biết rằng thuyết tương đối và vật lý lượng tử không thể hòa hợp với nhau”, tác giả bài nghiên cứu, ông Erik Verlinde từ Đại học Amsterdam nói.

“Những khám phá mới này của chúng tôi sẽ thay đổi rất nhiều thứ, và tôi nghĩ rằng chúng ta đang đứng trên ngưỡng cửa tiến hóa của khoa học”.

Vấn đề với vật chất tối nằm ở chỗ chúng ta có nhiều lực hấp dẫn trong vũ trụ này (và đặc biệt nhiều trong các thiên hà) hơn số lượng lực hấp dẫn có thể được tạo ra bằng các vật chất và khí gas vũ trụ mà ta nhìn thấy. Ta đang có nhiều hơn là lượng đáng lẽ phải có.

Theo đúng như truyền thống, các nhà vật lý học giải thích sự việc này bằng cách nói rằng có một thứ tăm tối gì đó ngoài vũ trụ mà ta không thấy được kết nối mọi thứ lại, từ đó cái tên "vật chất tối" ra đời.

Theo dự đoán, vật chất tối tạo nên 27% khối và năng lượng của Vũ trụ nhìn thấy được. Thực tế, nếu như các thiên hà KHÔNG có vật chất tối, một mình lực hấp dẫn sẽ không thể níu giữ mọi thứ lại như ta vẫn thấy được. Đáng buồn là không ai (hoặc ít ra là chưa ai) tìm ra được thứ vật chất tối đó là gì.

Trong nhiều năm dài tìm tòi và thử nghiệm, ta tìm được một số hạt có thể là “ứng cử viên” cho hạt vật chất tối nhưng chúng đều đã được chứng minh là không phải.

Vì vậy, nhà nghiên cứu Verlinde đã tìm một hướng giải quyết khác. Nếu chúng ta phát hiện ra vật chất tối chỉ để giải quyết được sự trống vắng, sự cứng đầu do chính lực hấp dẫn tạo ra, có lẽ vấn đề không nằm ở thứ vật chất tối đó. Có lẽ chúng ta đã chưa thực sự hiểu cách thức hoạt động của lực hấp dẫn.

Vật chất tối không phải thứ duy nhất mang tính mâu thuẫn với lực hấp dẫn. Hình mẫu chuẩn của vật lý, những bộ công thức mẫu mực nhất để ta diễn giải về cách hoạt động của Vũ trụ này, lại không giải thích về những ảnh hưởng của lực hấp dẫn.

Lực hấp dẫn và những thuyết tương đối khác lại không thể liên kết được với những hiểu biết của chúng ta về cơ học lượng tử. Vì thế, chúng ta mới có một cuộc kiếm tìm mới, với mục đích tìm ra được một “lý thuyết vạn vật” mới, thứ có thể liên kết được mọi vật với nhau thông qua việc liên kết được thuyết tương đối và cơ học lượng tử.

Nhưng Verlinde lại có một cách thức khác để tiếp cận vấn đề này: ông gạt bỏ hoàn toàn sự liên hệ của lực hấp dẫn. Theo những gì nhà khoa học này diễn đạt, thì lực hấp dẫn không phải là một lực chính của tự nhiên, mà đó chỉ là một hiện tượng có biểu hiện cực kì rõ ràng, cũng như nhiệt độ tăng từ việc các hạt vật chất siêu nhỏ dao động vậy.

Nói một cách khác, lực hấp dẫn là một thứ hiệu ứng phụ, chứ không phải là một nguyên nhân chính gây ra các sự kiện trong Vũ trụ này.

Lần đầu tiên nhà khoa học Verlinde đề xuất thuyết liên quan tới lực hấp dẫn này là từ năm 2010. Nhưng lần này, ông cho thấy rằng khi thực sự áp dụng định nghĩa mới này vào Vũ trụ mà ta đang biết, chúng ta sẽ không cần phải tìm ra thứ hạt mang đặc tính của vật chất tối nữa, không cần phải mất công tìm hiểu về các vật chất tối nữa – các thiên hà trên Vũ trụ hoàn toàn hoạt động bình thường mà không cần tới sự liên kết của vật chất tối.

“Chúng ta có bằng chứng rằng góc nhìn mới về lực hấp dẫn này đúng với những gì chúng ta nhìn thấy”, ông nói. “Ở một quy mô vĩ mô, có vẻ như lực hấp dẫn không hoạt động như những gì thuyết của Einstein đã dự đoán”.

Để tới được kết luận này, ông Verlinde đã đưa nghiên cứu quay về thời xa xưa khi vũ trụ hình thành, để có thể hiểu được chính xác lực hấp dẫn đã hình thành như thế nào, xem xét nó với mức độ hiển vi.

Tính toán của ông cho thấy rằng lực hấp dẫn là một hiện tượng rất dễ nhận thấy khi độ hỗn loạn (entropy) của Vũ trụ này tăng lên, và bản chất của Vũ trụ vẫn luôn như vậy, theo như nhiệt động lực học đã trình bày.

Sự hỗn loạn (entropy) mô tả một hệ thống có bao nhiêu năng lượng toát ra, hay nói cách khác hệ thống ấy hỗn loạn tới mức nào.

Và theo một cách hiểu khác nữa, điều đó cho thấy ta sẽ cần thông tin lớn tới mức nào để mô tả một hệ thống. Nó càng hỗn loạn, thì sẽ càng cần nhiều thông tin để mô tả nó, lúc ấy là khi độ “entropy” của nó tăng cao.

Mẫu nghiên cứu của Verlinde sử dụng độ hỗn loạn áp vào nguyên tắc cơ bản của giao thoa laser, một nguyên tắc nằm trong lý thuyết dây, lý thuyết thuộc một phần của cơ học lượng tử.

Ý tưởng cơ bản của ông là có một thông tin cơ bản ẩn chứa trong kết cấu không thời gian, theo lời mô tả của Verlinde là “nguyên tử” của vũ trụ, và những thông tin cơ bản ấy sẽ có thể tự di chuyển hướng tới một trạng thái hỗn loạn cao hơn (high entropy).

Trạng thái "entropy" của một cốc cà phê sữa.
Sữa hòa vào cà phê và thành một loại đồ uống mới, không bao giờ tách ra được nữa.

Theo như tính toán của Verlinde, việc chuyển trạng thái này tạo ra một lực hỗn loạn hoạt động như lực hấp dẫn.

Thử thách hiện giờ là phải chứng minh được thuyết này.

Cách thức đơn giản nhất để có thể bác bỏ được thuyết này đó là tìm ra được một loại hạt giải thích được “vật chất tối”. Bên cạnh đó, các nhà vật lý học cũng có thể bác bỏ được nó bằng cách áp mô hình của Verlinde vào lịch sử quan sát vũ trụ của chúng ta.

Verlinde đã đưa bản báo cáo khoa học của mình lên arXiv.org, để các nhà khoa học khác có thể xem xét và thử nghiệm nó. Hiện tại vẫn chưa xác nhận được thuyết của Verlinde là đúng, vì thế ta vẫn chỉ đọc nó với tính chất “tham khảo” mà thôi.

Đây chắc hẳn vẫn là một ý tưởng mới mẻ và thú vị. Kể cả khi nó sai (như vô vàn các thuyết trước đó), nó vẫn là một cách thức xem xét vấn đề cực kì mới mẻ - ta gạt bỏ những thứ mình vẫn cho là chuẩn mực từ trước tới giờ để giải quyết vấn đề mới. Trong trường hợp này, đó là lực hấp dẫn.

Có thể ta đang đứng trước điểm bật lịch sử, nơi ta có thể hiểu hết được vũ trụ này hoạt động như thế nào. Và cũng có thể, ta vẫn sẽ phải chờ “thuyết kết nối vạn vật” để có thể mở rộng tầm mắt, có được một góc nhìn chính xác về bản chất của không gian, thời gian và lực hấp dẫn.