Nghiên cứu khoa học gây nhức đầu: Sự sống có thể tồn tại trong một Vũ trụ hai chiều

Thỉnh thoảng, chúng tôi lại có những bài viết mang tính chất khó hiểu vậy nên như mọi khi, các bạn cân nhắc đôi chút trước khi đọc tiếp.

Theo lời mấy nhà Vũ trụ học có tiếng, thì Vũ trụ của chúng ta có 3 chiều không gian và 1 chiều thời gian. Tại sao cứ phải tin lời họ nhỉ? Nhỡ chẳng may Vũ trụ có hai chiều thời gian và nhiều chiều không gian hơn nữa thì sao?

Những thập kỷ gần đây, các nhà vật lý học cũng đặt câu hỏi tương tự, họ nghiên cứu các đặc tính của Vũ trụ để tìm ra câu trả lời liệu sự sống có thể tồn tại ở một Vũ trụ không giống những gì ta đang có. Họ kết luận: Sự sống không thể tồn tại trong một Vũ trụ có 4 chiều hay có nhiều hơn 1 chiều thời gian.

Vậy nên việc chúng ta đang tồn tại trong Vũ trụ 3 1, 3 chiều không gian và 1 chiều thời gian, là điều tất yếu.

Những vấn đề hóc búa, mang tầm cỡ Vũ trụ này có tên riêng, là “cuộc tranh luận trong thời kỳ con người tồn tại - anthropic argument”. Ý tưởng đằng sau nó là Vũ trụ phải có những đặc tính nhất định để những người quan sát được Vũ trụ có thể sinh sống được.

Thế nhưng những gì vừa nói (3 chiều không gian, 1 chiều thời gian) chỉ là giới hạn trên, vậy với Vũ trụ đơn giản hơn - với 2 chiều không gian, 1 chiều thời gian, Vũ trụ 2 1 - thì sao? Các nhà vật lý học đưa ra giả định hai chiều không gian sẽ không đủ phức tạp để hậu thuẫn sự sống phát triển. Họ cũng nhận định lực hấp dẫn không thể hoạt động trong điều kiện không gian hai chiều, những cấu trúc tương tự nhưng một hệ sao sẽ không thể thành hình.

Nhưng tuyên bố này đúng tới đâu?

Nhờ công trình nghiên cứu của James Scargill đang công tác tại Đại học California, ta đã có bằng chứng đầu tiên về việc một vũ trụ 2 1 có thể hỗ trợ được cả lực hấp dẫn lẫn sự sống phức tạp. Nghiên cứu mới đã khiến nền móng “cuộc tranh luận” rạn nứt, khiến các nhà Vũ trụ học và triết gia phải tìm một lý do khác cho việc: Tại sao Vũ trụ lại có hình dạng hiện tại.

Trước hết, hãy biết cái nền móng mới bị rạn nứt là gì đã.

Một trong những câu đố khó giải nhất giới khoa học là lý do tại sao các định luật vật lý cơ bản lại hỗ trợ sự sống một cách hoàn hảo đến vậy. Ví dụ, hằng số giá trị để có một cấu trúc ổn định và hoạt động được tùy ý đến đáng nghi ngờ, khoảng 1/137 nhưng một loạt các nhà vật lý học chỉ ra chỉ cần con số này khác đi đôi chút, nguyên tử hay bất kỳ cấu trúc phức tạp nào đều sẽ không thể hình thành. Trong một Vũ trụ mang quan điểm “lệch lạc” đến vậy, sự sống sẽ không thể hình thành.

Hằng số cấu trúc hoàn thiện, fine-structure constant, hay còn gọi là hằng số Sommerfeld, thường được ký hiệu là α (ký tự alpha), được coi là hằng số vật lý không định hình cho thấy độ mạnh của tương tác điện từ giữa các hạt mang điện cơ bản. Nó mang giá trị số học tương đồng ở mọi hệ thống đơn vị đo lường, giá trị tương đương với 1/137.

Đại ý của “cuộc tranh luận trong thời kỳ con người tồn tại” là nếu hằng số Sommerfeld mang một giá trị nào đó khác, sẽ không sinh vật nào có thể hình thành để mà quan sát Vũ trụ. Đó chính là lý do tại sao ta lại đo được giá trị đó!

Thập niên 90, nhà vật lý học Max Tegmark luận ra một cuộc tranh luận tương tự về số lượng chiều không gian có trong Vũ trụ này. Ông đưa ra ý kiến rằng nếu Vũ trụ tồn tại nhiều hơn một chiều thời gian, các quy luật Vật lý sẽ thiếu đi những yếu tố cần thiết để người quan sát đưa ra dự đoán. Tức là khoa học sẽ không thể tồn tại, khi không ai có thể đưa ra dự đoán về các hiện tượng để dựa vào đó nghiên cứu theo phương pháp loại suy, có thể suy rộng ra là sự sống cũng chẳng tồn tại được.

Nhưng với một Vũ trụ chứa tới 4 chiều thời gian, nó lại có những đặc tính riêng. Trong Vũ trụ này, các định luật của Newton về chuyển động sẽ cực kỳ nhạy, thay đổi ngay cả khi gặp những xáo trộn nhỏ nhất. Một trong những hậu quả: Vũ trụ không thể có đường bay quỹ đạo ổn định, từ đó không thể có cấu trúc của hệ sao hay những cấu trúc tương tự.

Tegmark nói: “Trong không gian có nhiều hơn 3 chiều, không tồn tại nguyên tử truyền thống và những cấu trúc quỹ đạo ổn định”.

Max Tegmark

Dựa theo những gì đã luận ra, thì sự sống không thể tồn tại trong một Vũ trụ có nhiều chiều không gian hơn Vũ trụ ta đang sống. Nhưng khi xét tới Vũ trụ có ít chiều không gian hơn, không ai có thể phủ nhận việc sự sống có thể tồn tại.

Có người nêu lên tầm quan trọng của lực hấp dẫn: khi không gian chỉ có 2 chiều, lực hấp dẫn không thể tồn tại, thì cũng sẽ chẳng có sự sống.

Nhưng James Scargill lại có quan điểm khác. Trong bài nghiên cứu mới, Scargill cho thấy trong một trường hấp dẫn đơn giản, vô hướng có thể tồn tại với chỉ hai chiều không gian, mô hình mới vẫn có cả những quỹ đạo bay ổn định và một nền Vũ trụ học hoạt động được.

Nhưng kết quả đáng chú ý trong nghiên cứu của Scargill là đây: yếu tố phức tạp hoàn toàn có thể hiện diện trong Vũ trụ 2 1. Bằng góc nhìn của mạng neural, Scargill tiếp cận vấn đề bằng một cách chưa từng thấy trước đây. Scargill chỉ ra yếu tố phức tạo của một mạng neural sinh học có thể tồn tại, dựa trên những thuộc tính mà hệ thống 2D sản sinh ra được dễ dàng.

Vũ trụ hai chiều sẽ có thuộc tính “thế giới nhỏ bé”, là một cấu trúc kết nối cho phép mọi thứ qua lại trong mạng lưới phức tạp chỉ với vài bước. Một trong những thuộc tính khác là mạng neural hoạt động được trong chế độ chuyển giao giữa trạng thái hoạt động cường độ cao và thấp. Theo những quan sát ban đầu, chỉ những mạng lưới được hình thành từ những mạng lưới nhỏ hơn.

Câu hỏi Scargill đặt ra: liệu một mạng 2D có thể chứa cả ba yếu tố vừa nêu, thuộc tính “thế giới nhỏ bé”, hoạt động trong chế độ đặc biệt, hình thành bởi những mạng lưới nhỏ hơn.

Thoạt đầu, trông mọi thứ có vẻ bất khả thi trong mô hình 2D, với những điểm nốt gắn kết lại thành một mạng lưới hai chiều nhàm chán. Thế nhưng Scargill vẫn tìm được cách thể hiện mạng lưới 3D có thể hỗ trợ được sự tồn tại của ba thuộc tính trên.

Kết quả này rất đáng chú ý, cho thấy mạng 2D có thể hỗ trợ những yếu tố phức tạp. Hiển nhiên, đây không phải bằng chứng “đinh đóng cột” cho việc Vũ trụ 2 1 có thể hỗ trợ sự sống. Bản thân Scargill cũng khẳng định cần nhiều nghiên cứu hơn để khẳng định Vũ trụ hai chiều có khả năng hỗ trợ những yếu tố phức tạp, ví dụ như cơ thể sinh vật sống.

Nhưng đây vẫn là bằng chứng cho thấy không thể khẳng định Vũ trụ 2 1 không thể hỗ trợ sự sống. Những người tuyên bố ngược lại sẽ phải có một nghiên cứu khác bác bỏ những phát hiện mới, hoặc phải chấp nhận sự thật thôi.

Tham khảo MIT Technology Review, và bạn có thể tìm hiểu thêm về nghiên cứu về vấn đề hóc búa trên theo đường link này: bài báo cáo nghiên cứu có tên“Liệu sự sống có thể tồn tại trong chiều không thời gian 2 1”.