Nghiên cứu mới tuyên bố không-thời gian chính là sản phẩm của cơ học lượng tử

Một nhóm các nhà vật lý học lý thuyết vừa đưa ra một nhận định mới, làm đau đầu bất cứ ai đọc qua nó: họ giải thích nguyên tắc vận hành của Vũ trụ, tại sao Vũ trụ lại xuất hiện.

Theo nghiên cứu mới đăng tải của mình, bản thân không-thời gian – tấm "vải nền" nằm lót dưới mọi thứ trong Vũ trụ - chính là sản phẩm của cơ học lượng tử. Những hiện tượng quá đỗi lạ lùng như rối lượng tử và xuyên hầm lượng tử sẽ được giải thích bằng giả thuyết mới.

Có thể lạ, nhưng thuyết mới vẫn được xây dựng dựa trên một loạt giả thuyết trước đây. Nếu bạn nghi ngờ "giả thuyết chưa phải sự thực", thì xin nhắc lại đó chính là bản chất của khoa học: đưa ra giả thuyết – cố gắng chứng minh nó là đúng – nếu sai, đưa ra giả thuyết khác. Còn về nghiên cứu mới, nó có tiềm năng trở thành cầu nối hai học thuyết lớn nhất trong vật lý học, đã có vô số thử nghiệm chứng minh hai học thuyết đó tồn tại:

- Cơ học cổ điển  – nghiên cứu về vật lý cơ bản của những thứ cơ học từ cách vật hành của máy móc cho tới những vật thể mang tầm vóc to lớn trong Vũ trụ.

- Cơ học lượng tử - nghiên cứu vật lý về các hạt, các sóng ở mức hiển vi.

Hai thứ vốn hoạt động không giống nhau, nhưng chẳng hiểu sao chúng vẫn đúng theo kiểu của mình. Nhưng khi kết hợp cả nghiên cứu về thứ to và nghiên cứu thứ nhỏ lại, ta sẽ hiểu hết về mọi thứ. Ta sẽ có "học thuyết vạn vật".

"Nếu một người công nhận hiện tượng kỳ ảo của lực hấp dẫn là có thật, ví như sự hình thành nên các hành tinh, các thiên hà hay thậm chí là hố đen, cũng chính là nguồn căn của những hiệu ứng rối lượng tử và xuyên hầm lượng tử - công nhận lực hấp dẫn cũng mang tính lượng tử - thì ta sẽ gần chạm tới được hợp thể thống nhất của vật lý lượng tử và thuyết hấp dẫn", một trong những nhà nghiên cứu, Paulo Castro từ Đại học Lisbon nói với Science Alert.

Trước khi đi xa hơn, ta giải thích những sự thật hiện hữu trong bài viết đã.

Lời giải thích hợp lý nhất cho thành phần cấu tạo của Vũ trụ có lẽ chính là không-thời gian. Nó chính là tấm nền hợp nhất không gian 3 chiều của Vũ trụ và chiều tịnh tiến không ngừng của thời gian lại làm một, tạo thành nền móng xây dựng mọi thứ.

Ví dụ cho trực quan chút: sóng hấp dẫn phát ra từ một vụ va chạm hai hố đen sẽ làm chính tấm nền không-thời gian rung rinh, như việc bạn ném hòn đá xuống hồ khiến nước tạo thành các gợn sóng vậy.

Thực tế, theo như thuyết tương đối của Einstein, lực hấp dẫn là một phần của không-thời gian, được tạo ra khi một cấu trúc khổng lồ bẻ cong lớp nền không-thời gian. Bạn có thể tưởng tượng Mặt Trời hay Trái Đất là một quả cầu nặng, được đặt lên một lớp vải được căng ra vậy, chính những đường cong quả cầu tạo ra là lực hấp dẫn trên nền không-thời gian là tấm chăn.

Nghe rất hợp lý, nhưng vấn đề nằm ở đây này: dù thuyết tương đối giải thích được ảnh hưởng của lực hấp dẫn, nhưng cơ học lượng tử lại không lý giải được ảnh hưởng của lực hấp dẫn lên các hạt. Đó là còn chưa kể những hiện tượng lượng tử kỳ lạ ta vẫn biết, như:

- Rối lượng tử: hiện tượng mà hai hạt vật chất gắn bó chặt chẽ với nhau dù chúng cách xa tới mức nào, thậm chí là tới khoảng cách lên tới nhiều năm ánh sáng. Trạng thái của một hạt sẽ ngay lập tức ảnh hưởng tới trạng thái của hạt kia qua liên kết chặt chẽ đó. Einstein không lý giải được điều này, ông gọi nó là "tác động kỳ quái từ xa".

- Xuyên hầm lượng tử: hiện tượng khi một hạt vật chất có thể bay xuyên một lớp rào chắn, mà bình thường cơ học cổ điển bảo là không bao giờ có thể xảy ra. Ví dụ như khi bạn lăn một quả bóng xuống một thung lũng: cơ học cổ điển bảo nếu không đủ lực, quả bóng sẽ không bao giờ lăn được qua quả núi đối diện; nhưng cơ học lượng tử bảo quả bóng đó tồn tại dưới dạng sóng, nó hoàn toàn có thể "đào hầm xuyên núi" để sang được bên kia, có khi còn chui vào giữa cả quả núi cơ! 

Những hiểu biết về xuyên hầm lượng tử chỉ thuộc về thế giới nhỏ bé của các hạt, cơ học cổ điển không thể lý giải được chúng.

Và đó là lúc nghiên cứu mới thể hiện mình.

Dựa theo học thuyết mới do Castro và đội ngũ nghiên cứu luận ra, nguồn gốc của không-thời gian chính là câu trả lời.

"Trong thuyết tương đối chung, không-thời gian vẫn luôn tồn tại, mọi sự việc xảy ra sẽ đều nằm trên tấm nền không-thời gian đó", Castro nói. "Những đường bay của vật chất và tốc độ của chúng đều được định hướng bởi cách các vật thể khổng lồ, như các ngôi sao hay các hành tinh, bẻ cong lớp nền không-thời gian. Đó chính là lực hấp dẫn".

"Luận điểm chúng tôi nêu lên là, không-thời gian không phải là một khái niệm xuất hiện sẵn trong tự nhiên, chúng là kết quả của một quá trình phức tạp, những chất trung gian hạ nguyên tử biển chuyển từ trạng thái hỗn loạn sang trạng thái ổn định và có trật tự".

Những vật chất trung gian hạ nguyên tử này được đội ngũ nghiên cứu mô tả là "một lớp bọt nguyên thủy mà từ đó, không-thời gian hình thành".

Science Alert mô tả trạng thái đó như một bát súp, mọi thứ đều hỗn loạn trong bát nhỏ nhưng theo thời gian, bát súp tự ổn định lại, cấu trúc vạn vật xuất hiện, thứ gì ra thứ đó.

"Thực tế, trong học thuyết của chúng tôi, những trạng thái ổn định này tương ứng với các sóng hạ nguyên tử, áp đặt cách vận hành của không gian và thời gian và sẽ xuất hiện những hiện tượng cực đoan một khi khuôn khổ quá gò bó, đó chính là hiện tượng rối lượng tử và xuyên hầm lượng tử", nhà nghiên cứu Castro nói.

Dựa trên nghiên cứu của họ, "có thể khẳng định lực hấp dẫn mang tính lượng tử". Những gì trong nghiên cứu mới hoàn toàn là giả thuyết, các nhà khoa học đang tìm cách chứng minh nó là thực.

Có thể ngày chứng minh được nó vẫn còn xa, nhưng chặng đường nào mà chẳng phải bắt đầu với bước chân đầu tiên? Có những người đề xuất: hay là tạo ra một nền vật lý mới cho hợp lý, nhưng nếu ta đánh giá lại được nền vật lý cũ, tìm ra được mối liên hệ giữa những thứ chưa từng có sự liên quan, thì ta sẽ vận dụng được toàn bộ công trình nghiên cứu dọc quá trình phát triển của khoa học nói chung và vật lý nói riêng.

Có thể vật lý mà ta đang biết đã chuẩn lắm rồi, chỉ cần tìm mối quan hệ giữa chúng là xong.

Tham khảo Science Alert