Thuyết tương đối rộng: Sự
hấp dẫn lượng tử
Thuyết tương đối rộng chỉlà một trong những cột trụcủa vật lí học hiệnđại.
Cột trụkia là cơhọc lượng tử, lí thuyết mô tảcái xảy ra ởcấpđộ nguyên tửvà hạ
nguyên tử. Hiện thân hiệnđại của nó, lí thuyết trường lượng tử,đã đặc biệt thành
công ởviệc mô tảvà tiên đoán hành trạng của các hạt và các lực cơbản.
Thách thức chính hiện nay là kết hợp hai quan điểmđó thành một lí thuyết
thống nhất, gọi là lí thuyết hấp dẫn lượng tử. Một lí thuyết nhưvậy sẽcần thiết cho
việc giải thích những thời khắcđầu tiên của Big Bang, khi vũtrụ đậmđặc, nóng và
nhỏbé, hoặc cái xảy ra ởgần kì dịtại nhân của các lỗ đen, nơi các hiệuứng vật lí
lượng tửcó thểcạnh tranh với các hiệuứng của thuyết tương đối rộng.
Một lời giải cho sựhấp dẫn lượng tửlà các dây ởxung quanh chúng ta? (Ảnh:
Michael Banks/Getty)
Mặc dù cho đến nay vẫn chưa có lí thuyết cuối cùng của sựhấp dẫn lượng tử,
nhưng đã có một vài lí thuyếtứng cửviên đang được khảo sát sôi nổi. Một là lí
thuyết dây, mô tảcác thành phần cơbản của vật chất không phải dạng những hạt
kiểu chấtđiểm mà là các dây vi mô đang dao động. Tùy thuộc vào chúng dao động
nhưthếnào, các dây đó sẽ được cảm nhận là những hạt khác nhau – bao gồm cả
graviton, hạtđược cho là mang lực hấp dẫn.
Một khảnăng nữa là không-thời gian không trơn mà cấu thành từnhững
viên gạch cấu trúc rời rạc tương tác lẫn nhau. Hệquảlà nếu chúng ta có thểkhảo
sát kĩlưỡng cấu trúc tinh vi của nó, thì nó có thểtrông giống nhưmột cái bọt
không-thời gian rỗng. Trong những lí thuyết nhưvậy, cái chúng ta cảm nhận là
không-thời gian uốn cong và cuộn nhẵn lại trong sựcó mặt của vật chất chỉlà một
hiện tượng nổi lên che giấy hành trạng cơbản hơnởcấpđộ nhỏ.
Việcđi tìm lí thuyết hấp dẫn lượng tử được người ta cho là thách thức lớn
nhất mà vật lí học hiệnđạiđang đối mặt. Một trong các khó khăn là nó chỉthật sự
tựhiển hiệnởnhững mức năng lượng cao cựcđộ, nằm ngoài tầm với thực nghiệm
của chúng ta. Các nhà vật lí hiệnđang đối mặt trước nhiệm vụnghĩra các thí
nghiệm và các quan sát thiên văn có thểkiểm tra các lí thuyếtứng cửviên của sự
hấp dẫn lượng tửtrong thếgiới thực.
Thuyết tương đối rộng: Vũ
trụtối
Vũtrụgiãn nởmà thuyết tương đối rộng tiên đoán đã được củng cốchắc
chắn trong khoa học hiệnđại. Khi khảnăng của chúng ta quan sát các thiên hà ởxa
và lập bảnđồ vũtrụ được cải thiện, thì bức tranh của chúng ta vềvũtrụ đã làm hé
lộmột số đặcđiểm còn kì lạhơn nữa.
Trước hết, các nhà thiên văn họcđã có thể đo các thiên hà xoắnốc xa xôi
quay tròn nhanh nhưthếnào, và điều này cho thấy vùng ngoài của các thiên hà
đang quay quá nhanh để được quản thúc bởi khối lượng của các ngôi sao và chất
khí tại tâm của chúng. Cần có thêm vật chất trong các thiên hà để tạo ra đủ sựhấp
dẫn ngăn không cho các thiên hà bay toạc ra.
Lời giải thích được nhiều người biết tới là các thiên hà có chứa những lượng
lớn những dạng khác của vật chất – gọi là “vật chất tối” vì nó phát ra hay phản xạ
ánh sáng. vật chất tốiđược cho là co cụm lại xung quanh các thiên hà và các đám
thiên hà trong những quảcầu khổng lồgọi là quầng vật chất tối. Quầng vật chất tối
có thể đủ đặcđể làm biến dạng đáng kểkhông-thời gian và bẻcong đường đi của
bất kì tia sáng nào đi qua gần nó. Sựhội tụhấp dẫn này đã được quan sát thấyở
một số đám thiên hà, và là một trong những mảnh bằng chứng mạnh mẽnhất cho
sựtồn tại của vật chất tối.
Nhóm thiên hà gọi là đám Bullet mang lại bằng chứng cho vật chất tối. (Ảnh:
NASA/CXC/CfA/M.Markevitch et al/STScI/Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al/ESO
WFI)
Nhưng chưa hết. Các nhà vũtrụhọcđã có thểtính ra vũtrụ đã giãn nởbao
nhanh tại những thờiđiểm khác nhau trong lịch sửcủa nó. Điều này được thực
hiện bằng cách đo khoảng cách đến các ngôi sao đang phát nổgọi là sao siêu mới,
và chúng đang lùi xa ra bao nhanh do sựgiãn nởcủa không-thời gian. Các kết quả
đột phá từnhững quan sát này, chỉmới xuất hiện hơn một thập kỉnay, là sựgiãn
nởcủa vũtrụdường như đang tăng tốc.
Một lời giải thích cho sựgiãn nở đang tăng tốc này là vũtrụtràn ngập một
dạng năng lượng kì lạgọi là năng lượng tối. Không giống nhưvật chất bình thường
và vật chất tối, chúng bẻcong không-thời gian theo kiểu hút khối lượng lại với
nhau, năng lượng tốiđẩy không gian ra xa nhau, khiến nó giãn nởngày càng nhanh
hơn nữa theo thời gian.
Nếu chúng ta cân đong toàn bộcác dạng vật chất và năng lượng trong vũtrụ,
thì chúng ta điđến một kết luận bất ngờ: chỉ4% vũtrụlà ởdạng vật chất mà
chúng ta quen thuộc. Khoảng 24% là vật chất tối và 72% là năng lượng tối.
Kết quảnày phát sinh từsựse duyên của thuyết tương đối rộng và thiên văn
học hiệnđại và nó đã trởthành một tiêu điểm nghiên cứu sôi nổi của vật lí học. Các
nhà thực nghiệm và các nhà lí thuyếtđang dốc sứcđi tìm câu trảlời cho câu hỏi
nóng bỏng này: vật chất tối và năng lượng tối thật ra là gì? Và tại sao chúng lại có
những tính chất kì lạnhưvậy?