Các nhà khoa học đi tìm bản chất của thời gian và không gian

Một số nhà nghiên cứu đã khám phá ra mối liên hệ tiềm tàng giữa thuyết tương đối tổng quát và cơ học lượng tử. Khám phá này có thể buộc các nhà vật lý phải suy nghĩ lại về bản chất của không gian và thời gian.

Bản chất của không gian và thời gian

Năm 1915, Albert Einstein công bố Thuyết tương đối tổng quát, trong đó mô tả lực hấp dẫn là một thuộc tính cơ bản của không-thời gian. Ông đã đưa ra một tập hợp các phương trình mô tả sự biến dạng của không-thời gian liên quan đến năng lượng và động lượng

Theo Einstein thì trọng lực không phải chỉ là một lực thông thường, như những gì nhà vật lý Isaac Newton khám phá ra nó. Trọng lực có thể được coi như là một độ cong của không-thời gian do khối lượng của các đối tượng gây ra.

Lý thuyết của Einstein cũng giải thích tính chất của các hố đen vũ trụ, nơi mà có lực hấp dẫn lớn đến mức ánh sáng không thể thoát ra khỏi nó. Cũng theo thuyết tương đối thì lực hấp dẫn cũng làm biến dạng thời gian, nơi có lực hấp dẫn càng lớn thì thời gian trôi qua càng chậm.

Vào những năm 1970, hai nhà vật lý Stephen Hawking và Jacob Bekenstein đã lưu ý về mối liên hệ giữa diện tích bề mặt của các hố đen và cấu trúc lượng tử siêu nhỏ của chúng. Điều này đánh dấu những nhận thức đầu tiên về sự liên kết giữa lý thuyết tương đối rộng của Einstein với cơ học lượng tử.

Chưa đầy ba thập kỷ sau đó, nhà vật lý lý thuyết Juan Maldacena quan sát thấy một liên kết khác giữa trọng lực và thế giới lượng tử. Sự kết nối đó dẫn đến việc tạo ra một mô hình với ý tưởng rằng: không - thời gian có thể được tạo ra hoặc phá hủy bằng cách thay đổi sự vướng víu giữa các vùng bề mặt khác nhau của một vật thể. Nói cách khác, điều này ngụ ý rằng không - thời gian là một sản phẩm của sự vướng víu giữa các vật thể.

Có mối liên hệ giữa thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử. (Ảnh: Internet).

Để tìm hiểu thêm, nhà nghiên cứu ChunJun Cao và Sean Carroll của Viện Công nghệ California đã tiến hành một số thử nghiệm. Họ muốn xem thử liệu họ có thể thu được những đặc tính của lực hấp dẫn (như đã biết trong thuyết tương đối rộng) bằng cách sử dụng một khuôn mẫu, trong đó không - thời gian phát sinh ở ngoài sự vướng víu lượng tử hay không? Nghiên cứu của họ đã được xuất bản gần đây trên arXiv.

Sử dụng một khái niệm toán học trừu tượng gọi là không gian Hilbert, Cao và Carroll đã tìm thấy sự tương đồng giữa các phương trình điều khiển sự vướng víu lượng tử và các phương trình của thuyết tương đối rộng của Einstein. Điều này ủng hộ ý tưởng rằng không - thời gian và trọng lực xuất hiện từ sự vướng víu.

Carroll cho biết, bước tiếp theo trong nghiên cứu là để xác định tính chính xác của các giả định mà họ thực hiện. Ông nói: "Một trong những điều hiển nhiên nhất là kiểm tra xem liệu sự đối xứng của thuyết tương đối có xuất hiện trong khuôn mẫu này không - đặc biệt là ý tưởng rằng các quy luật vật lý không phụ thuộc vào tốc độ di chuyển của chúng ta qua không gian”.

Lý thuyết của vạn vật

Ngày nay, hầu hết mọi thứ chúng ta biết về các khía cạnh vật lý của vũ trụ đều có thể được giải thích bằng lý thuyết tương đối rộng hoặc cơ học lượng tử. Lý thuyết tương đối rộng đã thể hiện hoàn hảo vai trò của mình trong việc giải thích hoạt động của các vật thể trên quy mô rất lớn, chẳng hạn như các hành tinh hoặc thiên hà. Trong khi đó cơ học lượng tử giúp chúng ta hiểu được những điều rất nhỏ, chẳng hạn như các nguyên tử và các phân tử nguyên tử.

Tuy nhiên, hai lý thuyết dường như không tương thích với nhau. Điều này đã khiến các nhà vật lý cố gắng tìm một “lý thuyết vạn vật” – đây là khuôn mẫu duy nhất có thể giải thích tất cả, kể cả bản chất của không gian và thời gian.

Các nhà khoa học suy nghĩ lại về bản chất của thời gian và không gian. (ảnh: Internet).

Bởi vì trọng lực và không - thời gian là một phần quan trọng của "mọi thứ", cho nên Carroll tin rằng nghiên cứu mà ông và Cao thực hiện có thể thúc đẩy việc theo đuổi một lý thuyết hòa hợp giữa thuyết tương đối tổng quát và cơ học lượng tử. Tuy nhiên, ông lưu ý rằng đây là một công việc đầy thách thức.

"Nghiên cứu của chúng tôi vẫn chưa nói được gì nhiều về các lực lượng tự nhiên khác, vì vậy chúng tôi vẫn còn ở cách xa kết quả cuối cùng", ông Carroll nói. Tuy nhiên, nếu chúng ta có thể tìm ra một lý thuyết như vậy, chúng ta có thể trả lời một số câu hỏi lớn nhất mà các nhà khoa học đang phải đối mặt. Chúng ta có thể hiểu được bản chất thật sự của vật chất tối, năng lượng tối, hố đen và các vật thể bí ẩn khác của vũ trụ.

Hiện tại, các nhà nghiên cứu đang khai thác khả năng của thế giới lượng tử để cải tiến hệ thống máy tính và một lý thuyết về mọi thứ có thể đẩy nhanh tiến trình bằng cách tiết lộ những hiểu biết mới trong một lĩnh vực vẫn còn mơ hồ.

Theo nhà nghiên cứu Carroll, trong quá trình các nhà vật lý lý thuyết theo đuổi một lý thuyết về vạn vật thì mỗi nghiên cứu mới - dù hiệu quả hay không - vẫn giúp chúng ta tiến lại gần hơn những bí ẩn của vũ trụ.