Không-thời gian là gì?

Các nhà vật lý tin rằng ở những phạm vi nhỏ nhất, không gian xuất hiện từ lượng tử. Vậy, những công trình này trông như thế nào?

Mọi người thường coi không gian là thứ hiển nhiên. Nó trống không, là bối cảnh cho mọi thứ khác. Thời gian, tương tự như vậy, đơn giản là những tiếng tích tắc không ngừng. Nhưng nếu các nhà vật lý học tìm thấy được điều gì sau một quá trình nghiên cứu dài đằng đẵng để thống nhất lý thuyết của họ, thì đó chính là không gian và thời gian tạo nên một hệ thống phức tạp đáng kinh ngạc đến nỗi nó có thể thách thức những nỗ lực mãnh liệt nhất của chúng ta chỉ để làm sao hiểu được rõ ràng.

Đầu tháng 11/1916, Albert Einstein đã nhìn thấy những gì sắp xảy ra. Một năm trước đó ông đã phát triển thuyết tương đối rộng, cho rằng lực hấp dẫn không phải là lực tác động xuyên qua không gian mà là một đặc điểm của chính không-thời gian. Khi bạn ném một quả bóng lên cao, bay vào không khí, nó liền quay trở lại mặt đất bởi vì Trái đất bóp méo không gian xung quanh nó, khiến các đường đi của quả bóng và mặt đất giao nhau một lần nữa. Trong bức thư gửi cho một người bạn, Einstein suy nghĩ về thách thức kết hợp thuyết tương đối rộng với một đứa con tinh thần khác của mình, lý thuyết sơ khởi về cơ học lượng tử. Điều đó sẽ không chỉ làm méo mó không gian mà còn phá hủy nó. Về mặt toán học, ông hầu như không biết bắt đầu từ đâu. "Tôi đã tự làm khó bản thân mình không biết bao lần theo cách này!", Einstein viết.

Einstein chưa bao giờ đi được quá xa. Thậm chí ngày nay cũng có nhiều ý tưởng cạnh tranh cho một lý thuyết lượng tử hấp dẫn khi các nhà khoa học nghiên cứu về chủ đề này. Các cuộc tranh luận che khuất một sự thật quan trọng: tất cả các phương pháp cạnh tranh đều cho rằng không gian có nguồn gốc từ một cái gì đó sâu hơn - một ý tưởng mang tính đột phá với 2.500 năm hiểu biết khoa học và triết học.

Rơi vào hố đen

Một nam châm bình thường có thể chỉ ra một cách rõ ràng vấn đề mà các nhà vật lý phải đối mặt. Nó có thể hút một kẹp giấy không bị rơi do lực hấp dẫn của Trái đất. Lực hấp dẫn yếu hơn từ trường hoặc lực điện hoặc hạt nhân. Bất chấp hiệu ứng lượng tử thì nó vẫn yếu hơn. Bằng chứng hữu hình duy nhất cho thấy các quá trình này hiện diện là mô hình vật chất có đốm trong vũ trụ ban đầu (trước vụ nổ Big Bang) - được cho là do sự biến động lượng tử của trường hấp dẫn.

Hố đen là trường hợp thử nghiệm tốt nhất cho lực hấp dẫn lượng tử. "Đó là thứ gần gũi nhất mà chúng ta phải thử nghiệm", Ted Jacobson thuộc Đại học Maryland, College Park nói. Ông và các nhà lý thuyết khác nghiên cứu hố đen như một điểm tựa lý thuyết. Điều gì sẽ xảy ra khi bạn lập một phương trình, hoạt động hoàn hảo trong điều kiện phòng thí nghiệm và ngoại suy chúng vào tình huống hoàn toàn có thể tưởng tượng được? Liệu một số lỗ hổng nhỏ có thể biểu hiện chính nó?

Hố đen là trường hợp thử nghiệm tốt nhất cho lực hấp dẫn lượng tử.

Thuyết tương đối rộng dự đoán vật chất rơi vào hố đen sẽ bị nén không giới hạn khi tiếp cận khu vực trung tâm – trong toán học gọi là điểm kỳ dị. Các nhà lý thuyết không thể ngoại suy quỹ đạo của một đối tượng ngoài điểm kỳ dị; dòng thời gian của nó kết thúc ở đó. Ngay cả khi nói "ở đó" cũng là vấn đề bởi vì chính không-thời gian sẽ xác định vị trí chấm hết sự tồn tại của điểm kỳ dị. Các nhà nghiên cứu hy vọng lý thuyết lượng tử có thể phân tích kỹ càng điểm kỳ dị này và theo dõi xem những vật rơi vào hố đen rồi sẽ trở thành thế nào.

Bên ngoài ranh giới của hố, vật chất không bị nén lại, lực hấp dẫn yếu hơn. Nói tóm lại, các định luật vật lý đã được biết đến nên được bảo toàn. Vì vậy, nó lại càng trở nên phức tạp hơn nó vốn có. Hố đen được phân ranh giới bởi chân trời sự kiện, một điểm không trở lại: vật chất khi rơi vào đấy sẽ không thể quay trở lại. Sự rơi xuống không thể đảo ngược. Đó là một vấn đề bởi vì tất cả các định luật vật lý cơ bản đã biết, bao gồm các định luật cơ học lượng tử nói chung, có thể đảo ngược. Ít nhất về nguyên tắc, bạn sẽ có thể đảo ngược chuyển động của tất cả các hạt và khôi phục lại những gì bạn có.

Một câu hỏi hóc búa rất giống với thắc mắc của các nhà vật lý vào cuối những năm 1800, khi họ dự tính toán học của một "vật đen", được lý tưởng hóa như một khoang chứa đầy bức xạ điện từ. Lý thuyết điện từ học của James Clerk Maxwell dự đoán một vật thể như vậy sẽ hấp thụ tất cả các bức xạ tác động lên nó và không bao giờ có thể đạt được trạng thái cân bằng với vật chất xung quanh. Rafael Sorkin thuộc Viện Vật lý lý thuyết Perimeter ở Ontario giải thích: "Nó sẽ hấp thụ một lượng nhiệt vô hạn từ một hồ chứa được duy trì ở nhiệt độ cố định". Theo thuật ngữ nhiệt học, có khả năng vật thể có nhiệt độ bằng không tuyệt đối. Kết luận này mâu thuẫn với quan sát của các vật đen thực tế (như lò nướng). Theo dõi nghiên cứu của Max Planck, Einstein đã chỉ ra rằng một thể đen có thể đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt nếu năng lượng bức xạ xuất phát từ các đơn vị rời rạc, hay chính từ lượng tử.

Các nhà vật lý lý thuyết đã cố gắng gần nửa thế kỷ để đưa ra được lời giải thích phù hợp cho các hố đen. Cuối cùng, Stephen Hawking của Đại học Cambridge đã có một bước tiến lớn vào giữa những năm 1970, khi ông áp dụng lý thuyết lượng tử vào trường bức xạ xung quanh hố đen và cho thấy chúng có nhiệt độ khác không. Như vậy, chúng không chỉ hấp thụ mà còn phát ra năng lượng. Mặc dù phân tích của ông đặt các hố đen trong nếp nhiệt động lực học, đi sâu hơn vào vấn đề không thể đảo ngược. Bức xạ đi ra từ bên ngoài ranh giới của hố và không có thông tin nào về phía bên trong hố. Đó là năng lượng nhiệt ngẫu nhiên. Nếu bạn đảo ngược quá trình và nạp năng lượng trở lại, những thứ đã rơi vào sẽ không bật ra; bạn sẽ nhận được nhiều nhiệt hơn. Và bạn không thể tưởng tượng rằng những thứ nguyên bản vẫn còn đó, chỉ bị mắc kẹt bên trong cái hố, bởi vì khi hố phát ra bức xạ, nó co lại và, theo phân tích của Hawking, cuối cùng biến mất.

Vấn đề này được gọi là nghịch lý thông tin bởi hố đen bác bỏ thông tin về các hạt rơi cho phép bạn tua lại chuyển động của chúng. Nếu vật lý hố đen thực sự có thể đảo ngược, cái gì đó phải mang thông tin trở lại và quan niệm của chúng ta về không-thời gian có thể cần phải thay đổi để cho phép điều đó.

Nguyên tử không-thời gian

Nhiệt là chuyển động ngẫu nhiên của các bộ phận vi mô, chẳng hạn như các phân tử khí. Bởi vì các hố đen có thể làm ấm và hạ nhiệt, điều này lý giải cho việc tại sao chúng có nhiều phần, hay nói cách khác hố đen có cấu trúc vi mô. Và bởi vì một hố đen chỉ là không gian trống rỗng (theo thuyết tương đối rộng, vật chất rơi xuống đi qua chân trời nhưng không thể nán lại), các phần của hố đen phải là các phần của không gian.

Ngay cả những lý thuyết được đưa ra để bảo toàn một khái niệm thông thường về điểm kết thúc của không-thời gian cũng kết luận rằng tồn tại một bí mật sau mặt tiền bằng phẳng. Ví dụ, vào cuối những năm 1970, Steven Weinberg, hiện đang làm việc tại Đại học Texas, đã tìm cách mô tả lực hấp dẫn tương tự như các thế lực tự nhiên khác. Ông vẫn thu được kết quả về cơ bản không-thời gian thay đổi trong phạm vi nhỏ nhất của nó.

Các nhà vật lý ban đầu đã hình dung không gian vi mô như một bức tranh khảm những khối không gian nhỏ. Nếu bạn phóng to quy mô Planck đến một kích thước nhỏ gần như không thể tưởng tượng là 10–35 mét, bạn sẽ thấy thứ gì đó giống như bàn cờ. Nhưng điều đó không hoàn toàn đúng. Không những thế, trong các đường lưới của không gian bàn cờ, sẽ có một số hướng lấn át so với các hướng còn lại, gây ra tình trạng bất đối xứng. Điều này mâu thuẫn với lý thuyết tương đối hẹp. Ví dụ, ánh sáng của các màu sắc khác nhau có thể di chuyển ở các tốc độ khác nhau - giống như trong lăng kính thủy tinh, gây ra khúc xạ ánh sáng thành các màu cấu thành. Những mâu thuẫn với thuyết tương đối là khá rõ ràng.

Nhiệt động lực học của các hố đen làm tăng sự hoài nghi về hình dung không gian như một bức tranh khảm đơn giản. Bằng cách đo hành vi nhiệt của bất kỳ hệ thống nào, bạn có thể đếm các bộ phận của nó, ít nhất là về nguyên tắc. Trích xuất năng lượng và xem nhiệt kế. Nếu nó bắn lên, năng lượng đó chắc chắn phủ trên các phân tử tương đối ít.

Nếu bạn thử nghiệm với một chất bình thường, số lượng phân tử tăng lên so với khối lượng vật liệu. Điều đó có nghĩa là: Nếu bạn tăng bán kính của một quả bóng biển với hệ số là 10, bạn sẽ thu được gấp 1.000 lần phân tử bên trong nó. Nhưng nếu bạn tăng bán kính của một hố đen với hệ số là 10, thì số phân tử thu về chỉ tăng lên 100 lần. Số lượng "phân tử" mà nó tạo thành phải tỷ lệ thuận với khối lượng của nó nhưng nghịch với diện tích bề mặt. Trông hố đen giống một vật thể ba chiều, nhưng hành vi của nó lại giống như chỉ có hai chiều.

Hiệu ứng kỳ lạ này được gọi là nguyên lý ba chiều vì nó gợi liên tưởng đến hình ba chiều. Tuy nhiên, nghiên cứu kỹ hơn, nó trở thành một hình ảnh được tạo ra bởi một tấm phim hai chiều. Nếu nguyên lý ba chiều đếm được các thành phần vi mô của không gian và nội dung của nó, thì thời gian cấu thành không gian sẽ lâu hơn là ghép các mảnh nhỏ với nhau.

Tuy nhiên, mối quan hệ của một phần với tổng thể ít khi đơn giản như vậy. Một phân tử H₂O không đơn giản chỉ là một hạt nước nhỏ. Hãy xem nước ở trạng thái lỏng làm gì: nó chảy, tạo thành các giọt, có gợn và sóng, đóng băng và sôi. Một phân tử H₂O riêng lẻ không thực hiện được điều đó: đó là những hành vi tập thể. Tương tự như vậy với không gian. Daniele Oriti thuộc Viện Vật lý hấp dẫn Max Planck ở Potsdam, Đức cho biết: "Các nguyên tử của không gian không phải là những phần nhỏ nhất của không gian.Chúng là thành phần cấu tạo nên không gian. Các tính chất hình học của không gian là thuộc tính mới, tập thể, gần đúng của một hệ thống được tạo thành từ nhiều nguyên tử như vậy".

Các khối cấu thành chính xác là gì phụ thuộc vào các thuyết khác nhau. Trong lực hấp dẫn lượng tử vòng lặp, chúng là lượng tử được tổng hợp bằng cách áp dụng các nguyên tắc lượng tử. Trong lý thuyết dây, chúng là những trường tương tự như các trường điện từ tồn tại trên bề mặt, được dò tìm bởi một sợi di chuyển hoặc vòng lặp năng lượng - chuỗi ký tự. Trong lý thuyết M, vốn có sự liên quan đến lý thuyết dây và có thể là nền tảng của nó, chúng là một loại hạt đặc biệt: từ một màng thu nhỏ thành một điểm. Trong lý thuyết tập hợp nhân quả, chúng là những sự kiện liên quan đến một mạng lưới nhân quả. Trong lý thuyết amplituhedron và một số phương pháp tiếp cận khác, không có khối cấu thành nào cả - ít nhất là không theo nghĩa thông thường.

Mặc dù các nguyên tắc tổ chức của các lý thuyết này khác nhau, tất cả đều cố gắng duy trì một số phiên bản của cái gọi là thuyết quan hệ của triết học gia người Đức thế kỷ 17 và 18 Gottfried Leibniz. Hiểu theo nghĩa rộng, thuyết quan hệ cho rằng không gian phát sinh từ một mô hình tương quan nhất định giữa các đối tượng. Theo quan điểm này, không gian là một trò chơi ghép hình. Bạn bắt đầu với một đống lớn các mảnh, xem cách chúng kết nối và đặt chúng cho phù hợp. Nếu hai phần có tính chất tương tự, chẳng hạn như màu sắc, chúng có thể ở gần; nếu chúng khác nhau mạnh mẽ, bạn tạm thời đặt chúng cách xa nhau. Các nhà vật lý thường thể hiện mối quan hệ này như một mạng lưới với một mô hình kết nối nhất định. Các mối quan hệ được quyết định bởi lý thuyết lượng tử hoặc các nguyên tắc khác, và sự sắp xếp không gian theo sau.

Chuyển tiếp pha là một chủ đề phổ biến khác. Nếu không gian được lắp ráp, nó cũng có thể được tháo rời; sau đó các khối cấu thành có thể sắp xếp thành thứ gì đó trông giống như không gian. Thanu Padmanabhan thuộc Trung tâm Thiên văn học và Vật lý thiên văn ở Ấn Độ cho biết: "Giống như việc vật chất ở nhiều trạng thái khác nhau, như đá, nước và hơi nước, các nguyên tử của không gian cũng có thể tự cấu hình lại trong các pha khác nhau". Theo quan điểm này, hố đen có thể là những nơi không gian tan chảy. Các lý thuyết đã biết bị phá vỡ, nhưng một lý thuyết tổng quát hơn sẽ mô tả những gì xảy ra trong pha mới. Ngay cả khi không gian kết thúc, vật lý vẫn tiếp tục.

Mạng vướng

Phát hiện lớn trong những năm gần đây là các mối quan hệ tương quan liên quan đến sự vướng víu lượng tử. Một loại tương quan phi thường, nội tại đối với cơ học lượng tử, sự vướng víu dường như nguyên thủy hơn không gian. Ví dụ, một nhà thực nghiệm có thể tạo ra hai hạt bay theo hướng ngược nhau. Nếu chúng bị vướng vào nhau, chúng vẫn được phối hợp dù chúng có cách xa nhau bao nhiêu.

Theo lẽ thường, khi mọi người nói đến lực hấp dẫn lượng tử, nghĩa là đề cập đến sự bất định lượng tử, biến động lượng tử và hầu như mọi hiệu ứng lượng tử khác trong ghi chép - nhưng chưa từng có ai nhắc đến vướng víu lượng tử. Điều đó đã thay đổi nhờ các hố đen. Trong suốt vòng đời của một hố đen, các hạt vướng rơi vào, nhưng sau khi lỗ bốc hơi hoàn toàn, các thành phần bên ngoài của chúng không vướng víu với thứ gì cả. "Hawking nên gọi nó là vấn đề vướng", Samir Mathur thuộc Đại học bang Ohio nói.

Ngay cả trong chân không, không có hạt xung quanh, điện từ và các trường khác bị vướng vào bên trong. Nếu bạn đo lường một trường tại hai vị trí khác nhau, các tư liệu bạn đọc sẽ trở nên xáo trộn theo cách ngẫu nhiên nhưng cộng hưởng. Và nếu bạn chia một khu vực thành hai, các phần sẽ được tương quan, với mức độ tương quan tùy thuộc vào số lượng hình học duy nhất mà chúng có điểm chung: diện tích giao diện của chúng. Năm 1995, Jacobson lập luận rằng sự vướng mang đến liên kết giữa sự hiện diện của vật chất và hình dạng của không-thời gian. Tức là, nó có thể giải thích luật hấp dẫn. "Nhiều sự vướng mang hàm ý trọng lực yếu hơn – khi đó, không-thời gian khắc nghiệt hơn", ông nói.

Một số phương pháp hấp dẫn lượng tử bây giờ nhận thấy sự vướng là rất quan trọng. Lý thuyết dây áp dụng nguyên lý hình ba chiều không chỉ cho các hố đen mà còn cho vũ trụ nói chung, cung cấp một công thức để tạo ra không gian — hoặc ít nhất là một phần của nó. Ví dụ, một không gian hai chiều có thể được ren theo các trường, khi được cấu trúc theo đúng cách, tạo ra một chiều không gian bổ sung. Không gian hai chiều nguyên thủy sẽ là ranh giới của một lĩnh vực rộng lớn hơn, được gọi là không gian số lượng lớn.Và sự vướng là thứ đan kết không gian khối thành một tổng thể.

Năm 2009, Mark Van Raamsdonk thuộc Đại học British Columbia đã đưa ra một lập luận cho quá trình này. Giả sử các trường ở ranh giới không bị vướng víu - chúng tạo thành một cặp hệ thống không tương quan. Chúng tương ứng với hai vũ trụ riêng biệt, không có cách nào để di chuyển giữa chúng. Khi các hệ thống trở nên vướng víu, nó giống như một đường hầm, hoặc lỗ mọt (wormhole), mở ra giữa những vũ trụ đó, và một con tàu vũ trụ có thể đi từ cái này sang cái khác. Khi mức độ vướng víu tăng lên, wormhole co lại theo chiều dài, lùa các vũ trụ với nhau cho đến khi không ai còn gọi chúng là hai vũ trụ nữa. Khi chúng ta quan sát các tương quan trong điện từ và các trường khác, chúng là một dư lượng của sự vướng víu liên kết không gian với nhau.

Nhiều tính năng khác của không gian, bên cạnh sự tiếp giáp của nó, cũng có thể phản ánh sự vướng víu. Van Raamsdonk và Brian Swingle, hiện làm việc tại Đại học Maryland, cho rằng việc sự vướng víu tồn tại khắp nơi giải thích tính phổ quát của lực hấp dẫn - nó ảnh hưởng đến tất cả các vật thể và không thể được sàng lọc. Đối với hố đen, Leonard Susskind thuộc Đại học Stanford và Juan Maldacena thuộc Viện Nghiên cứu Cao cấp ở Princeton, cho rằng sự vướng víu giữa hố đen và bức xạ mà nó phát ra tạo ra một wormhole. Điều đó có thể giúp bảo tồn thông tin và đảm bảo rằng vật lý hố đen có thể đảo ngược.

Trong khi những ý tưởng lý thuyết dây chỉ có tác dụng với các hình học cụ thể và tái tạo lại chỉ một chiều không gian duy nhất, một số nhà nghiên cứu đã tìm cách giải thích cách tất cả các không gian có thể xuất hiện từ đầu. Ví dụ, ChunJun Cao, Spyridon Michalakis và Sean M. Carroll, tại Viện Công nghệ California, bắt đầu với mô tả lượng tử tối giản của một hệ thống, được cấu thành không có tham chiếu trực tiếp đến không-thời gian hoặc thậm chí là vật chất. Nếu nó có mẫu tương quan phù hợp, hệ thống có thể được chia thành các phần có thể được xác định là các vùng khác nhau của không-thời gian. Trong mô hình này, mức độ vướng víu định nghĩa một khái niệm về khoảng cách không gian.

Trong vật lý và trong khoa học tự nhiên, không-thời gian là nền tảng của tất cả các lý thuyết. Tuy nhiên, chúng ta không bao giờ trực tiếp nhìn thấy không-thời gian. Thay vào đó chúng ta suy ra sự tồn tại của nó từ kinh nghiệm hàng ngày của mình. Chúng ta cho rằng khía cạnh kinh tế nhất của hiện tượng chúng ta thấy là một số cơ chế hoạt động trong không thời gian. Nhưng bài học cuối cùng của lực hấp dẫn lượng tử đó là không phải tất cả các hiện tượng đều vừa vặn trong không-thời gian. Các nhà vật lý sẽ cần phải tìm ra một số cấu trúc nền tảng mới, và khi họ làm, họ sẽ hoàn thành cuộc cách mạng Einstein bắt đầu cách đây hơn một thế kỷ.