BigBounce : một giả thuyết mới về điểm phát sinh của vũ trụ
Giả thuyết BigBang
Theo lý thuyết Einstein chúng ta phải có vụ nổ lớn BigBang để giải thích điểm bắt đầu của vũ trụ (xem hình 1), song lý thuyết Einstein là một lý thuyết cổ điển, chưa chú ý đến các hiệu ứng lượng tử; các hiệu ứng này ngăn cấm không cho vật chất có một mật độ vô cùng như trong giả thuyết BigBang. Nói cách khác chúng ta cần một lý thuyết hấp dẫn lượng tửnhằm thống nhất hấp dẫn và lượng tử để nghiên cứu vũ trụ trong những điều kiện tới hạn như vậy.
Thuyết Hấp dẫn Lượng tử Vòng
Một trong những lý thuyết hấp dẫn lượng tử có triển vọng là lý thuyết Hấp dẫn Lượng tử Vòng(Loop Quantum Gravity- viết tắt là LQG) [2]. Trong LQG không thời gian không còn là liên tục, mà được cấu tạo bằng những “ nguyên tử” , đấy là những phần tử thể tích không thời gian nhỏ nhất không phân chia được nữa (xem hình 2). Như vậy vũ trụ không biến thiên một cách liên tục (xem tranh nghệ thuật minh họa ở hình 3) mà tiến triển từng bước như trong một máy tính .
Danh từ “vòng” (loop) phát sinh từ việc một số tính toán trong LQG gắn liền với những vòng vẽ nên trong không thời gian.
Vì không thời gian là một mạng lưới không liên tục cho nên chỉ có khă năng tích lũy năng lượng hữu hạnvì vậy ngăn cấm sự hình thành một điểm kỳ dị với mật độ vật chất vô hạn như trong giả thuyết BigBang.
Giả thuyết BigBounce
Vũ trụ của chúng ta không bắt đầu bằng BigBang mà bằng một BigBounce (tiến Anh có nghĩa là Sự nảy bật lớn): trước BigBounce chúng ta có một vũ trụ đối xứng gương (tức là đối xứng mà chúng ta có được khi đứng trước một cái gương, con người trong gương có quả tim nằm bên phải) với vũ trụ hiện tại. Vũ trụ trước BigBounce co nén lại đến một kích thước nhỏ, dẫn đến một mật độ cực đại. Quá trình co này có tên tiếng Anh là BigCrunch [3]). Quá trình co nén này đã kích lên một quá trình bung ra, điều khiển bởi các hiệu ứng lượng tử ,và chúng ta có BigBounce.
Các “nguyên tử “ không gian có kích thước rất nhỏ 10 – 36m. Vì khả năng quan sát của ta chỉ đến 10 -18m, cho nên chúng ta có thể nghi ngờ không biết các “nguyên tử” không thời gian có hiện thực hay không? Song các nhà vật lý hy vọng sẽ khám phá các nguyên tử không thời gian đó một cách gián tiếp (xem phần sau).
Các nhà lý thuyết đã xây dựng nhiều lý thuyết về hấp dẫn lượng tử. LQG được phát triển từ năm 1990 dựa trên ý tưởng: phát biểu lý thuyết tương đối rộng dưới dạng hình thức toán học tương tự như trong lý thuyết điện từ (electromagnetism) và sau đó tiến hành công đoạn lượng tử hóa ; danh từ vòng (tiếng Anh là loop) – mang ý nghĩa tương tự như các đường sức điện trường và từ trường .
Kết quả của LQG là sự xuất hiện các “nguyên tử” không thời gian. Một lý thuyết gần giống LQG là CDT (Causal Dynamical Triangulation) mà ở đây chúng ta không bàn đến.
Có lẽ khi nói đến các kỳ dị của không thời gian thì LQG có nhiều ưu điểm. Điện động học lượng tử (Quantum ElectroDynamics- viết tắt là QED) mô tả chân không như một môi trường không có các hạt song nếu có một thăng giáng năng lượng sẽ phát sinh các hạt từ chân không. Chân không LQG cũng không có sẵn không thời gian song các thăng giáng năng lượng của chân không sẽ gây nên các “nguyên tử” không thời gian tương tự như sự xuất hiện các hạt trong QED.
Các nguyên tử không thời gian làm thành một mạng lưới. Đối với những khoảng cách lớn thì động học của chúng tạo nên Lý thuyết tương đối tổng quátcổ điển của Einstein (viết tắt là GR-General Relativity). Trong những điều kiện bình thường ta không cảm nhận được các nguyên tử không thời gian đó vì mạng lưới của chúng dày đến nổi trông như một continuum (đa tạp liên tục). Song nếu không thời gian được nhồi chặt với năng lượng thì cấu trúc tinh vi của không thời gian sẽ trở nên một yếu tố quan trọng và các kết quả của LQG sẽ khác với các kết quả của GR (xem hình 5).
Các tác giả tham gia phát triển LQG không sử dụng các phương trình vi phân thông thường mà sử dụng các phương trình sai phân (difference equations) [4], các phương trình này phân continuum không thời gian thành những khoảng cách gián đoạn. Nhiều người tưởng rằng các phương trình sai phân chỉ cho lại các kết quả của các phương trinh vi phân ở một dạng khác, song những điều mới lạ đã phát sinh.
Hấp dẫn vốn là lực hút. Nếu vật thể có khối lượng quá lớn thì hấp dẫn sẽ thắng và ta sẽ có một lỗ đen với một điểm kỳ dị tại tâm. Theo LQG bản chất hấp dẫn ở những vùng rất nhỏ sẽ thay đổi: lực hút của hấp dẫn biến thành lực đẩy. Hãy tưởng tượng không gian như một miếng bọt biển và khối lượng và năng lượng như nước. Miếng bọt biển có khả năng hút thấm nước đến một mức độ nào đó, và khi đã đẫm nước đến bão hòa thì miếng bọt biển không còn khả năng hút nước nữa! Tương tự như vậy không thời gian lượng tử cũng chỉ có khả năng chứa năng lượng một mức nào đó mà thôi. Khi mật độ năng lượng quá lớn thì lực đẩy bắt đầu xuất hiện (khác với lý thuyết cổ điển cho phép không gian chứa đẫm năng lượng vô cùng tận nên gây ra mâu thuẫn).
Như vậy trong LQG không còn điểm kỳ dị với mật độ năng lượng vô cùng . Theo mô hình này thì ở buổi sơ sinh của vũ trụ vật chất có mật độ năng lượng rất lớn song hữu hạn. Vì hấp dẫn đã biến thành lực đẩy nên hấp dẫn gây ra quá trình giãn nở của vũ trụ khi BigBounce xảy ra. Sau đó trong quá trình giãn nở mật độ trở nên nhỏ hơn thì hấp dẫn chuyển sang lực hút như chúng ta quan sát được hiện nay. Tuy thế quán tính từ lúc BigBounce vẫn tiếp tục duy trì quá trình giãn nở đến ngày nay.
Chú ý rằng nếu trong các lý thuyết khác LQG, người ta phải đưa ad hoc (không tính trước)hiện tượng giãn nở lạm phát ( inflation) [5] để giải thích tình trạng vũ trụ hiện nay thì LQG giải thích được quá trình inflation như quá trình đột sinh lúc hấp dẫn biến thành lực đẩy vào lúc sơ sinh của vũ trụ, như một hệ quả tất yếu của cấu trúc nguyên tử của không thời gian.
Đối xứng gương của vũ trụ trước và sau BigBounce
Vì không cần có một điểm kỳ dị để làm điểm bắt đầu của thời gian cho nên lịch sử của vũ trụ có thể kéo dài ngược lại [6] . LQG đã đưa ra kịch bản BigBounce dựa trên những nguyên lý tổng quát và không cần đến những giả thiết ad hoc.
Sử dụng các phương trình sai phân cho LQG các nhà vật lý đã vẽ lại bức tranh quá khứ. Như vậy trước BigBounce hấp dẫn đã làm co vũ trụ lại đến một lúc thì hấp dẫn biến thành lực đẩy tại điểm BigBounce và làm cho vũ trụ giãn nở trở lại.
Năm 2006 Abhay Ashtekar, Tomasz Pawlowski và Parampreet Singh (Đại học quốc gia Pennsylvania ) đã thực hiện các mô phỏng số trên máy tính để biểu diễn vũ trụ trước và sau lúc hấp dẫn chuyển pha. Kết quả là không có điểm kỳ dị, đây là một thắng lợi lớn của LQG. Và vũ trụ trước BigBounce trông giống như vũ trụ ngày nay song có đối xứng gương (xem hình 6).
Bức tranh vẽ nên ở đây tế nhị hơn so với bức tranh cổ điển về kỳ dị. Trong khi lý thuyết cổ điển không thành công tại điểm kỳ dị vì chưa có thuyết lượng tử tham gia thì LQG lại vượt qua được khó khăn này tại điểm có những điều kiện tới hạn như vậy. BigBang không còn là một khởi điểm vật lý nào cả, một điểm kỳ dị toán học nữa.
LQG cho phép số “ nguyên tử ” không thời gian thay đổi cho nên vũ trụ có nhiều bậc tự do hơn trong quá trình tiến triển, ví dụ sự hình thành các sao, các thiên hàmà đáng lý khó xảy ra được vì định luật tăng entropy.
Nhờ tương tác yếu đối với vật chất mà sóng hấp dẫn và neutrino có khả năng đem lại thông tin về những giai đoạn trước BigBang, nói cách khác mang lại tiếng vọng từ những giai đoạn trước BigBang [7].
Những thăng giáng lượng tử của không thời gian có thể ảnh hưởng đến sự lan truyền các sóng trên những quãng đường dài. Theo LQG thì sóng ánh sáng không thể liên tục được, sóng phải thích nghi với tính chất mạng của không thời gian , bước sóng càng nhỏ thì hệ quả càng lớn. Vì vậy ánh sáng với bước sóng khác nhau sẽ chuyển động với vận tốc khác nhau(điều này trái với lý thuyết tương đối song lại là một cơ sở để tiến hành thử nghiệm một cách gián tiếp sự đúng đắn của LQG). Sự khác nhau về vận tốc có thể nhỏ nhưng khi được tích lũy trên một quãng đường dài (nhiều năm ánh sáng) thì sự khác nhau đó dễ bộc lộ ra. Các bùng nổ gamma [8] sẽ cho nhiều hy vọng để quan sát sự khác nhau trong vận tốc ánh sáng với bước sóng khác nhau [9].
Kết luận
Dựa trên LQG một lý thuyết hấp dẫn lượng tửxem không thời gian không phải là một continuum mà có cấu trúc mạng kết thành bởi những “nguyên tử” không thời gian, giả thuyết BigBounce có ưu điểm lớn là tránh được điểm kỳ dị với mật dộ vật chất vô cùng lớntại điểm phát sinh vũ trụ của giả thuyết BigBang và vẽ nên một kịch bản hiện thực hơn, đồng thời phác họa một thời kỳ tiền BigBang đầy vẻ bí ẩn cho nhiều nghiên cứu tiếp theo trong tương lai.
Tài liệu tham khảo và chú thích
[1] BigBounce có nghĩa là sự nảy bật lớnnhư khi quả bóng đá chạm mạnh vào các cột khung thành.
[2] Lee Smolin, Atoms of Space and Time, Scientific American, January 2004.Carlo Rovelli,Loop Quantum Gravity,http://www.pitt.edu/~rovelli
[3] BigCrunch, vụ co lớn là một kịch bản theo đó số phận cuối cùng của vũ trụ là co lại thành một lỗ đen.
[4] Trong các phương trình sai phân, tọa độ lấy những trị số gián đoạn khác với tọa độ liên tục trong phương trình vi phân.
[5] Inflation (giãn nở lạm phát): vũ trụ lúc vừa sơ sinh đã trải qua một quá trình giãn nở rất nhanh theo luật hàm mũ.
[6] Gabriele Veneziano, Scientific American, May 2004.
[7] Robert R. Caldwell và Marc Kamionkowski, Echoes from the Big Bang, Scientific American, January 2001).
[8]Bùng nổ tia gamma (Gamma Ray Bursts- GRB) trong vũ trụ là sự xuất hiện trong một thời gian rất ngắn những tia gamma với năng lượng rất lớn, trong vòng mười giây năng lượng này bằng cả năng lượng mặt trời phát ra trong 10 tỷ năm tồn tại.
[9] William B. Atwood, Peter F. Michelson và Steven Ritz ,, Scientific American, December 2007).
