Chín bí ẩn lớn chưa có lời giải đáp trong ngành vật lý

Năm 1900, nhà vật lý học người Anh Lord Kelvin được cho là đã tuyên bố “Giờ chẳng còn gì mới trong Vật lý để khám phá nữa. Tất cả những gì còn lại chỉ là phép đo chính xác hơn mà thôi”. Trong vòng ba thập kỷ, cơ học lượng tử và thuyết tương đối của Anhxtanh đã tạo nên cuộc cách mạng trong lĩnh vực này. Ngày nay, không nhà vật lý nào dám khẳng định rằng kiến thức của nhân loại về lĩnh vực vật lý đã gần hoàn thiện. Ngược lại, mỗi khám phá mới có vẻ lại mở ra một Chiếc hộp Pandora  với những câu hỏi về vật lý thậm chí còn lớn hơn và sâu hơn.

Sự kiện các nhà khoa học mới đây đã phát hiện ra hạt Higgs, hay còn gọi là “Hạt của Chúa” đã khiến một số nhà vật lý một lần nữa đứng trước câu hỏi: còn gì để nghiên cứu ở ngành vật lý học?

Trước băn khoăn này, Natalie Wolchover, phóng viên trụ cột của Tạp chí Life’s Little Mysteriesđã đưa ra 9 bí ấn lớn chưa được giải đáp trong ngành Vật lý.

9. Năng lượng tối là gì?

Cho dù các nhà vật lý thiên văn có thực hiện nhiều phép tính toán thì vũ trụ cũng không tăng thêm. Dù lực hấp dẫn đang hút vào trong kết cấu của vũ trụ trong không-thời gian–vũ trụ tiếp tục giãn nở càng nhanh hơn. Xét đến vấn đề này, các nhà vật lý thiên văn đã đưa ra đề xuất về một loại chất vô hình có thể chống lại lực hấp dẫn bằng cách đẩy rời không-thời gian. Họ gọi nó là năng lượng tối. Theo dạng thức được thừa nhận rộng rãi nhất của năng lượng tối, nó là một “hằng số vũ trụ”: một đặc tính vốn có của bản thân không gian, có “áp suất âm” tách rời không gian. Khi không gian mở rộng, có nhiều khoảng không được tạo ra, và theo đó có thể có nhiều năng lượng tối. Dựa trên tỉ lệ giãn nở quan sát được, các nhà khoa học biết rằng tổng của toàn bộ năng lượng tối phải chiếm hơn 70% tổng thể tích của vũ trụ. Nhưng chưa ai biết cách tìm được năng lượng tối.

8. Vật chất tối là gì?

Rõ ràng, khoảng 84% vật chất trong vũ trụ không hấp thụ hoặc phát ra ánh sáng. "Vật chất tối", như người ta vẫn gọi, không thể nhìn thấy trực tiếp được, và cũng chưa từng được phát hiện bằng các cách thức gián tiếp. Thay vào đó, sự tồn tại và các đặc tính của vật chất tối được suy ra từ các tác dụng lực hút trên vật chất hữu hình, vật được bức xạ và cấu trúc của vũ trụ. Vật chất mờ ảo này được cho là đã tràn ngập vùng ngoài của thiên hà, và có thể bao gồm “các hạt lớn tương tác yếu”, viết tắt là WIMP. Trên khắp thế giới, đã có một số dấu hiệu của WIMP được phát hiện, nhưng cho đến nay, chưa vật chất tối nào được tìm thấy.

7. Tại sao lại có mũi tên thời gian?

Thời gian trôi về phía trước do sự tăng lên của một đại lượng đặc trưng của vũ trụ gọi là “entropi”, được định nghĩa như là mức độ hỗn độn, và không có cách gì để thay đổi sự tăng lên entropi sau khi việc đó đã xảy ra. Thực tế entrôpi tăng lên là một vấn đề về logic. Số hạt sắp xếp lộn xộn nhiều hơn số hạt được sắp xếp theo trật tự, và khi mọi thứ thay đổi, chúng có xu hướng rơi vào sự lộn xộn. Nhưng câu hỏi đặt ra ở đây là, tại sao trong quá khứ số lượng entrôpi lại thấp như vậy? Hay nói cách khác, tại sao lúc đầu vũ trụ vẫn được sắp xếp theo trật tự khi một lượng lớn năng lượng bị nhồi vào với nhau trong một khoảng không gian nhỏ hẹp như vậy?

6. Có các vũ trụ song song không?

Tài liệu về vật lý thiên văn cho thấy không-thời gian có thể “phẳng”, chứ không cong, và do đó nó sẽ tồn tại mãi mãi. Nếu thế thì vùng mà chúng ta có thể thấy được (mà chúng ta nghĩ là “vũ trụ”) chỉ là một mảnh trong “đa vũ trụ hợp lại” rộng lớn vô định. Đồng thời, các luật cơ học lượng tử công bố rằng chỉ có một số lượng nhất định các hình dạng hạt có thể tồn tại trong mỗi mảnh vũ vụ (10^10^122 khả năng rõ ràng). Như vậy, với một số lượng vô hạn các mảnh vũ trụ thì sự sắp xếp các hạt trong vũ trụ bị buộc phải lặp lại – với số lần vô hạn. Điều này có nghĩa là có một số lượng vô hạn các vũ trụ tồn tại song song: các mảnh vũ trụ giống y hệt vũ trụ của chúng ta (trong đó cũng có một người giống y hệt bạn), cũng có các mảnh chỉ khác vũ trụ của chúng ta ở vị trí của một hạt, có các mảnh khác vũ trụ của chúng ta ở vị trí của hai hạt, v.v và có các mảnh khác hoàn toàn so với vũ trụ của chúng ta.

Có gì sai với phép logic này không, hay kết quả kỳ lạ của phép logic này là đúng? Và nếu đúng thì làm sao chúng ta có thể phát hiện ra sự tồn tại của các vũ trụ song song?

5. Tại sao có nhiều vật chất hơn phản vật chất?

Câu hỏi tại sao có nhiều vật chất hơn phản vật chất (anh em song sinh có điện tích và spin hoàn toàn ngược với vật chất) thực ra là câu hỏi tại sao có sự tồn tại của vạn vật. Có giả định rằng, vũ trụ sắp xếp vật chất và phi vật chất một cách đối xứng, và như vậy tại thời điểm xảy ra vụ nổ Big Bang, một lượng vật chất và phi vật chất bằng nhau sẽ được sản sinh. Nhưng nếu điều đó xảy ra thì đã dẫn đến hiện tượng hủy diệt cả hai: Proton hủy các phản proton, các electron hủy các phản electron (pozitron), nơtron hủy các phản nơtron, v.v, để lại phía sau một biển photon mờ nhạt trong một dải các phi vật chất. Vì một lý do nào đó, có một lượng vật chất thừa ra không bị phá hủy, và thế là có nhiều vật chất hơn phản vật chất. Về vấn đề này, chưa có lời giải nào được chấp nhận.

4. Số phận của vũ trụ thế nào?

Số phận của vũ trụ phụ thuộc nhiều vào một hệ số với giá trị chưa biết Ω, một ước số của mật độ vật chất và năng lượng trong vũ trụ. Nếu Ω lớn hơn 1 thì không-thời gian sẽ bị “đóng lại” giống như bề mặt của một khối cầu khổng lồ. Nếu không có năng lượng tối thì vũ trụ cuối cùng cũng sẽ ngừng giản nở và thay vào đó lại bắt đầu co lại, cuối cùng là tự sụp đổ với một sự kiện gọi là Vụ Co Lớn (the “Big Crunch”). Nếu vũ trụ bị đóng lại nhưng có tồn tại năng lượng tối thì vũ trụ hình cầu sẽ giãn nở mãi mãi.

Ngoài ra, nếu Ω nhỏ hơn 1 thì hình dạng của không gian sẽ “mở” giống như bề mặt của cái yên ngựa. Trong trường hợp này, số phận cuối cùng của nó là một Vụ Rách Lớn (the “Big Rip”), tiếp theo là một Vụ Đóng Băng Lớn (the “Big Freeze”): đầu tiên, sự tăng tốc bên ngoài của vũ trụ sẽ xé toạc các thiên hà và các ngôi sao, để lại các vật chất lạnh lẽo và đơn độc. Tiếp theo, sự tăng tốc sẽ phát triển mạnh đến mức nó sẽ lấn át các tác động của các lực giữ nguyên tử gắn kết với nhau, và mọi thứ sẽ bị tách rời ra.

Nếu Ω bằng 1, vũ trụ sẽ phẳng, mở rộng giống một mặt phẳng vô định theo mọi hướng. Nếu không có năng lượng tối, thì vũ trụ phẳng đó sẽ giản nỡ mãi mãi nhưng với tốc độ giảm dần, tiệm cận trạng thái dừng lại. Nếu có năng lượng tối, vũ trụ phẳng cuối cùng sẽ trải qua quá trình giãn nở rất nhanh, dẫn đến Vụ Rách Lớn (the “Big Rip”).

Điều gì xảy ra sẽ xảy ra.

3. Bằng cách nào mà việc đo lường có thể khiến các hàm sóng lượng tử co lại?

Trong vùng kỳ lạ của các electron, photon và các hạt cơ bản khác, cơ học lượng tử là luật được áp dụng. Các hạt không hành xử giống những quả bóng nhỏ, mà giống các đợt sóng tràn qua một khu vực rộng lớn. Mỗi hạt được xác định bởi một “hàm sóng”, hoặc phân bố xác suất, tại đó cho thấy vị trí, vận tốc và các đặc tính khác mà nó có thể có, nhưng không phải giá trị xác định của các đặc tính đó. Hạt thực chất có một miền giá trị cho tất cả các đặc tính, cho đến khi bạn đo được một trong số các đặc tính đó bằng thực nghiệm – ví dụ như vị trí của nó mà tại đó hàm sóng của hạt “co lại” và nó chỉ nhận một vị trí.

Nhưng bằng cách nào và tại sao việc đo lường một hạt khiến hàm sóng của nó bị co lại, tạo ra thực tế cụ thể mà chúng ta thấy là đang tồn tại? Vấn đề này, vấn đề của sự đo lường, có vẻ là không phổ biến, mà sự hiểu biết của chúng ta về thực tế, hoặc nếu có tồn tại sự hiểu biết này đi chăng nữa, cũng chỉ xoay quanh câu trả lời cho câu hỏi này.

2. Lý thuyết dây có chính xác không?

Khi các nhà vật lý giả định tất cả các hạt cơ bản thực chất là các vòng lặp một chiều, hoặc ‘các dây’, mỗi dây dao động ở một tần số khác nhau, thì môn vật lý học trở nên dễ dàng hơn. Lý thuyết dây cho phép các nhà vật lý hài hòa các luật điều khiển các hạt, gọi là cơ học lượng tử, với các luật điều khiển không-thời gian, gọi là lý thuyết tương đối tổng quát, và để hợp nhất bốn lực cơ bản của tự nhiên thành một khung đơn. Nhưng vấn đề là, lý thuyết dây chỉ có thể hoạt động trong một vũ trụ với 10 hoặc 11 chiều : 3 chiều không gian lớn, 6 hoặc b7 chiều không gian nén, và 1 chiều thời gian. Các chiều không gian nén – cũng như bản thân các dây rung động – bằng khoảng một tỷ phần một tỷ tỷ kích thước của một hạt nhân nguyên tử. Không có cách gì có thể phát hiện ra vật gì nhỏ đến thế, và vì thế không có cách gì để kiểm chứng xem lý thuyết dây có chính xác hay không.  

1. Liệu có trật tự trong sự hỗn loạn không?   

Các nhà vật lý không thể giải chính xác các hệ phương trình mô tả tính chất của chất lưu, từ nước đến không khí đến toàn bộ các chất lỏng và khí khác. Trên thực tế, người ta không thể biết được có thực sự tồn tại một nghiệm tổng quát của cái được gọi là các phương trình Navier-Stokes hay không, hoặc nếu có một phương trình như vậy, dù nó mô tả chất lưu ở mọi nơi, hoặc chứa các điểm vốn không thể nhận ra - được gọi là các điểm kỳ dị. Kết quả là, bản chất của sự hỗn loạn không được hiểu rõ ràng. Các nhà vật lý và các nhà toán học tự hỏi, phải chăng thời tiết chỉ đơn giản là khó dự đoán, hay vốn đã không thể dự đoán? Phải chăng sự hỗn loạn vượt ra ngoài những thuyết minh toán học, hay tất cả đều có nghĩa khi bạn giải quyết bằng toán học chính xác.