Carlo Rovelli
(Seven Brief Lessons on Physics)(←... tiếp theo)
BÀI GIẢNG THỨ NĂM
Những hạt Không gian
Mặc dù có một số những không rõ
ràng, những không hài lòng và những câu hỏi không trả lời được, vật lý tôi
đã phác thảo đem cho một mô tả tốt hơn về thế giới so những gì
chúng ta từng có trong quá khứ. Như thế, chúng ta tất nên lấy làm hết sức
vừa lòng. Nhưng chúng ta thì không!
Một sinh viên đại học dự những bài giảng
về thuyết tương đối tổng quát vào buổi sáng và những người khác về cơ học
quantum vào buổi chiều, đều có thể được tha thứ nếu kết luận rằng những giáo
sư của mình là người ngố, hay xao lãng giao tiếp với nhau ít nhất một thế
kỷ. Vào buổi sáng thế giới là không gian cong, nơi mọi sự vật
việc đều liên tục; vào buổi chiều nó là một không gian bằng phẳng, nơi những
quantum của năng lượng nhảy vọt.
Nghịch lý là cả hai lý thuyết đều hoạt
động tốt. Thiên nhiên đang cư xử với chúng ta giống như một người rabbi già, người này có hai người đàn
ông đến gặp để nhờ giải quyết một tranh chấp. Sau khi nghe người thứ
nhất, giáo sĩ đạo Juda đó nói: ‘Anh thì đúng.’ Người thứ hai khẩn khoản đòi
mình cũng được nghe, rabbi nghe người này và nói: ‘Anh thì cũng đúng.’ Sau
khi nghe lỏm từ phòng bên cạnh, bà vợ của rabbi kêu toáng, ‘Nhưng họ thì không
thể đều là đúng!’ Rabbi nghĩ
ngợi và gật đầu trước khi kết luận: ‘Và cả bà thì cũng đúng nữa.’
Một nhóm những nhà vật lý lý thuyết rải rác khắp năm châu đang cần mẫn để cố gắng giải quyết vấn đề. Lĩnh vực nghiên cứu của họ được gọi là ‘lực hấp dẫn quantum’: đối tượng của nó là tìm một lý thuyết, đó là một tập hợp những phương trình – nhưng trên tất cả, một tầm nhìn mạch lạc về thế giới – với tầm nhìn đó để giải quyết tình trạng hiện tại như bị bệnh tâm thần phân liệt.
Một nhóm những nhà vật lý lý thuyết rải rác khắp năm châu đang cần mẫn để cố gắng giải quyết vấn đề. Lĩnh vực nghiên cứu của họ được gọi là ‘lực hấp dẫn quantum’: đối tượng của nó là tìm một lý thuyết, đó là một tập hợp những phương trình – nhưng trên tất cả, một tầm nhìn mạch lạc về thế giới – với tầm nhìn đó để giải quyết tình trạng hiện tại như bị bệnh tâm thần phân liệt.
Đây không phải là lần đầu tiên vật lý
thấy chính nó đối mặt với hai lý thuyết rất thành công nhưng rõ ràng mâu
thuẫn. Cố gắng tổng hợp trong quá khứ đã được tặng thưởng với những bước
tiến lớn trong sự hiểu biết của chúng ta về thế giới. Newton đã tìm được lực
hấp dẫn phổ quát bằng kết hợp những parabol của Galileo với những ellipse của
Kepler. [1] Maxwell đã tìm được những phương
trình của trường điện từ bằng kết hợp những lý thuyết về điện và hiện
tượng từ tính. Einstein đã khám phá thuyết về tương đối bằng cách giải
quyết một xung đột rõ ràng giữa điện từ và cơ học. Một nhà vật lý thì
chỉ rất sung sướng khi ông tìm thấy một xung đột thuộc loại này giữa những
lý thuyết thành công: đó là một cơ hội đặc biệt hết sức may mắn. Chúng ta
có thể xây dựng một cấu trúc làm khung cho khái niệm để suy nghĩ
về thế giới tương ứng với những gì chúng ta đã học về nó từ cả hai lý
thuyết?
Ở đây, trong lớp tiên phong, vượt ngoài
những biên giới của tri thức, khoa học trở nên lại còn đẹp hơn – sáng chói
trong xưởng rèn của những ý tưởng mới sinh, của những trực giác, của những
cố gắng. Của những con đường đón nhận và sau đó buông rơi, của những nhiệt
tình. Trong cố gắng để tưởng tượng những gì vẫn chưa tưởng tượng.
Hai mươi năm trước, sương mù dày
đặc. Ngày nay những đường đi đã xuất hiện vốn đã gợi lên nhiệt tình và lạc
quan. Có hơn một đường trong số này, vì vậy không thể nói rằng vấn đề
đã được giải quyết. Sự đa dạng tạo ra nhiều bất đồng, nhưng tranh luận thì
lành mạnh: cho đến khi sương mù tan hết mở lên hoàn toàn, có những phê bình và những
quan điểm chống đối thì tốt. Một trong những cố gắng chính để giải quyết
vấn đề là một hướng nghiên cứu gọi là ‘Lực
Hấp Dẫn Quantum Vòng’ [2], được một đội ngũ đầy
đủ những nhà nghiên cứu theo đuổi, làm việc ở nhiều quốc gia.
Thuyết Lực Hấp Dẫn Quantum Vòng là một cố
gắng để kết hợp thuyết tương đối tổng quát và cơ học quantum. Đó là một cố
gắng thận trọng vì nó chỉ dùng những giả thuyết đã chứa trong những lý
thuyết này, viết lại phù hợp để làm cho chúng tương hợp. Nhưng những
hệ quả của nó thì cơ bản: một sự thay đổi sâu xa hơn nữa về cách
chúng ta nhìn vào cấu trúc của thực tại.
Ý tưởng thì đơn giản. Thuyết tương đối
tổng quát đã dạy chúng ta rằng không gian không phải là một cái hộp trơ, nhưng
là một gì đó năng động: một loại ốc sên di động, bao la mà chúng ta có
trong đó – một gì có thể được nén và xoắn. Mặt khác, cơ học quantum đã
dạy chúng ta rằng mọi trường thuộc loại này thì ‘được làm bằng những quantum’
và có một cấu trúc hạt-nhỏ mịn. Nó dẫn đến ngay sau đó là không gian vật
lý thì cũng được ‘làm bằng những quantum’.
Kết quả quan trọng, cốt yếu nhất của thuyết
Lực Hấp Dẫn Quantum Vòng là quả thực rằng không gian thì không liên tục, rằng
nó không phải là có thể phân chia đến vô hạn, nhưng được tạo thành từ những
hạt, hay những ‘atom không gian’. Những hạt của không gian này thì cực
kỳ nhỏ: nhỏ hơn một tỷ tỷ lần so với nucleus của atom nhỏ nhất. Lý
thuyết mô tả những ‘atom của không gian’ này trong dạng toán
học và cung cấp những phương trình xác định sự tiến hóa của
chúng. Chúng được gọi là những ‘vòng cuộn’,
hay những vòng móc, vì chúng móc
nối với nhau, trong khi tạo thành một mạng lưới của những liên hệ, vốn đan dệt bề
mặt kết cấu của không gian, giống như những vòng sắt nhỏ móc nối của một cái
áo giáp mênh mông được đan khéo léo.
Những quantum của không gian này ở
đâu? Không đâu cả. Chúng không ở trong không gian vì chúng chính
là không gian. Không gian được tạo ra bằng sự nối kết những quantum của
lực hấp dẫn riêng lẻ này. Một lần nữa, thế giới dường như ít về phần
những đối tượng hơn là về phần những quan hệ tác động qua lại.
Nhưng đó là hệ quả thứ hai của lý
thuyết thì cực đoan nhất. Giống như ý tưởng về một không gian liên
tục vốn chứa đựng mọi sự vật biến mất; cũng vậy, ý tưởng về một ‘thời
gian’ cơ bản và nguyên sơ tuôn chảy bất chấp mọi sự vật việc cũng biến
mất. Những phương trình mô tả những hạt của không gian và vật chất thôi không
còn chứa biến số ‘thời gian’. Điều này không có nghĩa là mọi sự vật việc
đều đứng yên và không thay đổi. Ngược lại, nó có nghĩa là sự thay đổi
có mặt khắp mọi nơi – nhưng những tiến trình cơ bản không thể được sắp xếp
theo một sự tiếp nối liên tục có chung của ‘những khoảnh khắc’. Ở quy mô cực
nhỏ của những hạt của không gian, điệu nhảy của Tự nhiên không
diễn ra theo nhịp điệu của cây gậy nhạc trưởng của một dàn nhạc duy nhất, với
một tempo duy nhất: mỗi tiến trình
nhảy thì độc lập với những lân cận của nó, theo nhịp điệu riêng của nó. Sự
trôi qua của thời gian thì bên trong của thế giới, thì sinh ra trong bản
thân thế giới trong sự quan hệ giữa những biến cố quantum bao gồm
cả thế giới và bản thân chúng đều là gốc của thời gian.
Thế giới được lý thuyết mô tả bởi thì
như vậy xa hơn nữa với một thế giới trong đó chúng ta đã quen thuộc. Không
còn không gian chứa ‘thế giới’, và không còn thời gian ‘trong đó’ sự
kiện xảy ra. Chỉ có những tiến trình cơ bản trong đó quantum của không
gian và vật chất liên tục tác động qua lại với nhau. Ảo tưởng về
không gian và thời gian vốn tiếp tục xung quanh chúng ta là một cái nhìn nhòe
nhạt về sự chen chúc lúc nhúc của những tiến trình cơ bản này, giống như
một hồ nước yên tĩnh trong trẻo trên vùng núi Alps, gồm trong thực tế
là một điệu nhảy nhanh chóng của một vô vàn những particle nước cực nhỏ.
Nhìn cực gần qua một kính
lúp cực kỳ mạnh, hình ảnh gần cuối trong bài giảng thứ năm của chúng
ta sẽ cho thấy dạng cấu trúc particle của không gian:
Có thể kiểm chứng lý thuyết này bằng
thực nghiệm không? Chúng ta đang suy nghĩ và cố gắng, nhưng vẫn
chưa có kiểm chứng thực nghiệm. Tuy nhiên, có một số những gắng
thử khác nhau.
Một trong số những gắng thử đó xuất
phát từ việc nghiên cứu về những hố đen. Trên vòm trời, giờ đây chúng ta
có thể theo dõi những hố đen do những sao đã tan vỡ đã hình thành. Bị trọng
lượng riêng của nó nghiền nát, vật chất của những sao tan vỡ này đã biến mất
khỏi tầm nhìn của chúng ta. Nhưng nó đã đi đâu? Nếu lý thuyết về lực Hấp
dẫn Quantum Vòng là chính xác, vật chất không thể thực sự sụp đổ vào trong
một điểm nhỏ vô cùng, vì những điểm nhỏ vô cùng không hiện hữu – chỉ những
khối không gian hữu hạn. Sau khi sụp đổ dưới trọng lượng riêng của
nó, vật chất phải trở nên ngày càng dày đặc, đến điểm ở đó cơ học
quantum phải có tác dụng một phản ngược, áp lực được cân bằng.
Giai đoạn cuối cùng giả thuyết này
trong đời của một ngôi sao, nơi những biến động chao đảo quantum của thời-không cân bằng trọng lượng của vật
chất, là những gì được gọi là ‘sao
Planck’. Nếu mặt trời ngừng cháy và tạo thành một hố đen thì nó sẽ đo được
khoảng một kilômét đường kính. Bên trong hố đen này, vật chất của mặt trời
sẽ tiếp tục sụp đổ, cuối cùng trở thành một sao Planck như vậy. Kích thước của nó sau đó sẽ tương tự
như kích thước của một atom. Toàn bộ vật chất của mặt trời được ngưng
tụ vào không gian của một atom: một sao Planck tất được cấu thành
bởi trạng thái cực đoan này của vật chất.
Một sao Planck thì không trong trạng
thái ổn định: một khi được nén đến mức tối đa, nó sẽ lại bật nẩy lên, và
bắt đầu dãn rộng trở lại. Điều này dẫn đến một sự bùng nổ của hố đen. Tiến
trình này, khi giả định có một người ngồi trong hố đen trên sao Planck
quan sát sự việc, sẽ là một sự ‘lấy lại năng lượng’ diễn ra trong một tốc độ rất
nhanh. Nhưng thời gian không trôi qua cùng tốc độ với người ấy như với
những người bên ngoài hố đen, như cùng lý do tương tự rằng thời gian ở
trên núi trôi đi nhanh hơn so với ở mực nước biển. Ngoại trừ điều đó cho
người quan sát trong hố sao, vì những điều kiện cực đoan, sự khác biệt về
thời gian trôi qua thì rất lớn, và những gì cho người quan sát ngồi trong hố
sao có vẻ như xuất hiện một phản ứng cực kỳ nhanh chóng, nhưng nhìn từ bên
ngoài nó, nó phải mất một thời gian rất dài. Đây là lý do chúng
ta theo dõi, thấy những hố đen như giữ nguyên không đổi, trong một thời gian
dài: một hố đen là một ngôi sao đang hồi phục được nhìn thấy trong chuyển động
rất chậm.
Có thể là trong lò của những khoảnh
khắc đầu tiên của vũ trụ những hố đen đã được hình thành, và một số trong
số này đang bùng nổ. Nếu điều đó đúng, có lẽ chúng ta có thể quan sát được
những tín hiệu chúng phát ra khi đang phát nổ, trong dạng của những tia vũ
trụ mang năng lượng cao, đến từ bầu trời, do đó cho phép chúng ta quan sát
và đo lường được một tác động trực tiếp của hiện tượng có lực hấp dẫn quantum
chi phối. Đó là một ý tưởng táo bạo – nó có thể không thành công, thí dụ,
nếu trong vũ trụ nguyên thủy không có đủ những hố đen đã hình thành để ngày
nay cho phép chúng ta dò tìm được những vụ nổ của chúng. Nhưng việc tìm kiếm những
tín hiệu đã bắt đầu. Chúng ta sẽ thấy.
Một trong những hệ quả khác của lý
thuyết, và một trong những hệ quả ngoạn mục nhất, liên quan đến nguồn gốc của
vũ trụ. Chúng ta biết cách thế nào để lập lại lịch sử hành tinh của chúng
ta trở ngược về một giai đoạn khởi đầu khi nó có kích thước rất nhỏ. Nhưng
còn trước đó thì sao? Vâng, những phương trình của lý thuyết vòng cho phép
chúng ta đi xa hơn nữa trong việc dựng lại lịch sử đó.
Điều chúng ta thấy là khi vũ trụ đã nén
ép cùng cực, (theo) thuyết quantum (nó) gây ra một lực kháng cự,
với kết quả là sư Nở Bùng Lớn hay
‘Big Bang’ có thể thực sự là một sự Nảy Bật Lớn ‘Big Bounce’. Thế giới của chúng ta có thể đã thực sự được sinh
ra từ một vũ trụ trước đó, đã co thắt như ‘rặn đẻ’ dưới sức nặng riêng của
nó, cho đến khi nó bị vắt ép vào một không gian nhỏ tí, trước khi ‘bật nảy’
và bắt đầu dãn nở rộng trở lại, như thế trở thành vũ trụ đang mở
rộng mà chúng ta quan sát được quanh chúng ta.
Khoảnh khắc của sự bật nảy này, khi vũ
trụ đã co lại vào thành một vỏ-hạt bé tí xíu, là lĩnh vực thực sự của lực
hấp dẫn quantum: thời gian và không gian đã biến mất hoàn toàn, và thế
giới đã ‘tan loãng’ vào thành một đám mây dày nhung nhúc của xác suất, tuy
nhiên, những phương trình có thể vẫn tính toán (để mô tả bằng những con số xác
xuất) được. Và hình ảnh cuối cùng của bài giảng thứ năm được chuyển thành
như sau:
Vật lý mở ra những cửa sổ qua đó chúng ta nhìn sâu vào xa thẳm. Những gì chúng ta thấy không làm chúng ta kinh ngạc. Chúng ta ý thức được rằng chúng ta đã đầy định kiến, và rằng qua trực giác của chúng ta hình ảnh về thế giới thì chỉ một phần, cục bộ, không đầy đủ. Trái đất không bằng phẳng, nó không đứng yên. Thế giới tiếp tục thay đổi trước mắt chúng ta, khi dần dần chúng ta thấy nó lớn rộng hơn và rõ ràng hơn. Nếu chúng ta cố gắng đặt chung vào nhau những gì chúng ta đã học được trong thế kỷ XX về thế giới vật chất, những manh mối hướng đến một gì đó khác biệt sâu xa với sự hiểu biết theo bản năng của chúng ta về vật chất, không gian và thời gian. Lực hấp dẫn Quantum Vòng là một cố gắng để tháo mở những manh mối này, và để nhìn thêm một chút sâu hơn nữa vào xa thẳm [3].
Lê Dọn Bàn tạm dịch – bản nháp thứ nhất
(Dec/2018)
[1] Galileo Galilei (1564-1642): Nhà
thiên văn, vật lý và kỹ sư Italy, đã xác định đường bắn của một viên đạn là
hình parabol. Johannes Kepler (1571-1630): Nhà toán học, nhà thiên văn Germany.
Định luật đầu tiên của Kepler - đôi khi gọi là định luật ellipe - giải thích rằng
những hành tinh (trong hệ mặt trời) quay quanh mặt trời theo một quĩ đạo hình ellipse.
[2] Loop Quantum Gravity (LQG): ‘Lực Hấp Dẫn Quantum Vòng’ Theo thuyết này như tác giả giải thích ở
trên - ở mức độ cực nhỏ quantum – không-thời gian (như thuyết tương đối) tự
cuộn vào như những vòng cuộn, những móc nhỏ; những vòng cuộn quantum này là
những hạt không gian. Hệ quả là không còn thời gian nữa
Ý tưởng dựa trên khái niệm của sự ‘quantum hóa’, khái
niệm phá vỡ một thực thể thành những mảnh cực nhỏ đứt đoạn, rời rạc. Trong khi
cơ học quantum nói rằng những atom tồn tại ở những trạng thái quantum rời rạc
đó, lực hấp dẫn Quantum Vòng nêu rằng
tự thân thời-không thì tạo thành từ những
bit quantum rời rạc, trong dạng những vòng cuộn-một chiều cực nhỏ. Vòng cuộn có nghĩa là những ‘rúng động’
cơ bản của tự thân không-thời gian thì một chiều, trong tự nhiên. Khối xây dựng
cơ bản là một vòng cuộn, hay mạng
lưới của những vòng cuộn móc vào nhau. Như hình ảnh của một tấm vải dệt lưới.
Planck
star:
một vật thể vật lý trên lý thuyết do
hai giáo sư Carlo Rovelli (France), and Francesca Vidotto (Netherlands) đưa ra.
Dựa trên bài khảo cứu khoa học, của hai vị này:
(Cornell U, https://arxiv.org/abs/1401.6562)
Submitted on 25 Jan 2014)
Tóm tắt – “Một sao, sụp đổ bởi trọng lực chính nó, có
thể đi đến thêm một giai đoạn nữa của đời nó, nơi áp suất hấp dẫn quantum phản lại
trọng lượng. Thời gian của giai đoạn này thì rất ngắn trong thời gian thực sự của
sao, sinh ra một nảy bật, nhưng nhìn từ bên ngoài thì cực kỳ dài, vì sự giãn nở
rất lớn của thời gian bởi lực hấp dẫn. Vì sự bắt đầu của những tác động hấp dẫn-quantum
thì chi phối bởi mật độ năng lượng – không bởi kích thước – trong giai đoạn này,
sao có thể là lớn hơn nhiều khi so với planckian
(hằng số Plank). Vật thể nổi lên ở cuối của sự bốc hơi-Hawking của một hố Đen, khi đó có thể lớn là hơn planckian bởi một thừa số (m / mP) n, trong đó m là khối lượng rơi vào hố, mP là khối Planck, và n là một số dương. Chúng tôi xem xét những
đối số, cho n = 1/3 và cho n = 1. Không có vi phạm về nhân quả hoặc sự lan truyền
nhanh hơn ánh sáng. Sự hiện hữu của những vật thể này giảm nhẹ gánh nặng về nghịch
lý ‘thông tin về hố đen’. Đáng chú ý hơn, những vật thể này cũng có thể đem lại
quan tâm về vật lý thiên văn và vật lý vũ trụ: chúng gây ra tín hiệu có thể dò
tìm được, có nguồn gốc lực hấp dẫn quantum, quanh bước sóng dài 10−14
cm”.
