.gif)
-1.jpg)
Podcast
Tài
liệu Tóm tắt: Các Lý thuyết Đa vũ trụ trong "Thực tại Ẩn giấu"
Tài liệu này tổng hợp các ý tưởng cốt lõi từ các
trích đoạn của cuốn sách "Thực tại Ẩn giấu", tập trung vào các đề
xuất khoa học về sự tồn tại của các vũ trụ song song, hay còn gọi là đa vũ trụ.
Các lý thuyết vật lý hiện đại, đặc biệt là vũ trụ học và lý thuyết dây, khi
được phát triển đến các kết luận logic của chúng, thường xuyên và một cách tự
nhiên dẫn đến ý tưởng rằng vũ trụ của chúng ta không phải là duy nhất mà chỉ là
một thành viên trong một tập hợp các vũ trụ rộng lớn hơn.
Các loại đa vũ trụ chính được phân tích bao gồm:
- Đa vũ trụ Ghép mảnh (Quilted): Trong một vũ trụ vô hạn, với
một số lượng hữu hạn các cách sắp xếp hạt khả dĩ trong mỗi vùng (chân trời
vũ trụ), các điều kiện vật lý phải lặp lại ở những nơi xa xôi, tạo ra các
bản sao của chính chúng ta và thế giới của chúng ta.
- Đa vũ trụ Lạm phát
(Inflationary):
Lý thuyết lạm phát vũ trụ, giải thích sự đồng nhất của vũ trụ quan sát được,
cho thấy quá trình này có thể là vĩnh cửu. Không gian liên tục giãn nở
siêu nhanh, tạo ra vô số "vũ trụ bong bóng", trong đó vũ trụ của
chúng ta chỉ là một.
- Đa vũ trụ Brane: Từ lý thuyết dây/M, vũ trụ ba
chiều của chúng ta có thể là một "màng" (brane) trôi nổi trong một
không gian có nhiều chiều hơn. Các màng khác—tức là các vũ trụ khác—có thể
tồn tại song song gần đó.
- Đa vũ trụ Tuần hoàn (Cyclic): Một biến thể của thế giới
màng, trong đó hai màng vũ trụ va chạm, gây ra một vụ nổ lớn, sau đó tách
ra và cuối cùng lại hút nhau trở lại, tạo ra một chuỗi các vũ trụ lặp đi lặp
lại theo thời gian.
- Đa vũ trụ Phong cảnh (Landscape): Lý thuyết dây cho phép khoảng
10⁵⁰⁰
cách cấu hình khả dĩ cho các chiều không gian phụ ("phong cảnh").
Khi kết hợp với lạm phát vĩnh cửu, mỗi cấu hình này được hiện thực hóa
trong một vũ trụ bong bóng khác nhau, giải thích tại sao các hằng số tự
nhiên, như hằng số vũ trụ, có giá trị dường như được tinh chỉnh cho sự sống.
- Đa vũ trụ Lượng tử (Quantum): Dựa trên diễn giải "Đa
Thế giới" của cơ học lượng tử, mỗi phép đo lượng tử không làm sụp đổ
các khả năng thành một kết quả duy nhất. Thay vào đó, tất cả các kết quả
khả dĩ đều xảy ra, mỗi kết quả trong một vũ trụ song song riêng biệt, phân
nhánh.
- Đa vũ trụ Toàn ảnh
(Holographic):
Bắt nguồn từ vật lý lỗ đen, nguyên lý này cho rằng thực tại ba chiều của
chúng ta có thể là một hình chiếu toàn ảnh của các quá trình vật lý diễn
ra trên một bề mặt hai chiều xa xôi.
- Đa vũ trụ Mô phỏng
(Simulated):
Lập luận rằng nếu các nền văn minh tiên tiến có khả năng chạy các mô phỏng
tổ tiên có độ trung thực cao, thì số lượng các thực tại mô phỏng sẽ vượt
xa số lượng thực tại gốc. Do đó, về mặt thống kê, khả năng chúng ta đang sống
trong một mô phỏng là rất cao.
- Đa vũ trụ Tối hậu (Ultimate): Giả thuyết triết học rằng mọi
cấu trúc toán học tự nhất quán đều tương ứng với một thực tại vật lý. Điều
này giải quyết câu hỏi "tại sao lại là những định luật này?" bằng
cách khẳng định rằng tất cả các bộ định luật khả dĩ đều chi phối một vũ trụ
nào đó.
Mặc dù việc quan sát trực tiếp các vũ trụ khác là
cực kỳ khó khăn hoặc bất khả thi, các lý thuyết này không hoàn toàn nằm ngoài
tầm kiểm chứng. Chúng có thể đưa ra các dự đoán gián tiếp có thể kiểm chứng
được, chẳng hạn như các dấu hiệu cụ thể trong bức xạ nền vi sóng vũ trụ, sự tồn
tại của các hạt mới tại Máy Va chạm Hadron Lớn, hoặc các mối tương quan giữa
các hằng số vật lý. Khái niệm đa vũ trụ đại diện cho sự mở rộng cuối cùng của
nguyên lý Copernicus, có khả năng định hình lại sâu sắc sự hiểu biết của con
người về vị trí của mình trong vũ trụ.
Phân
tích Chi tiết về các Lý thuyết Đa vũ trụ
1. Đa vũ trụ Ghép mảnh
- Cơ sở Lý thuyết: Lý thuyết này nảy sinh từ hai
giả định chính: (1) không gian vũ trụ là vô hạn, và (2) trong một thể tích
không gian hữu hạn (chẳng hạn như vùng vũ trụ quan sát được của chúng ta),
chỉ có một số lượng hữu hạn các cách sắp xếp các hạt khả dĩ.
- Mô tả: Trong một không gian vô hạn,
mọi cấu hình hạt khả dĩ trong vùng vũ trụ của chúng ta (chân trời vũ trụ)
chắc chắn sẽ lặp lại ở một nơi nào đó. Điều này có nghĩa là tồn tại vô số
các vùng không gian xa xôi khác giống hệt với vùng của chúng ta, chứa các
bản sao chính xác của Trái Đất, của bạn, và của mọi thứ khác. Các vùng này
tạo thành một "tấm chăn chắp vá" vũ trụ.
- Bằng chứng và Hệ quả:
- Không gian Vô hạn: Thuyết tương đối rộng của
Einstein cho phép không gian có thể hữu hạn hoặc vô hạn. Các quan sát hiện
tại về mật độ vật chất và năng lượng của vũ trụ (bao gồm cả năng lượng tối)
cho thấy vũ trụ gần như phẳng, điều này phù hợp mạnh mẽ với một không
gian vô hạn.
- Cấu hình Hữu hạn: Vật lý lượng tử, thông qua
nguyên lý bất định, đảm bảo rằng có một giới hạn về độ phân giải, do đó số
lượng các trạng thái riêng biệt mà các hạt có thể chiếm trong một thể
tích hữu hạn là hữu hạn, mặc dù con số này cực kỳ lớn.
- Hệ quả: Sự tồn tại của các bản ngã
song trùng (doppelgängers) là một kết luận logic. Các vùng này tiến hóa độc
lập vì chúng nằm ngoài chân trời vũ trụ của nhau, nghĩa là ánh sáng chưa
có đủ thời gian để di chuyển giữa chúng.
2. Đa vũ trụ Lạm phát
- Cơ sở Lý thuyết: Bắt nguồn từ vũ trụ học lạm
phát, một lý thuyết được đề xuất để giải quyết các vấn đề của mô hình Big
Bang tiêu chuẩn, chẳng hạn như tại sao bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB) lại
có nhiệt độ đồng đều đến kinh ngạc trên khắp bầu trời.
- Mô tả: Lạm phát được thúc đẩy bởi một
trường lượng tử gọi là "trường inflaton". Các dao động lượng tử
có thể khiến trường này giảm giá trị ở một số vùng, chấm dứt lạm phát và tạo
ra một "vũ trụ bong bóng" như của chúng ta. Tuy nhiên, ở các
vùng khác, lạm phát có thể tiếp tục vĩnh viễn ("lạm phát vĩnh cửu").
Quá trình này tạo ra vô số vũ trụ bong bóng, mỗi vũ trụ có thể có các đặc
tính vật lý khác nhau một chút.
- Bằng chứng và Hệ quả:
- Bằng chứng cho Lạm phát: Lý thuyết lạm phát đã đưa ra
các dự đoán phù hợp với các quan sát chính xác về CMB, chẳng hạn như các
biến thiên nhiệt độ nhỏ được cho là do các dao động lượng tử bị kéo giãn
trong giai đoạn lạm phát.
- Các Vũ trụ Tách biệt: Các vũ trụ bong bóng bị ngăn
cách bởi các vùng không gian vẫn đang giãn nở siêu nhanh, khiến chúng di
chuyển ra xa nhau nhanh hơn tốc độ ánh sáng và không thể tiếp cận được.
- Kết hợp với Đa vũ trụ Ghép mảnh: Mỗi vũ trụ bong bóng, khi
nhìn từ bên trong, có khả năng là vô hạn về mặt không gian, do đó mỗi
bong bóng sẽ chứa Đa vũ trụ Ghép mảnh của riêng nó.
3. Đa vũ trụ Brane (Màng)
- Cơ sở Lý thuyết: Xuất phát từ những tiến bộ
trong lý thuyết dây, đặc biệt là sự ra đời của Lý thuyết M, cho thấy sự tồn
tại của các vật thể có chiều cao hơn gọi là "màng" (branes) bên
cạnh các dây một chiều.
- Mô tả: Vũ trụ ba chiều của chúng ta
có thể là một "màng ba chiều" (3-brane) tồn tại trong một không
gian có nhiều chiều hơn ("the bulk"). Các màng khác, đại diện
cho các vũ trụ song song khác, có thể đang trôi nổi gần đó trong không
gian nhiều chiều này, giống như những lát bánh mì trong một ổ bánh mì vũ
trụ.
- Bằng chứng và Hệ quả:
- Các lực bị giam cầm: Hầu hết các hạt và lực cơ bản
(như điện từ) được tạo thành từ các "dây hở" có điểm cuối bị
dính chặt vào màng của chúng ta và do đó không thể thoát ra.
- Lực hấp dẫn rò rỉ: Lực hấp dẫn, được tạo thành
từ các "dây kín" không có điểm cuối, có thể di chuyển tự do giữa
các màng. Điều này có thể dẫn đến các hiệu ứng có thể quan sát được.
- Khả năng Kiểm chứng: Nếu các chiều không gian bổ
sung đủ lớn, các thí nghiệm tại Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) có thể phát
hiện bằng chứng về chúng, chẳng hạn như sự biến mất năng lượng vào các
chiều không gian đó hoặc việc tạo ra các lỗ đen nhỏ.
4. Đa vũ trụ Tuần hoàn
- Cơ sở Lý thuyết: Một kịch bản phát sinh từ Đa
vũ trụ Brane.
- Mô tả: Hai vũ trụ màng song song có
thể hút nhau, va chạm, và sau đó bật ra. Vụ va chạm sẽ tạo ra một môi trường
nóng, đặc, tương tự như Vụ Nổ Lớn, khởi đầu một chu kỳ tiến hóa vũ trụ mới
trên mỗi màng. Lực hấp dẫn cuối cùng sẽ kéo chúng lại với nhau để va chạm
một lần nữa. Quá trình này lặp đi lặp lại, tạo ra một chuỗi các vũ trụ
song song theo thời gian, với mỗi chu kỳ kéo dài khoảng một nghìn tỷ năm.
- Bằng chứng và Hệ quả:
- Giải pháp cho Sự khởi đầu: Mô hình này tránh được câu hỏi
về sự khởi đầu cuối cùng của thời gian bằng cách đề xuất một chuỗi các
chu kỳ vô tận.
- Dự đoán có thể Kiểm chứng: Không giống như nhiều mô
hình lạm phát, vũ trụ học tuần hoàn dự đoán rằng không có sóng hấp dẫn
nguyên thủy nào được tạo ra trong vũ trụ sơ khai. Việc không phát hiện được
những sóng hấp dẫn này trong CMB sẽ là bằng chứng ủng hộ mạnh mẽ cho mô
hình tuần hoàn.
5. Đa vũ trụ Phong cảnh
- Cơ sở Lý thuyết: Sự kết hợp giữa lý thuyết dây
và vũ trụ học lạm phát.
- Mô tả: Lý thuyết dây dự đoán rằng
các chiều không gian bổ sung phải cuộn lại thành các hình dạng phức tạp gọi
là không gian Calabi-Yau. Khi tính đến các "thông lượng"
(fluxes) từ trường có thể xuyên qua các hình dạng này, số lượng các cấu
hình ổn định khả dĩ là rất lớn, có thể lên tới 10⁵⁰⁰. Mỗi cấu hình này tương ứng với
một "thung lũng" trong một "phong cảnh" năng lượng, và
mỗi thung lũng có một bộ định luật vật lý hiệu dụng và hằng số tự nhiên
riêng. Lạm phát vĩnh cửu tạo ra các vũ trụ bong bóng, và hiệu ứng đường hầm
lượng tử cho phép các bong bóng này "an cư" trong các thung lũng
khác nhau của phong cảnh, do đó hiện thực hóa tất cả các khả năng.
- Bằng chứng và Hệ quả:
- Giải thích Hằng số Vũ trụ: Đa vũ trụ này cung cấp một lời
giải thích nhân học cho giá trị nhỏ bé, khác không của hằng số vũ trụ.
Trong số 10⁵⁰⁰ vũ trụ, sẽ có một số vũ trụ có giá trị phù hợp
cho sự hình thành của các thiên hà và sự sống. Chúng ta quan sát giá trị
này đơn giản vì chúng ta không thể tồn tại trong những vũ trụ có giá trị
khác.
- Thay đổi Bản chất Giải thích: Thay vì tìm kiếm một lý thuyết
duy nhất dự đoán các hằng số của tự nhiên, cách tiếp cận này cho thấy các
hằng số này có thể là các biến số môi trường thay đổi từ vũ trụ này sang
vũ trụ khác.
6. Đa vũ trụ Lượng tử
- Cơ sở Lý thuyết: Dựa trên Diễn giải Đa Thế giới
của cơ học lượng tử, được Hugh Everett đề xuất để giải quyết "vấn đề
đo lường".
- Mô tả: Thay vì sóng xác suất "sụp
đổ" thành một kết quả duy nhất khi đo lường, lý thuyết này cho rằng tất
cả các kết quả khả dĩ đều xảy ra. Mỗi kết quả được hiện thực hóa trong một
vũ trụ riêng biệt. Vũ trụ và nhà quan sát "phân nhánh" thành nhiều
bản sao, mỗi bản sao trải nghiệm một kết quả duy nhất.
- Bằng chứng và Hệ quả:
- Tính đơn giản Toán học: Cách tiếp cận này loại bỏ
nhu cầu về cơ chế sụp đổ sóng ad-hoc, cho rằng phương trình Schrödinger
luôn có hiệu lực.
- Mất kết hợp (Decoherence): Quá trình tương tác với môi
trường giải thích tại sao các thế giới song song này không giao thoa với
nhau và tại sao chúng ta chỉ nhận thức được một thực tại duy nhất.
- Vấn đề Xác suất: Một thách thức lớn đối với
lý thuyết này là làm thế nào để khôi phục các dự đoán xác suất của cơ học
lượng tử tiêu chuẩn khi tất cả các kết quả đều được cho là xảy ra.
7. Đa vũ trụ Toàn ảnh
- Cơ sở Lý thuyết: Bắt nguồn từ các nghiên cứu về
nhiệt động lực học lỗ đen và nguyên lý toàn ảnh.
- Mô tả: Lượng thông tin tối đa có thể
chứa trong một vùng không gian được xác định bởi diện tích bề mặt của nó,
không phải thể tích. Điều này cho thấy rằng thực tại ba chiều mà chúng ta
trải nghiệm có thể là một hình chiếu toàn ảnh của các quá trình vật lý diễn
ra trên một bề mặt ranh giới hai chiều ở xa. Vũ trụ "khối"
(bulk) và vũ trụ "ranh giới" (boundary) là hai mô tả song song,
tương đương của cùng một thực tại.
- Bằng chứng và Hệ quả:
- Tương ứng AdS/CFT: Juan Maldacena đã cung cấp một
ví dụ toán học cụ thể trong lý thuyết dây, cho thấy sự tương đương giữa một
lý thuyết hấp dẫn trong một không gian (khối) và một lý thuyết trường lượng
tử phi hấp dẫn trên ranh giới của nó.
- Công cụ Tính toán: Sự tương đương này đã trở
thành một công cụ mạnh mẽ, cho phép các nhà vật lý giải quyết các vấn đề
khó trong một lý thuyết bằng cách chuyển chúng thành các vấn đề dễ hơn
trong lý thuyết đối ngẫu. Nó đã được áp dụng để nghiên cứu các hiện tượng
trong thế giới thực như plasma quark-gluon.
8. Đa vũ trụ Mô phỏng
- Cơ sở Lý thuyết: Bắt nguồn từ các cân nhắc triết
học và khoa học máy tính, đặc biệt là lập luận của Nick Bostrom.
- Mô tả: Nếu một nền văn minh có thể đạt
đến trình độ công nghệ để chạy các "mô phỏng tổ tiên" có ý thức,
họ có khả năng sẽ chạy rất nhiều mô phỏng như vậy. Trong trường hợp đó, số
lượng các sinh vật có ý thức được mô phỏng sẽ lớn hơn rất nhiều so với số
lượng sinh vật "thực" trong vũ trụ gốc. Do đó, chỉ dựa trên thống
kê, khả năng chúng ta là một trong những sinh vật được mô phỏng là rất
cao.
- Bằng chứng và Hệ quả:
- Khả năng Tính toán: Lập luận này phụ thuộc vào
giả định rằng ý thức là một quá trình xử lý thông tin và có thể được mô
phỏng.
- Dấu hiệu trong Vật lý: Nếu chúng ta đang ở trong một
mô phỏng, có thể có những "lỗi" hoặc "trục trặc"
trong các định luật vật lý của chúng ta, chẳng hạn như sự rời rạc hóa
không-thời gian ở một quy mô nào đó hoặc những mâu thuẫn trong các định
luật ở các thang đo khác nhau.
9. Đa vũ trụ Tối hậu
- Cơ sở Lý thuyết: Một giả thuyết triết học được
thúc đẩy bởi câu hỏi tại sao vũ trụ lại tuân theo một bộ định luật toán học
cụ thể.
- Mô tả: Nguyên lý này cho rằng mọi cấu
trúc toán học tự nhất quán đều mô tả một vũ trụ thực. Vũ trụ của chúng ta,
với các định luật vật lý của nó, chỉ là một cấu trúc toán học trong số vô
số các cấu trúc khác, tất cả đều có sự tồn tại vật lý.
- Bằng chứng và Hệ quả:
- Giải quyết Câu hỏi "Tại
sao?":
Nó giải quyết câu hỏi "Tại sao lại là những định luật này?" bằng
cách loại bỏ nó; không có bộ định luật nào được ưu tiên. Tất cả các bộ định
luật khả dĩ đều tồn tại.
- Không thể Bác bỏ: Ở dạng đầy đủ nhất, lý thuyết
này không thể bị bác bỏ vì bất kỳ quan sát nào cũng sẽ tương thích với một
cấu trúc toán học nào đó, và do đó, tương thích với lý thuyết.
- Mối liên hệ với Mô phỏng: Một phiên bản thu nhỏ của đa
vũ trụ này, chỉ bao gồm các vũ trụ có thể tính toán được bằng máy tính,
có thể được tạo ra bởi một Đa vũ trụ Mô phỏng, trong đó các người dùng
khác nhau lập trình các mô phỏng với các bộ luật toán học khác nhau.
Tính
khoa học và Khả năng Kiểm chứng của các Lý thuyết Đa vũ trụ
Một lời chỉ trích trung tâm đối với các lý thuyết
đa vũ trụ là chúng không khoa học vì chúng không thể kiểm chứng hoặc bác bỏ.
Tuy nhiên, tình hình phức tạp hơn.
- Các Dấu hiệu Gián tiếp: Mặc dù không thể đến thăm các
vũ trụ khác, lý thuyết nền tảng tạo ra đa vũ trụ có thể đưa ra các dự đoán
có thể kiểm chứng trong vũ trụ của chúng ta. Ví dụ:
- Đa vũ trụ Lạm phát: Có thể để lại dấu vết của
các vụ va chạm bong bóng trong CMB.
- Đa vũ trụ Brane: Có thể dẫn đến việc phát hiện
các chiều không gian bổ sung hoặc các hạt siêu đối xứng tại LHC.
- Đa vũ trụ Tuần hoàn: Dự đoán sự vắng mặt của sóng
hấp dẫn nguyên thủy.
- Các Đặc điểm Chung và Tương
quan: Một lý
thuyết đa vũ trụ có thể dự đoán rằng tất cả các vũ trụ thành viên phải có
chung một số đặc điểm nhất định, hoặc có mối tương quan giữa các đặc tính
(ví dụ: tất cả các vũ trụ có electron cũng phải có hạt X). Việc không tìm
thấy những đặc điểm hoặc mối tương quan này trong vũ trụ của chúng ta sẽ
bác bỏ lý thuyết.
- Lý luận Thống kê và Nhân học: Trong các đa vũ trụ như Phong
cảnh, nơi các hằng số vật lý thay đổi, các nhà khoa học có thể đưa ra các
dự đoán thống kê. Bằng cách tính toán sự phân bố các giá trị cho một hằng
số trên các vũ trụ có khả năng hỗ trợ sự sống, họ có thể dự đoán giá trị
mà một nhà quan sát "điển hình" nên đo được. Sự phù hợp giữa dự
đoán này và giá trị quan sát được (như trong trường hợp hằng số vũ trụ)
cung cấp bằng chứng gián tiếp cho lý thuyết.
- Thách thức: Các phương pháp này đối mặt với
những thách thức đáng kể, chẳng hạn như "bài toán đo lường"
trong vũ trụ học (làm thế nào để so sánh các tập hợp vô hạn các vũ trụ) và
sự mơ hồ trong việc định nghĩa một nhà quan sát "điển hình".
Cuối cùng, các lý thuyết đa vũ trụ, mặc dù mang
tính suy đoán cao, không nhất thiết nằm ngoài phạm vi khoa học. Chúng nảy sinh
từ những nỗ lực nghiêm túc nhằm mở rộng các giới hạn của kiến thức và, trong
nhiều trường hợp, có thể bị đánh giá, dù là gián tiếp, thông qua quan sát và
thực nghiệm trong chính vũ trụ của chúng ta.
1. Làm thế nào các mô hình đa vũ trụ khác nhau
thách thức, hoặc củng cố, nhận thức của chúng ta về thực tại?
Các mô hình đa vũ trụ khác nhau có tác động sâu sắc đến nhận
thức của chúng ta về thực tại, vừa thách thức những giả định phổ biến đã có từ
lâu, vừa củng cố sự hiểu biết của chúng ta về các định luật vật lý bằng cách
cung cấp các khung giải thích mới.
Nhận thức chung về Thực tại:
Ban đầu, các nghiên cứu vật lý và toán học đã chỉ ra rằng
kinh nghiệm thông thường là lừa dối khi tiết lộ bản chất thực sự của thực tại.
Những khám phá này đã đòi hỏi những thay đổi sâu rộng trong bức tranh vũ trụ
của chúng ta. Khả năng tồn tại các vũ trụ song song thách thức quy ước rằng thứ
mà chúng ta vẫn nghĩ là vũ trụ thực chất chỉ là một phần của một thực tại lớn
hơn nhiều, có lẽ còn xa lạ hơn nhiều, và phần lớn bị che giấu. Nếu những hiểu
biết này được chứng minh là chính xác, chúng sẽ là một trong những hiểu biết
sâu sắc nhất của vật lý hiện đại.
Các mô hình đa vũ trụ cụ thể thách thức hoặc củng cố nhận
thức của chúng ta về thực tại như sau:
_____
Hiểu về Đa vũ trụ: Hướng dẫn dành cho Người mới
bắt đầu
Giới thiệu: Những thế giới trong Gương
Nếu khi tôi còn nhỏ, căn phòng của tôi chỉ được
trang trí bằng một tấm gương duy nhất, thì những giấc mơ thời thơ ấu của tôi có
thể đã rất khác. Nhưng nó có đến hai. Và mỗi sáng khi tôi mở tủ lấy quần áo,
chiếc tủ gắn trên cửa tủ lại thẳng hàng với chiếc tủ trên tường, tạo nên một
chuỗi phản chiếu dường như vô tận. Thật mê hoặc. Tôi thích thú khi nhìn thấy
từng hình ảnh hiện lên trên những mặt phẳng kính song song, trải dài về phía
sau đến tận cùng tầm mắt. Đôi khi tôi tưởng tượng ra một bản thân bất kính ở
cuối dòng, người không chịu rơi vào đúng vị trí, phá vỡ sự tiến triển đều đặn
và bước vào một thế giới song song.
Trong vật lý, ý tưởng về các thế giới song song
được gói gọn trong thuật ngữ "đa vũ trụ"—một khái niệm bao hàm
không chỉ vũ trụ của chúng ta mà còn cả một dải quang phổ các vũ trụ khác có
thể tồn tại ngoài kia. Khái niệm này linh hoạt hơn là được định nghĩa một cách
cứng nhắc. Giống như cách Thẩm phán Potter Stewart của Tòa án Tối cao Hoa Kỳ
định nghĩa nội dung khiêu dâm, "Tôi biết nó khi tôi nhìn thấy nó,"
các nhà vật lý thường có một sự hiểu biết trực quan về các loại đa vũ trụ khác
nhau.
Mục tiêu của tài liệu này là giải thích năm loại
đa vũ trụ hấp dẫn nhất được đề xuất bởi vật lý hiện đại, sử dụng ngôn ngữ đơn
giản và các phép loại suy rõ ràng để làm cho những ý tưởng phức tạp này trở nên
dễ tiếp cận.
1. Đa vũ trụ Ghép mảnh: Những bản sao Vô tận trong
một Không gian Vô tận
Mọi chuyện bắt đầu bằng một câu hỏi nền tảng:
"Điều gì sẽ xảy ra nếu không gian kéo dài vô tận?" Logic dẫn đến Đa
vũ trụ Ghép mảnh rất đơn giản và có thể được minh họa bằng một vài ví dụ đời
thường:
- Trang
phục của Imelda: Hãy tưởng tượng một người có 500 chiếc váy và 1.000
đôi giày, tạo ra 500.000 cách kết hợp trang phục khác nhau. Nếu người này
sống đủ lâu (khoảng 1.400 năm), cô ấy chắc chắn sẽ phải mặc lại một bộ
trang phục đã mặc trước đó. Với tuổi thọ vô hạn, mỗi bộ trang phục sẽ được
mặc lại vô số lần.
- Những
bộ bài của Randy: Hãy tưởng tượng một người xáo trộn vô số bộ bài. Vì
chỉ có một số lượng hữu hạn các cách sắp xếp 52 lá bài, nên chắc chắn các
thứ tự lá bài sẽ lặp lại. Với vô số bộ bài, mỗi thứ tự có thể có sẽ lặp lại
vô số lần.
Giờ hãy áp dụng logic táo bạo này cho toàn bộ vũ
trụ. Trong một vùng không gian hữu hạn—chẳng hạn như vũ trụ quan sát được của
chúng ta (chân trời vũ trụ của chúng ta)—các hạt chỉ có thể được sắp xếp theo
một số lượng hữu hạn các cách khác nhau. Nhưng tại sao lại là hữu hạn? Vật lý
cổ điển sẽ cho rằng có vô số khả năng. Nhưng cơ học lượng tử, lý thuyết chi
phối thế giới vi mô, lại nói khác.
Hãy tưởng tượng bạn đang cố gắng xác định vị trí
và tốc độ của một con ruồi trong phòng ngủ. Trực giác mách bảo bạn rằng có vô
số vị trí và tốc độ khả dĩ. Nhưng con ruồi có thể phản bác rằng những khác biệt
nhỏ đến mức không thể nhận biết được—chẳng hạn như di chuyển một phần tỷ
cm—thực ra không phải là những khả năng khác nhau. Cơ học lượng tử nâng trực
giác của con ruồi lên thành một nguyên lý cơ bản của vũ trụ. Nó áp đặt một độ
phân giải tối thiểu cho thực tại; những thay đổi về vị trí hoặc tốc độ nhỏ đến
mức không thể đo lường được, ngay cả về nguyên tắc, thì hoàn toàn không phải là
thay đổi. Giới hạn độ phân giải này làm giảm số lượng khả năng từ vô hạn xuống
hữu hạn.
Từ đây, ta có được một cái nhìn sâu sắc đáng kinh
ngạc: Nếu không gian là vô hạn, thì phải có vô số các "mảng" khác
giống như của chúng ta. Giống như trang phục của Imelda hay những bộ bài
của Randy, với một số lượng cấu hình hạt hữu hạn và một không gian vô hạn để
chúng tồn tại, sự lặp lại là không thể tránh khỏi. Điều này có nghĩa là ở một
nơi nào đó ngoài kia, có một mảng không gian giống hệt của chúng ta, chứa một
bản sao chính xác của bạn đang đọc câu này. Và trong một không gian vô hạn,
điều này xảy ra vô số lần.
Trong khi Đa vũ trụ Ghép mảnh phụ thuộc vào không
gian vô hạn, một lý thuyết vũ trụ học hàng đầu khác không chỉ cung cấp lý do
mạnh mẽ để tin rằng không gian thực sự là vô hạn mà còn giới thiệu một loại đa
vũ trụ hoàn toàn mới.
2. Đa vũ trụ Lạm phát: Bong bóng trong Bồn tắm
Vũ trụ
Vũ trụ học lạm phát là một phần mở rộng của lý
thuyết Vụ Nổ Lớn, được phát triển để giải quyết một câu đố lớn: tại sao vũ trụ
lại đồng nhất một cách đáng kinh ngạc ở quy mô lớn nhất? Bức xạ nền vi sóng vũ
trụ—tàn dư của sự sáng tạo—có cùng nhiệt độ ở mọi nơi chúng ta nhìn, điều này
thật khó giải thích trong mô hình Vụ Nổ Lớn tiêu chuẩn.
Lý thuyết lạm phát đề xuất rằng trong những
khoảnh khắc đầu tiên sau Vụ Nổ Lớn, một trường lượng tử gọi là "trường
inflaton" đã tạo ra một lực "hấp dẫn đẩy" khổng lồ.
Lực này bắt nguồn từ một đặc tính kỳ lạ của thuyết tương đối rộng: trong khi
khối lượng dương luôn tạo ra lực hấp dẫn hút, áp suất có thể là âm (giống như
lực căng trong một sợi dây cao su bị kéo căng) và áp suất âm tạo ra lực hấp dẫn
đẩy. Lực này gây ra một giai đoạn giãn nở siêu nhanh, kéo dài vũ trụ ra một hệ
số khổng lồ trong một phần nhỏ của một giây, làm phẳng mọi sự không đồng đều
ban đầu.
Một hệ quả sâu sắc của lý thuyết này là quá trình
lạm phát có thể không phải là một sự kiện chỉ xảy ra một lần. Nó có thể là vĩnh
cửu. Chúng ta có thể hình dung điều này bằng phép loại suy "phô mai Thụy
Sĩ":
- Khối
phô mai: Đây là không gian vũ trụ rộng lớn hơn, nơi quá trình lạm phát
vẫn đang tiếp diễn không ngừng, giãn nở với tốc độ chóng mặt.
- Các
lỗ hổng: Thỉnh thoảng, ở những vị trí ngẫu nhiên, lạm phát dừng lại.
Những vùng này trở thành các "vũ trụ bong bóng"—giống như
vũ trụ của chúng ta—nơi năng lượng của trường inflaton chuyển hóa thành vật
chất và bức xạ, cho phép các ngôi sao và thiên hà hình thành.
Cái nhìn sâu sắc cốt lõi ở đây là vũ trụ của
chúng ta không phải là duy nhất. Nó chỉ là một bong bóng trong một "bồn
tắm" vũ trụ rộng lớn hơn, nơi vô số vũ trụ bong bóng khác liên tục hình
thành. Mỗi bong bóng này bị tách biệt với những bong bóng khác bởi không gian
đang lạm phát, khiến chúng không thể tiếp cận được với nhau.
Đáng chú ý, lý thuyết này kết nối lại một cách
ngoạn mục với phần trước. Giống như câu nói nổi tiếng của Hamlet, "Ta có
thể bị giới hạn trong một vỏ hạt dẻ, và tự coi mình là vua của không gian vô
tận," mỗi vũ trụ bong bóng dường như có phạm vi không gian hữu hạn khi
nhìn từ bên ngoài, nhưng lại có phạm vi không gian vô hạn khi nhìn từ bên trong.
Và một không gian vô hạn, như chúng ta đã biết, nhất thiết phải chứa Đa vũ trụ
Ghép mảnh của riêng nó. Do đó, lạm phát vĩnh cửu cung cấp cơ chế để tạo ra các
vũ trụ bong bóng, mỗi vũ trụ lại chứa đựng vô số bản sao của chính nó.
Trong khi lạm phát sửa đổi lý thuyết Vụ Nổ Lớn,
một lý thuyết khác—lý thuyết dây—cố gắng thống nhất tất cả các định luật vật lý
và cũng dẫn đến các loại đa vũ trụ mới.
3. Đa vũ trụ Màng và Tuần hoàn: Những lát cắt của
Thực tại
Lý thuyết dây đề xuất rằng các thành phần cơ bản
của tự nhiên không phải là các hạt điểm mà là các "sợi dây"
dao động cực nhỏ. Các kiểu dao động khác nhau của những sợi dây này tạo ra các
hạt khác nhau mà chúng ta quan sát được (electron, quark, photon, v.v.).
Toán học của lý thuyết dây đòi hỏi vũ trụ phải có
các chiều không gian bổ sung ngoài ba chiều mà chúng ta trải nghiệm. Để hình
dung điều này, hãy sử dụng phép loại suy Kaluza-Klein: hãy tưởng tượng một cọng
rơm rất mỏng nhìn từ xa. Nó trông giống như một đường thẳng một chiều. Nhưng
khi nhìn gần, bạn sẽ thấy nó có chiều thứ hai: một vòng tròn nhỏ. Tương tự, các
chiều không gian bổ sung của lý thuyết dây có thể được cuộn lại thành những
hình dạng nhỏ bé đến mức chúng ta không thể phát hiện được.
Lý thuyết dây cũng dự đoán sự tồn tại của các bề
mặt đa chiều hơn gọi là "màng" (brane). Vũ trụ của chúng ta có
thể nằm trên một trong những màng này, dẫn đến hai loại đa vũ trụ mới.
|
Đặc điểm |
Đa vũ trụ Màng |
Đa vũ trụ Tuần hoàn |
|
Ý tưởng Cốt lõi |
Vũ trụ của chúng ta là một "màng" 3
chiều (một lát bánh mì) trôi nổi trong một không gian nhiều chiều hơn, được
gọi là "ổ bánh mì" vũ trụ. Các vũ trụ song song là các màng khác
trôi nổi gần đó, tạo thành những lát cắt khác trong cùng ổ bánh mì. |
Các vũ trụ song song tồn tại theo thời gian,
không phải không gian. Vũ trụ của chúng ta nằm trên một màng va chạm định kỳ
với một màng khác, gây ra một vụ nổ lớn. Giống như hai bàn tay khổng lồ vỗ
vào nhau, chúng va chạm, tách ra, rồi lại bị hút lại với nhau, lặp lại chu
kỳ. |
|
Cách chúng ta bị ẩn giấu |
Các hạt và lực thông thường (như ánh sáng) phát
sinh từ các sợi dây hở, có các đầu bị mắc kẹt trên màng của chúng ta.
Lực hấp dẫn, mặt khác, được truyền bởi các sợi dây kín (vòng lặp) có
thể tự do di chuyển giữa các màng. Điều này giải thích tại sao chúng ta không
thể nhìn thấy các màng khác nhưng vẫn có thể cảm nhận được lực hấp dẫn của
chúng. |
Các vũ trụ "song song" là các chu kỳ
quá khứ hoặc tương lai của vũ trụ chúng ta. Mỗi chu kỳ kéo dài hàng nghìn tỷ
năm, vì vậy chúng bị ngăn cách bởi những khoảng thời gian khổng lồ. |
Sự
kết hợp giữa lý thuyết dây và vũ trụ học lạm phát dẫn đến một loại đa vũ trụ có
lẽ là toàn diện nhất, giải quyết một trong những bí ẩn lớn nhất của vật lý.
4. Đa vũ trụ Cảnh quan: Một Vũ trụ cho Mọi Khả
năng
Một trong những câu đố lớn nhất trong vật lý học
là bài toán hằng số vũ trụ học. Các quan sát cho thấy không gian trống
có một lượng nhỏ năng lượng đẩy, khiến sự giãn nở của vũ trụ tăng tốc. Giá trị
này nhỏ đến mức khó tin (~10^-123
trong các đơn vị Planck)—đủ nhỏ để cho phép các thiên hà hình thành. Tuy nhiên,
các tính toán lý thuyết dự đoán một con số lớn hơn rất nhiều. Tại sao giá trị
này lại được tinh chỉnh một cách hoàn hảo như vậy?
Lý thuyết dây, kết hợp với lạm phát, cung cấp một
lời giải thích tiềm năng:
- Cảnh
quan Lý thuyết Dây: Các chiều không gian bổ sung trong lý thuyết dây
có thể được cuộn lại thành vô số hình dạng khả dĩ khác nhau. Khi tính đến
các trường gọi là "thông lượng" (fluxes) thấm qua các hình dạng
này, số lượng cấu hình khả dĩ lên tới một con số khổng lồ: khoảng
10^500. Ban đầu, con số khổng lồ này được coi là một thất bại tai hại, làm mất đi sức mạnh dự đoán của lý thuyết. Tuy nhiên, sau đó nó được nhìn nhận lại như một đặc điểm thiết yếu. Mỗi cấu hình này tương ứng với một vũ trụ khả dĩ với các định luật vật lý và các hằng số khác nhau. Tập hợp tất cả các khả năng này được gọi là "cảnh quan" của lý thuyết dây. - Lạm
phát Vĩnh cửu: Đa vũ trụ Lạm phát cung cấp cơ chế để tạo ra các vũ trụ
bong bóng. Khi các bong bóng mới hình thành, chúng có thể hiện thực hóa mọi
cấu hình khác nhau trong cảnh quan lý thuyết dây.
- Nguyên
lý Nhân chủng: Điều này dẫn đến một nguyên lý chọn lọc gọi là nguyên
lý nhân chủng. Để hiểu điều này, hãy xem xét một câu hỏi tương tự: tại
sao Trái Đất lại cách Mặt Trời đúng 93 triệu dặm? Sẽ là vô ích nếu tìm kiếm
một định luật vật lý cơ bản giải thích con số đó. Lời giải thích thực sự
là một hiệu ứng chọn lọc: chúng ta sống trên một hành tinh có điều kiện
phù hợp cho sự sống, và khoảng cách đó là một phần của những điều kiện đó.
Tương tự, chúng ta quan sát thấy một hằng số vũ trụ học nhỏ đơn giản vì
chúng ta không thể tồn tại trong một vũ trụ có giá trị lớn hơn nhiều—nó sẽ
xé toạc các thiên hà trước khi chúng có thể hình thành. Trong số
10^500vũ trụ khả dĩ, chúng ta chỉ có thể sống trong một vũ trụ phù hợp với sự tồn tại của mình.
Sau khi đã khám phá một số lý thuyết đáng kinh
ngạc, hãy tóm tắt và so sánh chúng.
5. Kết luận: Bản đồ các Đa vũ trụ
Các lý thuyết đa vũ trụ khác nhau nảy sinh từ các
nhánh khác nhau của vật lý, mỗi lý thuyết đều đưa ra một viễn cảnh độc đáo về
thực tại. Bảng dưới đây tóm tắt năm ý tưởng mà chúng ta đã thảo luận.
|
Tên Đa vũ trụ |
Ý tưởng Cốt lõi |
Phép loại suy Chính |
|
Đa vũ trụ Ghép mảnh |
Trong một không gian vô hạn, mọi cấu hình hạt có thể có đều lặp lại vô số
lần. |
Những bộ bài được xáo trộn vô hạn |
|
Đa vũ trụ Lạm phát |
Lạm phát vĩnh cửu tạo ra vô số "vũ trụ bong bóng", mỗi vũ trụ là
một vùng nơi sự giãn nở siêu nhanh đã dừng lại. |
Các lỗ hổng trong một khối phô mai Thụy Sĩ |
|
Đa vũ trụ Màng |
Vũ trụ của chúng ta là một "màng" 3 chiều trôi nổi trong một
không gian nhiều chiều hơn, bên cạnh các màng vũ trụ khác. |
Những lát bánh mì trong một ổ bánh mì vũ trụ |
|
Đa vũ trụ Tuần hoàn |
Vũ trụ của chúng ta trải qua các chu kỳ sinh và tử vô tận, được gây ra bởi
các vụ va chạm định kỳ giữa hai màng. |
Hai bàn tay vỗ vào nhau lặp đi lặp lại |
|
Đa vũ trụ Cảnh quan |
Lạm phát tạo ra các vũ trụ bong bóng hiện thực hóa mọi môi trường vật lý
khả dĩ được cho phép bởi lý thuyết dây. |
Một vũ trụ cho mỗi đỉnh và thung lũng trong một địa hình rộng lớn |
Những
lý thuyết này, mặc dù mang tính suy đoán cao, không phải là những câu chuyện
viễn tưởng. Chúng nảy sinh một cách tự nhiên từ những nỗ lực nghiêm túc
của các nhà khoa học nhằm hiểu rõ các định luật cơ bản của vũ trụ của chúng
ta—từ thuyết tương đối rộng, cơ học lượng tử, vũ trụ học lạm phát và lý thuyết
dây.
Cuối cùng, khái niệm đa vũ trụ có thể đại diện
cho sự điều chỉnh cuối cùng của Copernicus đối với vị thế của chúng ta trong vũ
trụ. Cuộc cách mạng Copernicus đã dạy chúng ta rằng hành tinh của chúng ta
không đặc biệt, ngôi sao của chúng ta không đặc biệt, và thiên hà của chúng ta
cũng không đặc biệt. Đa vũ trụ gợi ý rằng có lẽ ngay cả vũ trụ của chúng ta
cũng không đặc biệt—nó có thể chỉ là một trong vô số vũ trụ khác trong một thực
tại rộng lớn hơn nhiều so với những gì chúng ta từng tưởng tượng.
1. Thách
thức về sự Độc nhất và Tính duy nhất
Đa vũ trụ Khâu vá (Quilted Multiverse):
- Thách thức nhận thức:
Mô hình này, xuất phát từ giả định không gian là vô hạn, thách thức niềm
tin vào tính duy nhất của chúng ta. Nó kết luận rằng có vô số bản sao
hoàn hảo của bạn, của tôi và mọi thứ khác tồn tại trong những cõi xa
xôi.
- Hàm ý về sự tồn tại:
Mọi hành động có thể xảy ra, mọi lựa chọn bạn đã thực hiện và mọi lựa chọn
bạn đã loại bỏ, đều được diễn ra theo cách này hay cách khác trong vô số
vũ trụ khác. Không có cách nào để xác định đâu là bản sao "thực"
của bạn.
Đa vũ trụ Lượng tử (Quantum Multiverse/Many Worlds):
- Thách thức về tính xác định: Mô hình này (cách tiếp cận Nhiều Thế giới đối với cơ
học lượng tử) thách thức quan niệm quen thuộc rằng bất kỳ thí nghiệm nào
cũng chỉ có một kết quả duy nhất. Thay vào đó, nó gợi ý rằng tất cả các
kết quả khả dĩ đều xảy ra, mỗi kết quả đều tồn tại trong một vũ trụ
riêng biệt.
- Thách thức về Xác suất: Mô hình này đặt ra một vấn đề triết học lớn: Làm thế
nào chúng ta có thể nói rằng một kết quả là có khả năng xảy ra và những
kết quả khác là không có khả năng xảy ra khi tất cả chúng đều thực sự xảy
ra trong các thế giới song song?. Nhận thức của chúng ta về một thực tại
xác định duy nhất bị thách thức.
- Củng cố Lý thuyết:
Paradoxically, cách tiếp cận Đa Thế giới được coi là khuôn khổ bảo thủ
nhất của cơ học lượng tử vì nó tuân thủ nghiêm ngặt phương trình
Schrödinger mà không cần viện dẫn đến sự "sụp đổ sóng" tùy ý của
quan sát viên (như trong cách diễn giải Copenhagen).
Đa vũ trụ Mô phỏng (Simulated Multiverse):
- Thách thức về Bản chất Thực tại: Mô hình này thách thức niềm tin cơ bản của chúng ta
rằng thực tại của chúng ta là "thực" (xương thịt, máu thịt). Nó
ngụ ý rằng bạn, tôi và mọi người khác có khả năng rất cao là đang sống
trong một mô phỏng máy tính được tạo ra bởi một nền văn minh tiên tiến
hơn.
- Suy giảm niềm tin:
Kết luận này làm suy yếu sự tin tưởng của chúng ta vào mọi thứ, bao gồm cả
tính bền vững của môi trường xung quanh và các định luật vật lý mà chúng
ta đo lường (vì người điều hành mô phỏng có thể rút phích cắm).
2. Thách
thức về Cấu trúc và Phạm vi Vũ trụ
Đa vũ trụ Lạm phát (Inflationary Multiverse):
- Thay đổi bức tranh vũ trụ: Sự giãn nở lạm phát vĩnh cửu tạo ra một tập hợp khổng
lồ các vũ trụ bong bóng, làm thay đổi hoàn toàn diện mạo của thực tại.
- Thách thức về sự tiếp cận: Các vũ trụ bong bóng này bị ngăn cách rõ rệt và bị đẩy
ra xa nhau với tốc độ lớn hơn tốc độ ánh sáng, khiến chúng không thể
tiếp cận được (ngay cả việc gửi tín hiệu cũng không thể).
- Nhận thức về Vị trí:
Nó gợi ý rằng vũ trụ của chúng ta có thể là một ốc đảo giữa một
quần đảo vũ trụ rộng lớn nhưng phần lớn là khắc nghiệt, vì các vũ trụ khác
có thể có các đặc điểm vật lý khác biệt đáng kể, không tương thích với sự
sống.
Đa vũ trụ Màng (Brane Multiverse):
- Thách thức về Chiều không gian: Mô hình này, xuất phát từ lý thuyết dây, cho thấy
những gì chúng ta nghĩ là toàn bộ vũ trụ chỉ là một màng ba chiều
(three-brane) trôi nổi trong một không gian có nhiều chiều hơn.
- Nhận thức về Sự giam cầm: Chúng ta bị giam cầm vĩnh viễn trên màng của mình; các
điểm cuối của các mảnh vụn chuỗi tạo nên chúng ta neo chúng ta vào màng,
khiến chúng ta không thể mạo hiểm ra ngoài để khám phá vũ trụ rộng lớn
hơn.
Đa vũ trụ Toàn ảnh (Holographic Multiverse):
- Thách thức về Hình học Thực tại: Khái niệm này đề xuất rằng mọi thứ chúng ta trải
nghiệm trong ba chiều không gian chỉ là hình chiếu toàn ảnh của các
quá trình vật lý diễn ra trên một bề mặt ranh giới xa xôi (có ít chiều
hơn).
- Tăng cường sự ràng buộc: Vũ trụ song song toàn ảnh được liên kết chặt chẽ đến
mức sự tiến hóa của chúng kết nối với nhau. Trong một bối cảnh toán học cụ
thể, điều này củng cố nhận thức rằng lý thuyết dây và lý thuyết trường
lượng tử là những cách tiếp cận tương đương được diễn đạt bằng các ngôn
ngữ khác nhau—hai mặt của cùng một đồng xu.
3. Thách
thức và Củng cố Nguyên tắc Giải thích Khoa học
Đa vũ trụ Cảnh quan (Landscape Multiverse):
- Thách thức về các Hằng số: Mô hình này, xuất phát từ lý thuyết dây và lạm phát,
thách thức mục tiêu khoa học lâu đời là tính toán và giải thích tại sao
các hằng số tự nhiên (như khối lượng electron hoặc hằng số vũ trụ học) lại
có giá trị cụ thể của chúng. Nó cho rằng những đặc điểm này thay đổi
tùy theo từng vũ trụ.
- Củng cố Giải thích (Nhân học): Mặc dù không thể giải thích các hằng số từ các định
luật cơ bản, mô hình này lại cung cấp sức mạnh giải thích đáng kể
bằng cách sử dụng nguyên lý nhân chủng. Sự tồn tại của chúng ta giải thích
tại sao chúng ta quan sát các hằng số phù hợp với sự sống (chẳng hạn như
giá trị nhỏ của hằng số vũ trụ học). Nó chỉ ra rằng việc tìm kiếm một lời
giải thích cơ bản cho những giá trị này là đặt ra loại câu hỏi sai—một
sai lầm bắt nguồn từ tư duy vũ trụ đơn lẻ.
Đa vũ trụ Tuần hoàn (Cyclic Multiverse):
- Củng cố Giải thích (Nguồn gốc): Mô hình này (xuất phát từ va chạm màng) là một nỗ lực
nhằm tránh né vấn đề nan giải về cách vũ trụ bắt đầu. Bằng cách đề
xuất rằng các chu kỳ giãn nở và co lại đã lặp lại từ vô thủy vô chung, nó
né tránh nhu cầu về một khởi đầu cuối cùng cho thời gian, kết hợp những
đặc điểm hấp dẫn nhất của mô hình trạng thái ổn định và mô hình vụ nổ lớn.
Đa vũ trụ Tối thượng (Ultimate Multiverse):
- Thách thức về Toán học: Mô hình này (còn được gọi là nguyên lý sinh sôi nảy
nở) đưa ra quan điểm triệt để nhất về thực tại: mọi cấu trúc toán học
có thể có đều là một vũ trụ thực. Quan điểm này thách thức sự phân đôi
truyền thống giữa toán học (ngôn ngữ) và vật lý (thực tại), thay vào đó
cho rằng toán học chính là thực tại.
- Hệ quả của Nguyên lý Sinh sôi nảy nở: Nó loại bỏ nhiệm vụ giải thích tại sao vũ trụ của
chúng ta tuân theo một tập hợp định luật toán học cụ thể này, vì tất cả
các định luật đều là thực.
Tóm lại, các mô hình đa vũ trụ đẩy nhận thức của chúng ta
vượt ra khỏi giới hạn của kinh nghiệm thông thường và nguyên lý Copernicus (vốn
đã liên tục hạ thấp vị trí trung tâm của con người trong vũ trụ) bằng cách đề
xuất rằng thực tại của chúng ta chỉ là một trong vô số thành viên. Chúng thách
thức những mục tiêu khoa học truyền thống (như tính toán hằng số) nhưng lại
củng cố hiểu biết của chúng ta bằng cách cung cấp các khung thống kê (như
nguyên lý nhân chủng) để giải thích những điều kiện mà nếu không sẽ là bí ẩn.
2. Những hạn chế và tiến bộ nào của lý thuyết
dây tác động đến sự hiểu biết về vũ trụ học?
Dựa trên các nguồn tài liệu được cung cấp, Lý thuyết Dây
(String Theory) vừa có những hạn chế đáng kể vừa đạt được những tiến bộ sâu
sắc, đặc biệt ảnh hưởng đến sự hiểu biết của chúng ta về vũ trụ học và các mô
hình đa vũ trụ.
I. Những Hạn
chế và Thách thức đối với Vũ trụ học
Lý thuyết Dây (hay Lý thuyết Siêu Dây) mang tính suy đoán
cao và phải đối mặt với một số hạn chế cốt lõi ảnh hưởng đến khả năng dự đoán
và ứng dụng của nó trong vũ trụ học hiện đại:
1. Thiếu bằng chứng Thực nghiệm và Quan sát:
- Lý thuyết Dây chưa đưa ra được những dự đoán chắc
chắn mà các nghiên cứu thực nghiệm hoặc quan sát có thể chứng minh là
đúng hay sai. Điều này đẩy nó vào phạm vi suy đoán khoa học.
- Vùng đất rộng lớn của hấp dẫn lượng tử (quantum
gravity), nơi Lý thuyết Dây hoạt động, nhỏ hơn khoảng một triệu tỷ lần so
với bất cứ thứ gì chúng ta có thể tiếp cận bằng thực nghiệm ngay cả với
những máy gia tốc mạnh nhất thế giới. Trừ khi có một bước đột phá công
nghệ ngoạn mục, điều này đảm bảo rằng các dây sẽ xuất hiện như các hạt
điểm ở mức năng lượng thấp, khiến Lý thuyết Dây mạo danh Lý thuyết
Trường Lượng tử (Quantum Field Theory - QFT) trong các thí nghiệm có
thể tiếp cận được.
- Thậm chí những kết quả thực nghiệm tích cực hứa hẹn
nhất (như tìm thấy hạt siêu đối xứng hoặc chiều không gian bổ sung) rất
có thể sẽ không thể chứng minh thuyết dây là đúng một cách chắc chắn,
trong khi những kết quả tiêu cực có thể không chứng minh thuyết dây là
sai.
2. Bài toán Vô số Hình dạng Chiều không gian Bổ sung (The
Landscape Problem):
- Lý thuyết Dây đòi hỏi chín chiều không gian
(hoặc mười chiều không-thời gian) để các phương trình của nó trở nên nhất
quán. Các chiều bổ sung này được hình dung là nhỏ, cuộn tròn.
- Tuy nhiên, lý thuyết Dây đã thất bại trong việc chọn
ra một hình dạng duy nhất cho các chiều không gian bổ sung này. Thay
vào đó, nó đã dẫn đến việc khám phá ra vô số hình dạng và thông lượng khả
dĩ khác nhau, lên tới khoảng $10^{500}$ cấu hình.
- Vì các tính chất của hạt (như khối lượng electron, điện
tích) và các hằng số vũ trụ (như hằng số vũ trụ học) được xác định bởi
hình dạng và thông lượng của các chiều bổ sung, sự linh hoạt toán học
này khiến Lý thuyết Dây mất đi sức mạnh dự đoán của nó trong
việc giải thích tại sao các hằng số tự nhiên lại có những giá trị cụ thể.
3. Bài toán Đo lường (The Measure Problem) trong Đa vũ trụ
Cảnh quan:
- Lý thuyết Dây, kết hợp với vũ trụ học lạm phát vĩnh
cửu, dẫn đến Đa vũ trụ Cảnh quan (Landscape Multiverse), chứa vô số
vũ trụ bong bóng.
- Để đưa ra các dự đoán thống kê trong đa vũ trụ vô hạn
này (ví dụ, xác suất chúng ta tìm thấy mình trong một vũ trụ với các hằng
số cụ thể), cần phải giải quyết Bài toán Đo lường. Bài toán này là
việc tìm ra một nguyên lý cơ bản để so sánh các tập hợp vô hạn các vũ trụ
khác nhau, vì các cách tiếp cận khác nhau mang lại kết quả khác nhau.
- Cho đến khi giải quyết được bài toán đo lường, chúng ta
không thể dự đoán bằng toán học những gì một cư dân đa vũ trụ điển
hình (như chúng ta) nên thấy trong các thí nghiệm và quan sát. Điều này
làm suy yếu khả năng đưa ra dự đoán chắc chắn về vũ trụ học.
II. Những
Tiến bộ và Tác động Vũ trụ học
Mặc dù có những hạn chế trên, Lý thuyết Dây đã đạt được
những tiến bộ sâu sắc, đặc biệt trong việc cung cấp một khuôn khổ cho Hấp dẫn
Lượng tử và các mô hình đa vũ trụ quan trọng:
1. Thống nhất Lực hấp dẫn và Cơ học lượng tử:
- Mục tiêu chính
của Lý thuyết Dây là kết hợp Thuyết Tương đối Rộng (mô tả lực hấp dẫn) và
Cơ học Lượng tử.
- Tiến bộ nổi bật nhất của Lý thuyết Dây là việc hòa
giải thành công sự thù địch giữa hai lý thuyết này. Lý thuyết Dây đạt
được điều này vì dây, không phải là các hạt điểm, có phạm vi không gian
hữu hạn, điều này làm giảm các dao động lượng tử mạnh mẽ ở cự ly ngắn, vốn
là nguyên nhân gây ra các vấn đề toán học (vô hạn) khi kết hợp QFT và lực
hấp dẫn.
2. Giải quyết các Điểm kỳ dị và Entropy Lỗ đen:
- Lý thuyết Dây đã đạt được những bước tiến ấn tượng
trong việc chế ngự các điểm kỳ dị—những bối cảnh cực đoan nơi QFT
và Thuyết Tương đối Rộng sụp đổ (ví dụ: ở tâm lỗ đen hoặc Vụ Nổ Lớn).
- Lý thuyết Dây đã thành công trong việc tính toán rõ
ràng và xác nhận công thức entropy của lỗ đen (entropy
Bekenstein-Hawking). Entropy của lỗ đen cung cấp bối cảnh đặc trưng nơi
Thuyết Tương đối Rộng và Cơ học Lượng tử giao thoa với nhau.
3. Khởi nguồn của các Mô hình Đa vũ trụ:
Lý thuyết Dây đã dẫn đến một số mô hình đa vũ trụ, cung cấp
các khung giải thích mới cho các quan sát vũ trụ học:
- Đa vũ trụ Cảnh quan (Landscape Multiverse): Bối cảnh dây $10^{500}$ hình dạng khác nhau cho phép
áp dụng nguyên lý nhân chủng (anthropic principle) để giải thích
tại sao hằng số vũ trụ học (năng lượng tối) lại có giá trị nhỏ mà chúng ta
đo được. Điều này thay đổi bản chất của câu hỏi khoa học: thay vì cố gắng
tính toán giá trị hằng số, chúng ta tìm kiếm một vũ trụ trong cảnh quan có
các giá trị phù hợp với sự sống của chúng ta.
- Đa vũ trụ Màng (Brane Multiverse): Lý thuyết Dây/M (M-Theory) đã dẫn đến việc khám phá ra
các thực thể đa chiều được gọi là màng (branes). Điều này cho thấy
vũ trụ của chúng ta có thể là một màng ba chiều (three-brane) trôi
nổi trong một không gian có nhiều chiều hơn, và các vũ trụ song song khác
có thể là những màng lơ lửng gần đó.
- Đa vũ trụ Toàn ảnh (Holographic Multiverse): Lý thuyết Dây cung cấp một hiện thực rõ ràng của
Nguyên lý Toàn ảnh, cho thấy vũ trụ của chúng ta (bên trong) có thể được phản
ánh chính xác bởi các hiện tượng diễn ra trên một bề mặt giới hạn xa xôi
(ranh giới). Điều này ngụ ý rằng Lý thuyết Dây (chứa lực hấp dẫn) và Lý
thuyết Trường Lượng tử (phi hấp dẫn) có thể là những cách tiếp cận tương
đương được diễn đạt bằng các ngôn ngữ khác nhau—hai mặt của cùng một đồng
xu. Sự tương đương toàn ảnh này đã cung cấp cơ sở cho các phép tính rõ
ràng mà một số kết quả có thể được so sánh với các thí nghiệm hạt nhân
nặng.
- Đa vũ trụ Tuần hoàn (Cyclic Multiverse): Mô hình này, trong đó các chu kỳ giãn nở và co lại lặp
lại vô thời hạn, là một ứng viên vũ trụ học dựa trên va chạm màng
(brane collisions). Nó cố gắng né tránh vấn đề nan giải về cách vũ trụ bắt
đầu. Mô hình này đưa ra một dự đoán có thể phân biệt nó với lạm phát: việc
thiếu sóng hấp dẫn từ vũ trụ sơ khai.
4. Thống nhất các Lực khác:
- Mặc dù không bắt buộc, Lý thuyết Dây đạt được mục tiêu thống
nhất tất cả các lực (hấp dẫn, điện từ, hạt nhân mạnh và yếu) bằng cách
mô tả tất cả chúng theo cùng một cách: lượng tử của chúng là các dây thực
hiện các mẫu dao động cụ thể.
3. Bằng chứng khoa học và quan sát nào có thể
xác nhận hoặc bác bỏ các khái niệm về đa vũ trụ?
Mặc dù các khái niệm đa vũ trụ vẫn mang tính suy đoán cao và
chưa có thí nghiệm hay quan sát nào chứng minh được bất kỳ phiên bản nào của
ý tưởng này, các nguồn tài liệu đã chỉ ra nhiều con đường khoa học và quan
sát tiềm năng có thể gián tiếp củng cố hoặc bác bỏ tính hợp lệ của chúng.
Việc xác nhận hoặc bác bỏ một mô hình đa vũ trụ phụ thuộc
vào: (1) kiểm tra tính đúng đắn của lý thuyết vật lý cơ bản đã tạo ra nó (ví
dụ: Lý thuyết Dây hoặc Lý thuyết Lạm phát); và (2) tìm kiếm những dấu hiệu vật
lý đặc trưng mà bản thân đa vũ trụ có thể để lại trong vũ trụ của chúng ta.
1. Bằng chứng
liên quan đến Lý thuyết Vũ trụ học và Lý thuyết Dây
Các mô hình đa vũ trụ như Đa vũ trụ Khâu vá, Lạm phát, Brane
và Cảnh quan phụ thuộc vào các khám phá vũ trụ học và vật lý hạt cơ bản:
|
Mô
hình/Lý thuyết Liên quan |
Bằng
chứng Xác nhận |
Bằng
chứng Bác bỏ |
|
Đa
vũ trụ Lạm phát |
Quan
sát Biến thiên Nhiệt độ trong Bức xạ Nền Vi sóng Vũ trụ (CMB), vốn phù
hợp với các dự đoán lý thuyết rằng dao động lượng tử đã được khuếch đại bởi
sự giãn nở lạm phát. |
Dữ
liệu CMB chính xác hơn trong tương lai chỉ có thể được giải thích bằng cách
giả định các đường cong thế năng lạm phát bị bóp méo, điều này sẽ làm suy yếu
tính thuyết phục của lý thuyết lạm phát. |
|
Đa
vũ trụ Khâu vá |
Việc
chứng minh rằng không gian là vô hạn (một giả thuyết phù hợp với mọi
quan sát vũ trụ học hiện tại) sẽ củng cố mô hình này. Nếu lạm phát vĩnh cửu
là đúng, nó gần như là một kết luận tất yếu cho rằng không gian phải là vô
hạn. |
Nếu
các quan sát chứng minh rằng không gian là hữu hạn. Việc tìm kiếm hình
ảnh lặp lại của các ngôi sao hoặc thiên hà (giống như ánh sáng phản xạ giữa
các gương) sẽ cho thấy vũ trụ khép kín và hữu hạn. |
|
Đa
vũ trụ Màng/Tuần hoàn |
Bằng
chứng về sự tồn tại của các chiều không gian bổ sung (extra
dimensions). Các thí nghiệm đo cường độ hấp dẫn ở thang đo cực nhỏ (ví
dụ: dưới một micron) cho thấy sự sai lệch so với kỳ vọng (vì lực hấp dẫn lan
tỏa qua các chiều bổ sung, khiến nó mạnh hơn ở khoảng cách cực ngắn). |
Sự
tồn tại của sóng hấp dẫn từ vũ trụ sơ khai sẽ là bằng chứng mạnh mẽ
chống lại mô hình Tuần hoàn (vì sự va chạm màng không tạo ra sóng hấp dẫn
đáng kể). |
|
Đa
vũ trụ Cảnh quan |
Xác
nhận sự đúng đắn của Lý thuyết Dây
hoặc Lạm phát vĩnh cửu. |
Nếu
sự phân tích thống kê (sử dụng nguyên lý nhân chủng) cho thấy vũ trụ của
chúng ta không điển hình so với các vũ trụ hỗ trợ sự sống khác trong cảnh
quan, điều đó sẽ làm giảm tính thuyết phục của đề xuất này. |
|
Lý
thuyết Dây (Tổng quát) |
Một
chuỗi kết quả tích cực từ nhiều thí nghiệm khác nhau sẽ cung cấp một trường
hợp hỗ trợ gián tiếp mạnh mẽ cho Lý thuyết Dây. Bao gồm: phát hiện hạt
siêu đối xứng, bằng chứng về các chiều không gian bổ sung, các dấu hiệu của
dây kéo dài (sóng hấp dẫn), hoặc các đặc điểm của dây trong bức xạ nền vi
sóng vũ trụ (CMB). |
Nếu
Lý thuyết Dây gặp phải một trở ngại lý thuyết (ví dụ: phát hiện ra một
sai sót toán học cho thấy nó không nhất quán). Kết quả thực nghiệm tiêu cực,
trong khi không thể chứng minh thuyết dây là sai một cách chắc chắn, sẽ làm
suy yếu niềm tin vào nó. |
2. Bằng chứng liên quan đến Lý thuyết Lượng tử và Hình học
Các mô hình đa vũ trụ này liên quan đến những thay đổi sâu
sắc trong cách chúng ta diễn giải thực tại, thay vì các phép đo vũ trụ học:
|
Mô
hình/Lý thuyết Liên quan |
Bằng
chứng Xác nhận |
Bằng
chứng Bác bỏ |
|
Đa
vũ trụ Lượng tử (Nhiều Thế giới) |
Sự
thành công liên tục của toán học cơ học lượng tử tiêu chuẩn (phương
trình Schrödinger), vì cách tiếp cận này là khuôn khổ bảo thủ nhất tôn trọng
tính toán lượng tử. |
Nếu
các nghiên cứu trong tương lai chỉ ra rằng các phương trình cơ học lượng tử
cần những sửa đổi nhỏ để phù hợp với dữ liệu tinh vi hơn, đặc biệt là
những sửa đổi ảnh hưởng đến tính tuyến tính của nó, loại đa vũ trụ này có thể
bị loại trừ. |
|
Đa
vũ trụ Toàn ảnh |
Các
phép tính được thực hiện dựa trên nguyên lý toàn ảnh (chủ yếu thông qua Lý thuyết Dây/AdS-CFT) cho kết quả khớp
với dữ liệu thực nghiệm (ví dụ: các thí nghiệm va chạm ion nặng tương đối
tính tại RHIC). |
Nếu
các thí nghiệm (như RHIC) mạnh mẽ mâu thuẫn với các dự đoán tính toán toàn
ảnh, hoặc nếu các tiền đề cơ bản (như entropy lỗ đen Bekenstein-Hawking) được
chứng minh là sai lầm. |
3. Bằng chứng liên quan đến Công nghệ và Triết học
|
Mô
hình/Lý thuyết Liên quan |
Bằng
chứng Xác nhận |
Bằng
chứng Bác bỏ |
|
Đa
vũ trụ Mô phỏng |
Việc
con cháu chúng ta đạt được khả năng tạo ra các thế giới mô phỏng có tri giác và bắt đầu chạy chúng với số lượng lớn, khiến số lượng
người mô phỏng vượt xa số người "thực". |
Nếu
các nghiên cứu tương lai về não bộ và ý thức chứng minh rằng tri giác
không thể được mô phỏng bằng công nghệ. Hoặc nếu các nền văn minh tiên
tiến chọn không chạy mô phỏng vì lý do đạo đức hoặc các mục tiêu khác. |
|
Đa
vũ trụ Tối thượng |
Không
có bằng chứng nào có thể bác bỏ được.
Mô hình này tuyên bố rằng mọi cấu trúc toán học khả dĩ đều là một vũ trụ
thực. Vì bất kỳ kết quả thực nghiệm nào cũng tương thích với một vũ trụ nào
đó trong tập hợp này, nên không có dữ liệu nào có thể chứng minh lý thuyết
này là sai. |
Mô
hình này được coi là một ví dụ về một lý thuyết "không thể kiểm
chứng" (unfalsifiable) và là một vấn đề triết học thách thức khái
niệm khoa học thông thường. |
4. Bằng chứng Gián tiếp và Thống kê (Nguyên lý Nhân
chủng)
Một số đề xuất đa vũ trụ (như Đa vũ trụ Cảnh quan) không thể
được kiểm chứng bằng cách quan sát các vũ trụ khác, mà phải thông qua sức
mạnh giải thích thống kê của chúng đối với các hiện tượng trong vũ trụ của
chúng ta:
- Sức mạnh Giải thích:
Các lý thuyết đa vũ trụ cung cấp sức mạnh giải thích đáng kể khi chúng chỉ
ra rằng một vấn đề dường như sâu sắc (ví dụ: tại sao hằng số vũ trụ lại có
giá trị nhỏ như vậy) đã nảy sinh từ giả định sai lầm về một vũ trụ duy
nhất. Nếu các hằng số (như khối lượng electron hoặc cường độ lực) thay
đổi trong đa vũ trụ, việc tìm kiếm một lời giải thích cơ bản cho giá trị
duy nhất mà chúng ta đo được là đặt ra loại câu hỏi sai.
- Kiểm tra Thống kê:
Một lý thuyết đa vũ trụ có thể bị bác bỏ nếu nó được xây dựng trên một cơ
chế toán học tạo ra sự phân bố các vũ trụ không đồng nhất, nhưng các tính
toán thống kê (sử dụng nguyên lý nhân chủng) lại cho thấy:
- Vũ trụ của chúng ta là điển hình: Nếu phần lớn các vũ trụ hỗ trợ sự sống trong đa vũ
trụ đó có các đặc tính phù hợp với vũ trụ của chúng ta, điều đó sẽ củng
cố niềm tin vào mô hình đa vũ trụ đó.
- Mối tương quan chặt chẽ: Nếu lý thuyết đa vũ trụ dự đoán mối tương quan
chặt chẽ giữa các đặc tính vật lý (ví dụ: hằng số vũ trụ và khối
lượng hạt) sao cho nếu chúng ta thấy mình ở một vũ trụ có hằng số vũ trụ
như của chúng ta, chúng ta cũng phải tìm thấy một loại hạt nặng cụ
thể. Việc không tìm thấy hạt đó sẽ bác bỏ đề xuất đa vũ trụ.
5. Những Hạn
chế về Khả năng Kiểm chứng
Các nguồn tài liệu nhấn mạnh rằng thách thức lớn nhất đối
với việc xác nhận hoặc bác bỏ các khái niệm đa vũ trụ là bài toán đo lường
và tính không thể tiếp cận:
- Tính Không thể tiếp cận: Hầu hết các vũ trụ được đề xuất đều nằm ngoài đường
chân trời vũ trụ của chúng ta, và thường không thể tiếp cận được vĩnh
viễn, ngay cả về nguyên tắc, do sự giãn nở của không gian.
- Bài toán Đo lường (Measure Problem): Đối với các đa vũ trụ vô hạn (như Đa vũ trụ Lạm phát),
việc so sánh các tập hợp vũ trụ vô hạn khác nhau là cần thiết để đưa ra dự
đoán thống kê (ví dụ: xác suất chúng ta tìm thấy mình trong một loại vũ
trụ cụ thể). Hiện tại, chưa có nguyên lý cơ bản nào được thống nhất
để thực hiện sự so sánh này, và các cách tiếp cận khác nhau mang lại kết
quả khác nhau. Cho đến khi bài toán này được giải quyết, chúng ta không
thể đưa ra dự đoán toán học chắc chắn về những gì cư dân đa vũ trụ điển
hình (chúng ta) nên quan sát.
4. Thảo
luận về tính có thể kiểm chứng khoa học của các lý thuyết đa vũ trụ. Sử dụng
các ví dụ từ văn bản, chẳng hạn như các va chạm bong bóng trong Đa vũ trụ Lạm
phát hoặc các dấu hiệu của các chiều không gian bổ sung trong Đa vũ trụ Brane,
để giải thích cách các lý thuyết đề cập đến các cõi không thể tiếp cận vẫn có
thể đưa ra các dự đoán có thể kiểm chứng.
Tính có thể kiểm chứng khoa học của các lý thuyết
đa vũ trụ là một trong những chủ đề gây tranh cãi nhất trong vật lý hiện đại.
Mặc dù các lý thuyết này thường đề cập đến những cõi mà chúng ta không
thể tiếp cận (ví dụ, nằm ngoài đường chân trời vũ trụ, hoặc bị ngăn
cách bởi sự giãn nở siêu nhanh của không gian), chúng vẫn có thể đưa ra các dự
đoán có thể kiểm chứng được thông qua các dấu hiệu gián tiếp, các tính toán
thống kê, hoặc thông qua việc xác nhận các lý thuyết cơ bản đã sinh ra chúng.
Nếu một lý thuyết được xác nhận mạnh mẽ bằng thực
nghiệm và quan sát, và cấu trúc toán học chặt chẽ của nó buộc phải tồn tại một
đa vũ trụ, thì việc chấp nhận đa vũ trụ là không thể tránh khỏi, ngay cả khi
các vũ trụ khác không thể tiếp cận được.
Dưới đây là thảo luận chi tiết về cách các mô
hình đa vũ trụ khác nhau, bao gồm các ví dụ được yêu cầu, vẫn có thể đưa ra các
dự đoán có thể kiểm chứng được:
I. Đa Vũ trụ Lạm phát: Va chạm Bong bóng
Tính Không thể tiếp cận:
Đa vũ trụ Lạm phát được tạo ra từ sự giãn nở lạm
phát vĩnh cửu, tạo ra một tập hợp khổng lồ các "vũ trụ bong bóng".
Các vũ trụ này bị ngăn cách với nhau bởi các vùng không gian vẫn đang trải qua
quá trình giãn nở lạm phát siêu nhanh, và chúng bị đẩy ra xa nhau với tốc
độ nhanh hơn tốc độ ánh sáng, khiến chúng không thể tiếp cận
được vĩnh viễn.
Dự đoán Có thể Kiểm chứng (Dấu hiệu Va
chạm):
Tuy nhiên, nếu hai bong bóng hình thành đủ gần
nhau, tốc độ giãn nở không gian giữa chúng có thể chậm hơn tốc độ giãn nở của
chính chúng, đặt chúng vào một quỹ đạo va chạm.
- Các vụ va chạm này có thể
không phá hủy hoàn toàn cấu trúc bên trong của mỗi vũ trụ bong bóng, mà
thay vào đó sẽ tạo ra sóng xung kích lan truyền khắp
không gian của chúng ta.
- Những sóng xung kích này sẽ để
lại những thay đổi (gợn sóng) đối với mô hình các vùng nóng và lạnh
trong Bức xạ Nền Vi sóng Vũ trụ (CMB).
- Các nhà nghiên cứu hiện đang
tìm hiểu dấu vết chi tiết mà sự gián đoạn như vậy sẽ để lại trên CMB, đặt
nền tảng cho các quan sát có thể cung cấp bằng chứng cho
thấy vũ trụ của chúng ta đã va chạm với các vũ trụ khác.
- Điều đáng chú ý là một vụ va
chạm bong bóng xảy ra ở những khoảnh khắc đầu tiên của mỗi vũ trụ, đó là
lý do tại sao các gợn sóng được tạo ra có thể ảnh hưởng đến một quá trình
vũ trụ sơ khai khác, chẳng hạn như sự hình thành bức xạ nền vi sóng.
II. Đa Vũ trụ Brane: Dấu hiệu Chiều không gian
Bổ sung
Tính Không thể tiếp cận:
Trong kịch bản thế giới màng (braneworld), vũ trụ
của chúng ta là một màng ba chiều (three-brane) lơ lửng trong
một không gian có nhiều chiều hơn. Các vũ trụ song song khác là những màng lơ
lửng gần đó. Các sợi tạo nên vật chất thông thường (các đoạn chuỗi) bị neo
vào màng của chúng ta, khiến chúng ta không thể rời khỏi màng ba chiều
của mình và khám phá vũ trụ rộng lớn hơn.
Dự đoán Có thể Kiểm chứng (Lực hấp dẫn rò
rỉ):
Lực hấp dẫn là tác nhân duy nhất có thể rò rỉ
(lan tỏa) ra ngoài ba chiều quen thuộc của chúng ta. Điều này cung cấp một
phương tiện để thăm dò sự tồn tại của các cõi không thể tiếp cận đó:
1. Đo
lường Hấp dẫn ở Thang đo Nhỏ: Lực hấp dẫn bị pha loãng khi các hạt
mang lực hấp dẫn (graviton) rò rỉ khỏi màng của chúng ta và chảy vào các chiều
không gian bổ sung.
- Nếu các chiều không gian bổ
sung tồn tại và lớn hơn nhiều so với kích thước Planck nhỏ bé theo truyền
thống (ví dụ: lớn hơn một tỷ tỷ tỷ lần, khoảng 10^-4 cm), chúng ta có thể
đo cường độ hấp dẫn ở những khoảng cách cực nhỏ (dưới một
micron).
- Nếu phát hiện ra sự sai lệch
so với kỳ vọng ở những khoảng cách cực ngắn (lực hấp dẫn mạnh hơn), điều
đó sẽ cung cấp bằng chứng thuyết phục về các chiều bổ sung.
- Sự củng cố cho kịch bản thế
giới màng (braneworld) này, đến lượt nó, sẽ cung cấp bằng chứng
gián tiếp về các vũ trụ bên ngoài vũ trụ của chúng ta.
2. Máy
Va chạm Hadron Lớn (LHC): Các thí nghiệm tại LHC có thể tìm kiếm bằng
chứng về các chiều không gian bổ sung thông qua năng lượng bị thiếu.
- Các va chạm proton có thể tạo
ra các mảnh vỡ (có thể là graviton) bị đẩy khỏi các chiều không gian lớn
của chúng ta và bị ép vào các chiều không gian khác.
- Nếu điều này xảy ra, các máy
dò sẽ ghi nhận được ít năng lượng hơn sau va chạm so với
trước đó. Những tín hiệu năng lượng bị mất như vậy có thể cung cấp bằng
chứng mạnh mẽ cho sự tồn tại của các chiều không gian bổ sung.
- Việc tìm kiếm các lỗ
đen mini tại LHC cũng là một sản phẩm phụ của thế giới màng, vì
việc tạo ra chúng đòi hỏi cường độ hấp dẫn nội tại phải tăng mạnh ở khoảng
cách ngắn.
III. Khả năng Kiểm chứng Thống kê (Đa Vũ trụ
Cảnh quan)
Đa vũ trụ Cảnh quan là hệ quả của việc kết hợp Lý
thuyết Dây với Lạm phát vĩnh cửu, tạo ra vô số vũ trụ (lên tới
$10^{500}$) với các hằng số tự nhiên khác nhau.
Tính Không thể tiếp cận:
Các vũ trụ này hoàn toàn nằm ngoài tầm với của
chúng ta. Tuy nhiên, lý thuyết này có thể giải quyết các vấn đề quan sát được
(như hằng số vũ trụ học nhỏ bé) bằng cách áp dụng Nguyên lý Nhân chủng.
Dự đoán Có thể Kiểm chứng (Tính Điển
hình):
Mặc dù không thể tính toán giá trị của các hằng
số từ các định luật cơ bản (vì chúng thay đổi), mô hình này có thể bị kiểm
chứng bằng thống kê:
- Sức
mạnh Giải thích:
Lý thuyết đa vũ trụ cung cấp sức mạnh giải thích đáng kể
bằng cách chỉ ra rằng việc tìm kiếm lời giải thích cơ bản cho một giá trị
hằng số duy nhất (ví dụ: hằng số vũ trụ học) là đặt ra loại câu hỏi
sai, vì các giá trị này thay đổi trong đa vũ trụ.
- Kiểm
tra Tính Điển hình:
Để kiểm chứng, chúng ta phải xác định đặc điểm của các vũ trụ trong cảnh
quan. Sau đó, chúng ta chỉ xem xét những vũ trụ phù hợp với dạng sống
của chúng ta.
- Nếu phần lớn các vũ trụ hỗ trợ
sự sống này có các đặc tính phù hợp với vũ trụ của chúng ta (nghĩa là vũ
trụ của chúng ta là điển hình), điều đó sẽ củng cố niềm
tin vào mô hình.
- Nếu vũ trụ của chúng ta nổi bật
như một ngoại lệ không điển hình (ví dụ: nếu các tính toán thống kê cho
thấy nó rất hiếm), thì đề xuất Đa vũ trụ Cảnh quan sẽ kém thuyết phục hơn
nhiều.
- Mối
tương quan chặt chẽ:
Nếu các phép tính đa vũ trụ dự đoán mối tương quan chặt chẽ
giữa các đặc tính vật lý (ví dụ: hằng số vũ trụ và khối lượng hạt) sao cho
nếu chúng ta thấy một đặc điểm này, chúng ta cũng phải thấy một đặc
điểm khác, thì việc tìm thấy đặc điểm thứ hai sẽ củng cố lý thuyết, và việc
không tìm thấy nó sẽ bác bỏ lý thuyết.
IV. Nguyên lý Toàn ảnh (Holographic Multiverse)
Nguyên lý Toàn ảnh cho thấy rằng thực tại ba
chiều của chúng ta có thể là sự phản ánh chính xác của các quá trình diễn ra
trên một bề mặt ranh giới xa xôi (có ít chiều hơn). Đây là một
"vũ trụ song song gắn kết chặt chẽ nhất" vì sự tiến hóa của chúng kết
nối với nhau.
Dự đoán Có thể Kiểm chứng:
Lý thuyết Dây (cụ thể là sự tương ứng AdS/CFT)
cung cấp một hiện thực rõ ràng cho nguyên lý toàn ảnh. Sự tương ứng này cho
thấy rằng Lý thuyết Dây (chứa lực hấp dẫn và 10 chiều không thời gian) có thể
tương đương với một Lý thuyết Trường Lượng tử phi hấp dẫn trong 4 chiều không
thời gian.
- Tính đối ngẫu này cho phép các
nhà vật lý chuyển các phép tính phức tạp (bị cản trở bởi
liên kết lớn trong một lý thuyết) thành các phép tính đơn giản
(với liên kết nhỏ trong lý thuyết kia).
- Các phép tính dựa trên toàn ảnh
này đã cung cấp cơ sở cho các kết quả có thể được so sánh với thí
nghiệm thực tế. Ví dụ, chúng đã được sử dụng để tính toán hành vi
của các quark và gluon, một số kết quả khớp với dữ liệu từ Máy gia tốc ion
nặng tương đối tính (RHIC).
- Sự trùng khớp giữa các thao
tác toán học sử dụng dây trong không thời gian mười chiều và dữ liệu thực
nghiệm (liên quan đến quark và gluon trong bốn chiều không thời gian) là bằng
chứng mạnh mẽ cho thấy sự tương ứng toán học có nền tảng vật lý.
Tóm lại, mặc dù hầu hết các mô hình đa vũ trụ đều
mang tính suy đoán và không thể được kiểm chứng bằng cách trực tiếp quan sát
các vũ trụ khác, tính kiểm chứng của chúng phụ thuộc vào việc tìm kiếm các dấu
hiệu vật lý còn sót lại (như gợn sóng CMB từ va chạm bong bóng) hoặc thông qua
việc xác nhận gián tiếp các lý thuyết cơ bản (như Lý thuyết Dây/M-Theory),
chẳng hạn bằng cách tìm kiếm bằng chứng về các chiều không gian bổ sung.
5. Giải
thích chi tiết về "vấn đề đo lường" trong cơ học lượng tử và cách
diễn giải Copenhagen giải quyết nó thông qua khái niệm sụp đổ sóng. Sau đó,
trình bày diễn giải Đa Thế giới của Hugh Everett như một giải pháp thay thế,
tập trung vào cách nó tránh được sự sụp đổ bằng cách cho rằng tất cả các kết
quả khả dĩ đều xảy ra trong các vũ trụ song song.
Đây là phần giải thích chi tiết về "vấn đề
đo lường" trong cơ học lượng tử, cách giải quyết của cách diễn giải Copenhagen
và giải pháp thay thế là cách diễn giải Đa Thế giới (Many Worlds) của Hugh
Everett.
1. Vấn đề Đo lường (The Measurement Problem)
trong Cơ học Lượng tử
Vấn đề đo lường là vấn đề nan giải nhất
của cơ học lượng tử. Vấn đề này xuất hiện từ sự không nhất quán giữa hình thức
toán học cơ bản của lý thuyết và kinh nghiệm vật lý hàng ngày của chúng ta.
a. Sự tiến hóa của Sóng Xác suất (The
Evolution of the Probability Wave):
- Thành phần cốt lõi của cơ học
lượng tử là sóng xác suất (probability wave), được Erwin
Schrödinger khám phá vào giữa những năm 1920.
- Phương trình Schrödinger, cỗ
máy toán học của cơ học lượng tử, xác định hình dạng của sóng xác suất tiến
hóa theo thời gian.
- Sóng xác suất cho biết xác suất
tìm thấy một hạt (như electron) ở vị trí này hay vị trí khác.
- Trước khi đo lường, sóng xác
suất có thể lan tỏa, cho thấy hạt có khả năng được tìm thấy ở nhiều vị trí
khác nhau (gọi là lớp sương mù xác suất).
b. Mâu thuẫn với Thực tại Xác định:
- Lý thuyết lượng tử khẳng định
rằng các dự đoán của khoa học nhất thiết phải mang tính xác suất.
Tuy nhiên, trải nghiệm hàng ngày của chúng ta lại là một thực tại xác
định và duy nhất.
- Vấn đề đo lường là: Làm thế
nào chúng ta có thể chuyển từ phạm vi các kết quả khả dĩ
(sóng xác suất) tồn tại trước khi đo lường sang kết quả duy nhất
mà phép đo lường tiết lộ?.
2. Cách diễn giải Copenhagen: Khái niệm Sụp đổ
Sóng
Cách diễn giải Copenhagen, do Niels Bohr và nhóm
của ông phát triển, là phương pháp tiếp cận tiêu chuẩn đối với cơ học lượng tử.
a. Giả thuyết Sụp đổ Sóng:
- Copenhagen giải quyết vấn đề
đo lường bằng cách giả định rằng: chính hành động quan sát (hay đo
lường) đã cản trở nỗ lực nhìn thấy sóng xác suất.
- Khi bạn đo vị trí của một hạt
(ví dụ, electron), electron sẽ phản ứng bằng cách tập trung chú ý và hợp
nhất tại một vị trí xác định. Sóng xác suất của nó ngay lập tức sụp
đổ (collapses).
- Sự sụp đổ này làm cho sóng xác
suất tăng vọt lên 100% tại vị trí được tìm thấy và giảm xuống 0% ở mọi nơi
khác. Điều này chuyển đổi phạm vi các vị trí có thể có của hạt thành một
kết quả xác định duy nhất.
b. Hạn chế Toán học:
- Mặc dù cách tiếp cận
Copenhagen giải thích thành công dữ liệu thực nghiệm (vì nó cho thấy xác
suất tìm thấy hạt ở một vị trí cụ thể khớp với dự đoán của sóng xác suất),
nó lại thiếu tính mạch lạc về mặt toán học.
- Phương
trình Schrödinger—cỗ
máy toán học cơ bản—không cho phép sự sụp đổ đột ngột
này. Phân tích trực tiếp phương trình cho thấy sự tiến hóa của sóng xác suất
không thể đột nhiên trở thành một đỉnh duy nhất như cách mà phương pháp
Copenhagen hình dung.
- Phương pháp Copenhagen duy trì
tính tuyến tính của phương trình Schrödinger, nhưng nó cũng phải bao gồm một
quy định mơ hồ và không rõ ràng về thời
điểm cần tắt phương trình Schrödinger và thay thế nó bằng quá trình sụp đổ
sóng.
3. Cách diễn giải Đa Thế giới (Many Worlds) của
Hugh Everett
Năm 1954, nghiên cứu sinh Hugh Everett III đã
phân tích lỗ hổng trong phương pháp Copenhagen và đi đến một kết luận đáng kinh
ngạc.
a. Tránh sự Sụp đổ Sóng:
- Cách tiếp cận Đa Thế giới (Đa
vũ trụ Lượng tử) là một khuôn khổ bảo thủ nhất. Nó giải
quyết vấn đề đo lường bằng cách không làm gì cả: nó giả định rằng
phương trình Schrödinger luôn chi phối mọi sóng xác suất và không bao giờ
bị gạt sang một bên.
- Do phương trình Schrödinger là
tuyến tính (tổng thể là tổng các thành phần của nó), khi
đo lường, hàm sóng cho toàn bộ hệ thống (bao gồm hạt, thiết bị đo lường và
chính người quan sát) tiến hóa theo toán học của Schrödinger.
b. Sự Phân tách Thành Vũ trụ Song song:
- Khi một phép đo được thực hiện,
ví dụ, một hạt có sóng xác suất hai đỉnh, toán học Schrödinger yêu cầu kết
quả đo phải là sự kết hợp của cả hai khả năng.
- Everett lập luận rằng việc đọc
kỹ toán học cho thấy kết quả kết hợp là một thiết bị và một tâm
trí ghi nhận kết quả thứ nhất, và một thiết bị và một tâm trí ghi nhận kết
quả thứ hai.
- Điều này ngụ ý rằng thiết bị,
người quan sát và mọi thứ khác phân tách (splitting), tạo
ra hai thực tại song song (hai thế giới song song).
- Tất
cả các kết quả khả dĩ đều xảy ra,
mỗi kết quả đều tồn tại trong một vũ trụ riêng biệt.
- Đối với người quan sát trong mỗi
thực tại, phép đo và ấn tượng tinh thần về kết quả đều sắc nét và
độc đáo, khiến họ tin rằng thực tại của mình là thực tại duy nhất.
c. Tính Chất của Đa Vũ trụ Lượng tử:
- Cách tiếp cận Đa Thế giới dẫn
đến Đa vũ trụ Lượng tử.
- Mỗi con đường có thể có của mọi
sự kiện đều được hiện thực hóa: "Không có con đường nào chưa được đi
qua".
- Các khái niệm như "phân
tách" hoặc "nhiều thế giới" không phải là một phần của cấu
trúc toán học cơ bản (Câu chuyện thứ nhất) mà là ngôn ngữ được sử dụng để
liên kết toán học với trải nghiệm của con người (Câu chuyện thứ hai).
d. Xác suất trong Đa Thế giới:
- Mặc dù toán học của Đa Thế giới
là hoàn toàn tất định (deterministic) và không có sự ngẫu
nhiên nào, Everett lập luận rằng xác suất vẫn tồn tại.
- Xác suất len lỏi vào vì mỗi cư
dân của Đa Thế giới chỉ có thể tiếp cận thế giới duy nhất của
riêng họ và không trải nghiệm những thế giới khác. Góc nhìn hạn hẹp
này làm cho xác suất xuất hiện trở lại ở cấp độ chủ quan.
- Đây là cách tiếp cận đã dung
hòa quan điểm của Einstein (người tin rằng lý thuyết cơ bản không nên liên
quan đến xác suất) và quan điểm của Bohr (người chấp nhận một lý thuyết cơ
bản có liên quan đến xác suất), bằng cách coi sự khác biệt giữa họ chỉ là vấn
đề quan điểm.
