Trường Sơn
Writer
Ánh sáng trong vũ trụ được sinh ra như thế nào? Đây là một câu hỏi đã gây khó khăn cho nhân loại trong hàng ngàn năm. Chúng ta biết rằng ánh sáng được tạo thành từ một loại hạt gọi là photon, không có khối lượng, chỉ có năng lượng. Chúng ta cũng biết rằng ánh sáng có thể được phát ra từ các chất khác nhau, chẳng hạn như mặt trời, ngôi sao, ngọn lửa, ánh sáng, v.v. Nhưng có nguồn ánh sáng nào khác không? Có thể nào ánh sáng được tạo ra bởi lực hấp dẫn, một trong những lực bí ẩn nhất trong vũ trụ?
Điều này nghe có vẻ vô lý vì chúng ta thường nghĩ rằng trọng lực chỉ có thể ảnh hưởng đến các vật thể có khối lượng, trong khi các photon không có khối lượng. Tuy nhiên, gần đây, một bài báo lý thuyết mới đã phát hiện ra rằng trong vũ trụ sơ khai, lực hấp dẫn có thể tạo ra ánh sáng. Khám phá này gây sốc và có thể làm đảo lộn sự hiểu biết của chúng ta về vũ trụ và vật lý.
Ảnh chụp màn hình bài báo
Bài báo, được xuất bản bởi một nhóm các nhà vật lý lý thuyết trong cơ sở dữ liệu in sẵn arXiv, có tiêu đề "Chuyển đổi graviton thành photon bằng cộng hưởng tham số". Các tác giả của bài báo đề xuất một khuôn khổ mới kết hợp các tương tác hấp dẫn và điện từ với nhau, dẫn đến việc chuyển đổi graviton (hạt mang lượng tử tác dụng hấp dẫn) thành photon (hạt mang lượng tử tác dụng điện từ). Hiện tượng này xảy ra trong các điều kiện cụ thể, chẳng hạn như sự hiện diện của trường hấp dẫn mạnh gần các vật thể lớn như lỗ đen và sao neutron.
Để hiểu quá trình này, trước tiên chúng ta cần hiểu một số khái niệm vật lý cơ bản. Trong những trường hợp bình thường, bạn không thể bắt đầu từ con số không. Cụ thể, Mô hình Chuẩn của vật lý hạt, lý thuyết thống trị giải thích vườn thú hạ nguyên tử của các hạt, thường cấm sự biến đổi các hạt không khối lượng thành các hạt lớn. Trong khi các hạt trong Mô hình Chuẩn liên tục thay đổi thông qua các phản ứng và quá trình khác nhau, các photon - các hạt mang ánh sáng không khối lượng - thường không thể biến thành các hạt khác. Tuy nhiên, điều này là có thể nếu các điều kiện phù hợp - ví dụ, khi một photon tương tác với một nguyên tử nặng, nó có thể tự phân tách thành các electron và positron, cả hai đều là các hạt lớn. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng Compton và là một kết quả quan trọng của điện động lực học lượng tử.
Với ví dụ nổi tiếng này, các tác giả của bài báo đặt ra một câu hỏi táo bạo hơn: Liệu lực hấp dẫn có thể được chuyển đổi thành các hạt khác không? Chúng ta thường nghĩ về lực hấp dẫn qua lăng kính của thuyết tương đối rộng, trong đó sự uốn cong và biến dạng trong không-thời gian ảnh hưởng đến chuyển động của các hạt. Trong bức ảnh đó, thật khó để tưởng tượng lực hấp dẫn tạo ra các hạt như thế nào. Nhưng chúng ta cũng có thể nhìn lực hấp dẫn qua thấu kính lượng tử, tưởng tượng lực hấp dẫn được mang theo bởi vô số hạt vô hình được gọi là graviton. Trong khi sự hiểu biết của chúng ta về hấp dẫn lượng tử còn lâu mới hoàn chỉnh, chúng ta biết rằng những graviton này hoạt động giống như bất kỳ hạt cơ bản nào khác, bao gồm cả các biến đổi tiềm năng.
Để kiểm tra ý tưởng này, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu các điều kiện của vũ trụ sơ khai. Khi vũ trụ của chúng ta vẫn còn trẻ, nó cũng nhỏ, nóng và dày đặc. Trong vũ trụ non trẻ đó, tất cả các dạng vật chất và năng lượng đều được nâng lên đến tỷ lệ không thể tưởng tượng được, vượt xa những gì máy va chạm hạt mạnh nhất của chúng ta có thể đạt được. Thời kỳ này được gọi là kỷ nguyên Planck, và nó là giai đoạn đầu tiên sau Vụ nổ lớn và kéo dài khoảng 10 đến 43 giây vuông.
Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng sóng hấp dẫn đóng một vai trò quan trọng trong thiết lập này. Thông thường, sóng hấp dẫn rất yếu và có thể đẩy các nguyên tử qua các khoảng cách nhỏ hơn chiều rộng hạt nhân của chính chúng. Nhưng trong vũ trụ sơ khai, sóng có thể mạnh hơn nhiều, điều này có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến mọi thứ khác. Những con sóng ban đầu đó sẽ nhấp nhô qua lại, tự phóng đại. Bất cứ thứ gì khác trong vũ trụ đều bị thu hút bởi lực đẩy và lực kéo của sóng, tạo ra hiệu ứng cộng hưởng. Giống như một đứa trẻ bơm chân ra đúng lúc để làm cho xích đu ngày càng cao hơn, sóng hấp dẫn hoạt động như máy bơm, đẩy vật chất thành các cụm chặt chẽ hết lần này đến lần khác. Hiện tượng này được gọi là cộng hưởng tham số và là một hiệu ứng động học phi tuyến.
Sóng hấp dẫn cũng có thể ảnh hưởng đến trường điện từ. Bởi vì bản thân sóng là những gợn sóng trong không-thời gian, chúng không bị giới hạn trong các tương tác với các vật thể lớn. Khi sóng tiếp tục bơm, chúng có thể đẩy bức xạ trong vũ trụ đến năng lượng cực cao, gây ra sự xuất hiện tự phát của các photon: lực hấp dẫn tự tạo ra ánh sáng. Đây là kết quả chính của bài báo, cho thấy một mối liên hệ mới giữa lực hấp dẫn và điện từ, và có thể cung cấp một số manh mối cho lý thuyết hấp dẫn lượng tử.
Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng, nói chung, quá trình này khá kém hiệu quả. Vũ trụ sơ khai cũng đang giãn nở, vì vậy mô hình tiêu chuẩn của sóng hấp dẫn sẽ không tồn tại lâu. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng nếu vũ trụ sơ khai chứa đủ vật chất để tốc độ ánh sáng chậm lại (giống như ánh sáng truyền chậm hơn trong môi trường như không khí hoặc nước), những sóng này có thể ở lại đủ lâu để thực sự làm cho mọi thứ xảy ra, tạo ra rất nhiều photon bổ sung. Điều này có thể đã xảy ra trong thời kỳ lạm phát, đó là một giai đoạn khác sau Vụ nổ lớn, kéo dài khoảng 10 đến 32 giây vuông, trong đó vũ trụ giãn nở với tốc độ vượt quá tốc độ ánh sáng.
Các nhà vật lý vẫn chưa hiểu đầy đủ về vật lý phức tạp, rối rắm của vũ trụ sơ khai, vốn có thể đạt được những kỳ tích chưa từng được quan sát kể từ đó. Nghiên cứu mới bổ sung một sợi chỉ khác cho tấm thảm phong phú: khả năng của trọng lực tạo ra ánh sáng. Người ta suy đoán rằng bức xạ này sẽ tiếp tục ảnh hưởng đến sự hình thành vật chất và sự tiến hóa của vũ trụ, vì vậy việc tìm ra ý nghĩa đầy đủ của quá trình đáng ngạc nhiên này có thể dẫn đến một cuộc cách mạng mới trong sự hiểu biết của chúng ta về những khoảnh khắc sớm nhất của vũ trụ.
Các tác giả của bài báo này không phải là những người đầu tiên đề xuất mối liên hệ giữa trọng lực và ánh sáng. Trên thực tế, Albert Einstein đã dự đoán một hiện tượng gọi là thấu kính hấp dẫn, là một trường chỉ thị có thể bẻ cong ánh sáng, làm cho các vật thể ở xa có vẻ lớn hơn hoặc sáng hơn. Dự đoán này đã được xác minh bằng thực nghiệm vào năm 1919 và là một bằng chứng quan trọng cho thuyết tương đối rộng của Einstein. Kể từ đó, thấu kính hấp dẫn đã trở thành một công cụ mạnh mẽ để các nhà thiên văn học quan sát các thiên hà xa xôi, các cụm thiên hà và thậm chí cả bức xạ nền vũ trụ.
Ngoài thấu kính hấp dẫn, có một số hiện tượng khác cũng chỉ ra sự tương tác giữa trọng lực và ánh sáng. Ví dụ, dịch chuyển đỏ hấp dẫn, là khi ánh sáng thoát ra từ trường hấp dẫn mạnh, bước sóng của nó trở nên dài hơn và tần số của nó giảm, làm cho màu của ánh sáng chuyển sang màu đỏ. Hiện tượng này đã được quan sát bằng thực nghiệm vào năm 1960 và cũng là một dự đoán của thuyết tương đối rộng. Một ví dụ khác là sóng hấp dẫn, đề cập đến sự biến dạng trong không-thời gian do chuyển động gia tốc của các vật thể lớn, có thể truyền qua vũ trụ như sóng trên bề mặt nước. Sự tồn tại của sóng hấp dẫn, được xác nhận gián tiếp vào năm 1974 và được phát hiện trực tiếp vào năm 2015, cũng là một thành tựu lớn của thuyết tương đối rộng.
Những hiện tượng này được quan sát ở quy mô vĩ mô, và chúng liên quan đến các trường hấp dẫn mạnh và các vật thể năng lượng cao. Tuy nhiên, các tác giả của bài báo quan tâm đến những gì xảy ra ở quy mô vi mô, liên quan đến lực hấp dẫn lượng tử và các hạt năng lượng thấp. Đây là một lĩnh vực khó khăn và bí ẩn hơn nhiều vì chúng ta chưa có một lý thuyết hoàn chỉnh để mô tả nó. Hiện tại, chúng ta chỉ có một vài ứng cử viên lý thuyết khác nhau, chẳng hạn như lý thuyết dây, hấp dẫn lượng tử toric, hình học không giao hoán, v.v., tất cả đều cố gắng thống nhất lực hấp dẫn và ba tương tác cơ bản khác (mạnh, yếu và điện từ) trong một khuôn khổ duy nhất.
Mỗi lý thuyết này đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, cũng như những lời tiên tri và thách thức riêng. Các tác giả của bài báo sử dụng một lý thuyết gọi là hình học không giao hoán, là một phương pháp toán học khái quát hóa cấu trúc của không-thời gian thành đại số không giao hoán. Lý thuyết này có thể giải thích một số hiện tượng kỳ lạ trong Mô hình Chuẩn, chẳng hạn như dao động neutrino, đề cập đến hiện tượng neutrino chuyển đổi giữa các loại khác nhau. Nó cũng có thể dự đoán các hiện tượng mới, chẳng hạn như sự chuyển đổi graviton thành photon, là chủ đề của bài báo.
Kết quả của bài báo này rất thú vị và có ý nghĩa, và nó cung cấp một góc nhìn mới để chúng ta hiểu mối quan hệ giữa trọng lực và ánh sáng. Tuy nhiên, nó cũng có một số hạn chế và không chắc chắn đòi hỏi phải nghiên cứu và xác nhận thêm.
Bài báo, được xuất bản bởi một nhóm các nhà vật lý lý thuyết trong cơ sở dữ liệu in sẵn arXiv, có tiêu đề "Chuyển đổi graviton thành photon bằng cộng hưởng tham số". Các tác giả của bài báo đề xuất một khuôn khổ mới kết hợp các tương tác hấp dẫn và điện từ với nhau, dẫn đến việc chuyển đổi graviton (hạt mang lượng tử tác dụng hấp dẫn) thành photon (hạt mang lượng tử tác dụng điện từ). Hiện tượng này xảy ra trong các điều kiện cụ thể, chẳng hạn như sự hiện diện của trường hấp dẫn mạnh gần các vật thể lớn như lỗ đen và sao neutron.
Để hiểu quá trình này, trước tiên chúng ta cần hiểu một số khái niệm vật lý cơ bản. Trong những trường hợp bình thường, bạn không thể bắt đầu từ con số không. Cụ thể, Mô hình Chuẩn của vật lý hạt, lý thuyết thống trị giải thích vườn thú hạ nguyên tử của các hạt, thường cấm sự biến đổi các hạt không khối lượng thành các hạt lớn. Trong khi các hạt trong Mô hình Chuẩn liên tục thay đổi thông qua các phản ứng và quá trình khác nhau, các photon - các hạt mang ánh sáng không khối lượng - thường không thể biến thành các hạt khác. Tuy nhiên, điều này là có thể nếu các điều kiện phù hợp - ví dụ, khi một photon tương tác với một nguyên tử nặng, nó có thể tự phân tách thành các electron và positron, cả hai đều là các hạt lớn. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng Compton và là một kết quả quan trọng của điện động lực học lượng tử.
Để kiểm tra ý tưởng này, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu các điều kiện của vũ trụ sơ khai. Khi vũ trụ của chúng ta vẫn còn trẻ, nó cũng nhỏ, nóng và dày đặc. Trong vũ trụ non trẻ đó, tất cả các dạng vật chất và năng lượng đều được nâng lên đến tỷ lệ không thể tưởng tượng được, vượt xa những gì máy va chạm hạt mạnh nhất của chúng ta có thể đạt được. Thời kỳ này được gọi là kỷ nguyên Planck, và nó là giai đoạn đầu tiên sau Vụ nổ lớn và kéo dài khoảng 10 đến 43 giây vuông.
Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng sóng hấp dẫn đóng một vai trò quan trọng trong thiết lập này. Thông thường, sóng hấp dẫn rất yếu và có thể đẩy các nguyên tử qua các khoảng cách nhỏ hơn chiều rộng hạt nhân của chính chúng. Nhưng trong vũ trụ sơ khai, sóng có thể mạnh hơn nhiều, điều này có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến mọi thứ khác. Những con sóng ban đầu đó sẽ nhấp nhô qua lại, tự phóng đại. Bất cứ thứ gì khác trong vũ trụ đều bị thu hút bởi lực đẩy và lực kéo của sóng, tạo ra hiệu ứng cộng hưởng. Giống như một đứa trẻ bơm chân ra đúng lúc để làm cho xích đu ngày càng cao hơn, sóng hấp dẫn hoạt động như máy bơm, đẩy vật chất thành các cụm chặt chẽ hết lần này đến lần khác. Hiện tượng này được gọi là cộng hưởng tham số và là một hiệu ứng động học phi tuyến.
Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng, nói chung, quá trình này khá kém hiệu quả. Vũ trụ sơ khai cũng đang giãn nở, vì vậy mô hình tiêu chuẩn của sóng hấp dẫn sẽ không tồn tại lâu. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng nếu vũ trụ sơ khai chứa đủ vật chất để tốc độ ánh sáng chậm lại (giống như ánh sáng truyền chậm hơn trong môi trường như không khí hoặc nước), những sóng này có thể ở lại đủ lâu để thực sự làm cho mọi thứ xảy ra, tạo ra rất nhiều photon bổ sung. Điều này có thể đã xảy ra trong thời kỳ lạm phát, đó là một giai đoạn khác sau Vụ nổ lớn, kéo dài khoảng 10 đến 32 giây vuông, trong đó vũ trụ giãn nở với tốc độ vượt quá tốc độ ánh sáng.
Các nhà vật lý vẫn chưa hiểu đầy đủ về vật lý phức tạp, rối rắm của vũ trụ sơ khai, vốn có thể đạt được những kỳ tích chưa từng được quan sát kể từ đó. Nghiên cứu mới bổ sung một sợi chỉ khác cho tấm thảm phong phú: khả năng của trọng lực tạo ra ánh sáng. Người ta suy đoán rằng bức xạ này sẽ tiếp tục ảnh hưởng đến sự hình thành vật chất và sự tiến hóa của vũ trụ, vì vậy việc tìm ra ý nghĩa đầy đủ của quá trình đáng ngạc nhiên này có thể dẫn đến một cuộc cách mạng mới trong sự hiểu biết của chúng ta về những khoảnh khắc sớm nhất của vũ trụ.
Ngoài thấu kính hấp dẫn, có một số hiện tượng khác cũng chỉ ra sự tương tác giữa trọng lực và ánh sáng. Ví dụ, dịch chuyển đỏ hấp dẫn, là khi ánh sáng thoát ra từ trường hấp dẫn mạnh, bước sóng của nó trở nên dài hơn và tần số của nó giảm, làm cho màu của ánh sáng chuyển sang màu đỏ. Hiện tượng này đã được quan sát bằng thực nghiệm vào năm 1960 và cũng là một dự đoán của thuyết tương đối rộng. Một ví dụ khác là sóng hấp dẫn, đề cập đến sự biến dạng trong không-thời gian do chuyển động gia tốc của các vật thể lớn, có thể truyền qua vũ trụ như sóng trên bề mặt nước. Sự tồn tại của sóng hấp dẫn, được xác nhận gián tiếp vào năm 1974 và được phát hiện trực tiếp vào năm 2015, cũng là một thành tựu lớn của thuyết tương đối rộng.
Những hiện tượng này được quan sát ở quy mô vĩ mô, và chúng liên quan đến các trường hấp dẫn mạnh và các vật thể năng lượng cao. Tuy nhiên, các tác giả của bài báo quan tâm đến những gì xảy ra ở quy mô vi mô, liên quan đến lực hấp dẫn lượng tử và các hạt năng lượng thấp. Đây là một lĩnh vực khó khăn và bí ẩn hơn nhiều vì chúng ta chưa có một lý thuyết hoàn chỉnh để mô tả nó. Hiện tại, chúng ta chỉ có một vài ứng cử viên lý thuyết khác nhau, chẳng hạn như lý thuyết dây, hấp dẫn lượng tử toric, hình học không giao hoán, v.v., tất cả đều cố gắng thống nhất lực hấp dẫn và ba tương tác cơ bản khác (mạnh, yếu và điện từ) trong một khuôn khổ duy nhất.
Kết quả của bài báo này rất thú vị và có ý nghĩa, và nó cung cấp một góc nhìn mới để chúng ta hiểu mối quan hệ giữa trọng lực và ánh sáng. Tuy nhiên, nó cũng có một số hạn chế và không chắc chắn đòi hỏi phải nghiên cứu và xác nhận thêm.
