Một vấn đề vật lý không giải thích được - hấp dẫn lượng tử

[Vũ Nguyễn]

Khi khám phá những bí ẩn của vũ trụ, các nhà vật lý giống như hai nhóm thám hiểm, một nhóm theo Albert Einstein, quan sát vẻ đẹp vĩ mô của vũ trụ thông qua kính viễn vọng của thuyết tương đối rộng; nhóm còn lại đi theo Niels Bohr Bohr và Werner Heisenberg trong việc làm sáng tỏ những bí ẩn của thế giới vi mô thông qua kính hiển vi của cơ học lượng tử. Hai lý thuyết này là nền tảng của vật lý hiện đại, chúng giống như hai tấm gương của vũ trụ, phản ánh các khía cạnh khác nhau của vũ trụ từ thế giới vi mô đến thế giới vĩ mô.

Thuyết tương đối rộng, nhiếp ảnh gia vĩ mô của vũ trụ, sử dụng lực hấp dẫn như một manh mối để cho biết sự uốn cong của không-thời gian dệt nên cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ như thế nào. Lý thuyết của Einstein giống như một cảnh quan vũ trụ tráng lệ, tích hợp chuyển động của các ngôi sao, hành tinh, lỗ đen và thậm chí toàn bộ vũ trụ vào một khuôn khổ thống nhất. Tuy nhiên, khi chúng ta phóng to để cố chụp các chi tiết quy mô lượng tử trên khung vẽ của thuyết tương đối rộng, ảnh trở nên mờ nhòe.

Mặt khác, các nhà thám hiểm cơ học lượng tử đang đóng một vai trò trong thế giới vi mô. Lý thuyết này cho thấy bản chất kép của bản chất hạt và sóng của vật chất, cũng như nguyên lý bất định nổi tiếng. Cơ học lượng tử không chỉ giải thích hành vi của các nguyên tử và các hạt hạ nguyên tử, mà còn mở ra cánh cửa để hiểu các phản ứng hóa học, vật lý trạng thái rắn và thậm chí cả các quá trình bên trong của các sinh vật sống. Nhưng khi cố gắng hiểu toàn bộ vũ trụ hoặc một vật thể vĩ mô như lỗ đen với cơ học lượng tử, nó giống như sử dụng kính hiển vi để quan sát các thiên hà.

Đằng sau những thành tựu rực rỡ của thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử là một thực tế không thể bỏ qua: chúng không tương thích trong các điều kiện khắc nghiệt mô tả vũ trụ. Khi các nhà khoa học cố gắng áp dụng hai lý thuyết này vào các môi trường khắc nghiệt như Vụ nổ lớn hoặc lỗ đen, họ phát hiện ra rằng hai lý thuyết này mâu thuẫn. Độ cong không-thời gian của thuyết tương đối rộng dường như thất bại ở quy mô lượng tử, và tính ngẫu nhiên và không chắc chắn trong cơ học lượng tử không tương thích với thuyết quyết định vĩ mô của thuyết tương đối rộng.

Sự không tương thích này không phải là một vấn đề tầm thường, nó thách thức sự hiểu biết cơ bản nhất của chúng ta về vũ trụ và thúc đẩy các nhà khoa học tìm ra một lý thuyết thống nhất vừa có thể mô tả cấu trúc vĩ mô của vũ trụ vừa tiết lộ các cơ chế vi mô của nó. Tên của lý thuyết này là hấp dẫn lượng tử, và mục tiêu của nó là xây dựng một mô hình vũ trụ mới kết nối liền mạch vũ trụ của thuyết tương đối rộng với thế giới vi mô của cơ học lượng tử.

Vũ trụ học của thuyết tương đối rộng​

Hãy tưởng tượng nếu vũ trụ là một tấm cao su khổng lồ, thì thuyết tương đối rộng đang cho chúng ta biết rằng các hành tinh và các thiên thể khác giống như trọng lượng được đặt trên tấm này, và chúng uốn cong tấm cao su. Sự uốn cong đó là cái mà chúng ta gọi là trọng lực. Đây không chỉ là một phép ẩn dụ, mà là bản chất của thuyết tương đối rộng của Einstein được đề xuất vào năm 1915 - độ cong của không-thời gian mô tả mối quan hệ hấp dẫn giữa vật chất. Điều đáng kinh ngạc hơn nữa là lý thuyết này không chỉ giải thích quỹ đạo của các hành tinh xung quanh mặt trời, mà còn dự đoán sự tồn tại của các lỗ đen và sự giãn nở của vũ trụ, đã được xác minh trong các quan sát sau này.

Nhưng thuyết tương đối rộng không chỉ dự đoán chuyển động của các thiên thể, nó vẽ nên một bức tranh ngoạn mục về vũ trụ vĩ mô. Trong bức tranh này, vũ trụ rất năng động, nó có thể giãn nở, nó có thể co lại, và thậm chí nó có thể đạt đến một điểm kỳ dị vô hạn về mật độ trong một lỗ đen. Chính mô tả về trạng thái cực đoan của vũ trụ này làm cho thuyết tương đối rộng trở thành nền tảng của vũ trụ học.

Tuy nhiên, cũng giống như chúng ta tận hưởng vẻ đẹp vĩ mô của vũ trụ thông qua thuyết tương đối rộng, một vấn đề lặng lẽ nảy sinh: khi chúng ta cố gắng áp dụng nó để mô tả thành phần cơ bản nhất của vũ trụ, nghĩa là các hiện tượng ở cấp độ lượng tử, bức tranh tuyệt vời này dường như mâu thuẫn với thế giới vi mô mà chúng ta quan sát. Nó giống như cố gắng giải thích một chủ nghĩa điểm bằng bức tranh phong cảnh của một bậc thầy, mô tả cùng một thế giới nhưng sử dụng các ngôn ngữ và kỹ thuật rất khác nhau.

Sự không phù hợp này có thể không phải là vấn đề trong nhiều trường hợp, xét cho cùng, trên quy mô của cuộc sống hàng ngày, chúng ta không thể nhìn thấy dao động lượng tử cũng như không cảm nhận được độ cong của không-thời gian. Nhưng khi chúng ta chuyển sự chú ý sang các trường hợp cực đoan của vũ trụ - chẳng hạn như lỗ đen hoặc Vụ nổ lớn - sự không tương thích lý thuyết này trở thành một trở ngại không thể bỏ qua.

Thuyết tương đối rộng cung cấp một cái nhìn rõ ràng về vũ trụ vĩ mô, nhưng quan điểm này trở nên mờ nhạt khi đối mặt với các hiện tượng lượng tử. Nó giống như một ông già nhìn vào các thiên hà xa xôi bằng kính viễn vọng, và khi một đứa trẻ tò mò hỏi ông ấy về những bí ẩn của thế giới vi mô bằng kính hiển vi, ông ta không nói nên lời. Giới hạn này cho thấy sự không hoàn chỉnh trong sự hiểu biết của chúng ta về vũ trụ, đó chính xác là những gì lý thuyết hấp dẫn lượng tử tìm cách giải quyết.

Thế giới cơ học lượng tử​

Bước vào thế giới cơ học lượng tử giống như bước vào Alice ở xứ sở thần tiên, với những quy tắc rất khác với trực giác trải nghiệm hàng ngày của chúng ta. Đó là một thế giới nơi các hạt có thể ở nhiều nơi cùng một lúc, mèo có thể chết và sống cùng một lúc (ít nhất là cho đến khi hộp được mở) và hành động của người quan sát có thể thay đổi kết quả của các sự kiện vật lý. Những điều này nghe có vẻ như ma thuật, nhưng chúng thực sự là những hiện tượng cơ bản trong cơ học lượng tử - lưỡng tính sóng-hạt, chồng chất lượng tử và hiệu ứng người quan sát.

Cơ học lượng tử ra đời vào đầu thế kỷ 20 như một tập hợp các lý thuyết mô tả hành vi của các hạt siêu nhỏ như electron và photon. Nó giải thích tại sao các nguyên tử không sụp đổ, cách các phân tử được hình thành và bản chất của các phản ứng hóa học. Điều đáng kinh ngạc hơn nữa là cơ học lượng tử cũng dự đoán nhiều hiện tượng phi trực quan, chẳng hạn như vướng víu lượng tử (rối lượng tử) - hai hạt có thể ảnh hưởng đến nhau ngay lập tức, ngay cả khi chúng cách xa nhau, như thể có một kết nối bí ẩn giữa chúng vượt thời gian và không gian.

Tuy nhiên, trong khi cơ học lượng tử cực kỳ thành công trong việc mô tả thế giới vi mô, ngôn ngữ của nó rất khác với ngôn ngữ được sử dụng bởi thuyết tương đối rộng để mô tả thế giới vĩ mô. Nếu thuyết tương đối rộng là một quý ông trong trang phục trang trọng và một người đàn ông trò chuyện bình tĩnh, thì cơ học lượng tử giống như một nghệ sĩ không bị ức chế và đầy kỳ diệu. Cả hai đều mô tả thực tế của thế giới tự nhiên, nhưng từ những quan điểm và phong cách khác nhau.

Sự khác biệt này không chỉ là một câu hỏi triết học cho tư duy, nó tạo ra một vấn đề rất lớn trong thực tế. Khi chúng ta cố gắng sử dụng cơ học lượng tử để mô tả lực hấp dẫn - loại lực biểu hiện rất yếu trên quy mô hàng ngày, nhưng thống trị mọi thứ trên quy mô vũ trụ, chúng ta thấy mình trong một tình huống khó khăn. Ở quy mô lượng tử, lực hấp dẫn trở nên không liên tục, không còn là một không-thời gian cong, trơn tru, mà là một hiện tượng hạt, nhảy vọt. Cố gắng kết hợp lực hấp dẫn dạng hạt này với độ cong liên tục của không-thời gian trong thuyết tương đối rộng cũng giống như cố gắng khiến một nghệ sĩ tự do tuân theo quy tắc thẩm mỹ cổ điển nghiêm ngặt - một nhiệm vụ cực kỳ khó khăn.

Do đó, thế giới của cơ học lượng tử, trong khi đầy màu sắc, đầy ẩn số và khả năng, phơi bày một sự rạn nứt lớn trong sự hiểu biết khoa học khi nó cố gắng kết nối với vũ trụ học của thuyết tương đối rộng. Sự rạn nứt này chính xác là nơi lý thuyết hấp dẫn lượng tử cố gắng khắc phục. Mặc dù con đường gập ghềnh, chính sự can đảm và tò mò khám phá những điều chưa biết này đã thúc đẩy chúng ta tiếp tục tiến về phía trước trong nỗ lực khám phá những bí mật sâu sắc nhất của vũ trụ.

Điểm khởi đầu của cuộc xung đột: điểm kỳ dị lỗ đen và nghịch lý thông tin​

Trong cuộc hôn nhân của thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử, lỗ đen chắc chắn là vị khách không mời, mang theo một món quà được gọi là "điểm kỳ dị", cũng như một câu đố gây đau đầu - nghịch lý thông tin. Trước tiên hãy nói về điểm kỳ dị. Trong bối cảnh thuyết tương đối rộng, điểm kỳ dị là một điểm ở trung tâm của một lỗ đen với mật độ vô hạn và độ cong vô hạn của không-thời gian. Theo định nghĩa này, điểm kỳ dị dường như là một "hố không đáy" trong vũ trụ, trong đó mọi thứ rơi vào nó biến mất không một dấu vết, bao gồm cả thông tin.

Tuy nhiên, cơ học lượng tử không đồng ý với cách tiếp cận này. Trong thế giới lượng tử, thông tin được coi là được bảo toàn, giống như năng lượng và vật chất. Điều này dẫn đến nghịch lý thông tin nổi tiếng: nếu thông tin rơi vào lỗ đen và bị phá hủy tại điểm kỳ dị, thì các nguyên tắc cơ bản của cơ học lượng tử bị vi phạm. Stephen Hawking đã gợi ý rằng các lỗ đen phát ra các hạt và cuối cùng bốc hơi, nhưng điều này đặt ra một câu hỏi mới: thông tin từng rơi vào lỗ đen sẽ đi đâu sau khi lỗ đen bốc hơi?

Câu hỏi này không phải là một sự phản ánh triết học thuần túy, mà chạm vào chính gốc rễ của vật lý. Nếu thông tin thực sự biến mất trong các lỗ đen, thì vũ trụ của chúng ta sẽ là một nơi không thể đoán trước, và sức mạnh dự đoán của cơ học lượng tử sẽ bị giảm đi rất nhiều. Và nếu thông tin không biến mất, thì làm thế nào để nó thoát khỏi điểm kỳ dị lỗ đen được mô tả bởi thuyết tương đối rộng?

Trước câu đố này, các nhà vật lý đã đề xuất một loạt các lý thuyết và giả thuyết để cố gắng giải câu đố này. Một trong những ý tưởng thú vị là một giải pháp khả thi cho "nghịch lý thông tin lỗ đen" liên quan đến sự vướng víu lượng tử, trong đó những hạt thoát ra khỏi lỗ đen bằng cách nào đó giữ lại thông tin về các hạt rơi vào lỗ đen. Tuy nhiên, điều này đặt ra những câu hỏi mới, chẳng hạn như liệu "hành động siêu khoảng cách ma quái" được ngụ ý bởi sự vướng víu lượng tử có tương thích với vũ trụ học của thuyết tương đối rộng hay không?

Chính những rắc rối và nghịch lý này thúc đẩy sự phát triển của lý thuyết hấp dẫn lượng tử. Các nhà khoa học nhận ra rằng để giải quyết những vấn đề này, cần có một khung lý thuyết hoàn toàn mới có thể mô tả cả hiện tượng vĩ mô của vũ trụ và các hiện tượng vi mô của thế giới lượng tử. Lỗ đen không chỉ là những vật thể cực đoan trong vũ trụ, mà còn là nơi thử nghiệm khắc nghiệt trong vật lý lý thuyết, thách thức sự hiểu biết của chúng ta về các định luật cơ bản nhất của vũ trụ.

Con đường khám phá lực hấp dẫn lượng tử​

Trên sân khấu lớn của vật lý, vai trò của hấp dẫn lượng tử đã được thêm vào sau đó, nhưng nhiệm vụ của nó là vô cùng khó khăn - để giải quyết mâu thuẫn giữa thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử và tìm ra một khuôn khổ lý thuyết thống nhất. Nghe có vẻ như vẽ những ngôi sao trên bầu trời và những vòng xoáy trong một cốc nước trên một tờ giấy.

Việc khám phá lý thuyết hấp dẫn lượng tử không đơn độc, và nó có nhiều người bạn đồng hành đang tìm cách giải quyết vấn đề tương tự. Trong quá trình khám phá này, các nhà vật lý đã đưa ra nhiều lý thuyết và mô hình khác nhau trong nỗ lực thiết lập một khuôn khổ có thể mô tả cả hiện tượng vĩ mô và vi mô trong vũ trụ. Từ lý thuyết dây đến lực hấp dẫn lượng tử vòng đến nghiên cứu entropy lỗ đen và bức xạ Hawking, mỗi bước đi giống như tìm đường đến thế giới chưa biết trong những khu rừng rậm rạp của vũ trụ.

Hãy bắt đầu với lý thuyết dây, có lẽ là ứng cử viên nổi tiếng nhất cho lý thuyết hấp dẫn lượng tử. Trong thế giới quan của lý thuyết dây, thành phần cơ bản của vũ trụ không còn là các hạt chấm, mà là những sợi dây nhỏ, rung động. Các chế độ rung động khác nhau của các chuỗi này xác định rằng chúng hoạt động như các hạt cơ bản như electron, quark, v.v. Vẻ đẹp của lý thuyết dây là nó không chỉ cố gắng thống nhất tất cả các lực cơ bản, bao gồm cả lực hấp dẫn, mà còn dự đoán sự tồn tại của các chiều bổ sung. Tuy nhiên, một trong những thách thức của lý thuyết dây là nó cực kỳ phức tạp về mặt toán học và không có bằng chứng thực nghiệm trực tiếp để hỗ trợ nó.

Con đường khác là lực hấp dẫn lượng tử tròn, là một nỗ lực để trực tiếp lượng tử hóa không-thời gian. Không giống như lý thuyết dây, hấp dẫn lượng tử tròn không yêu cầu đưa ra các chiều hoặc giả định bổ sung của các hạt cơ bản mới, và điểm khởi đầu của nó gần với khuôn khổ ban đầu của cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng. Lực hấp dẫn lượng tử vòng mô tả một không-thời gian được dệt bởi các "vòng" lượng tử trong đó lực hấp dẫn được tạo ra bởi sự tương tác của các vòng lượng tử này. Cách tiếp cận này cung cấp những hiểu biết mới về trạng thái ban đầu của vũ trụ và bên trong các lỗ đen, nhưng nó cũng phải đối mặt với những khó khăn thực nghiệm trong việc xác nhận các dự đoán của nó.

Một cột mốc quan trọng khác trong việc khám phá lực hấp dẫn lượng tử là nghiên cứu entropy lỗ đen và bức xạ Hawking. Bằng cách nghiên cứu sâu các lỗ đen, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng các lỗ đen không hoàn toàn đen, chúng phát ra các hạt do hiệu ứng lượng tử và cuối cùng bốc hơi. Khám phá này không chỉ cung cấp một manh mối quan trọng cho lực hấp dẫn lượng tử, mà còn cung cấp một giải pháp khả thi cho nghịch lý thông tin lỗ đen.

Lý thuyết dây: Một cây cầu khả thi?​

Trong sương mù khám phá lực hấp dẫn lượng tử, lý thuyết dây (thuyết dây string theory) giống như một ngọn hải đăng chiếu sáng những điều chưa biết. Lý thuyết này đề xuất một ý tưởng đáng ngạc nhiên: mọi thứ trong vũ trụ, từ những ngôi sao chúng ta nhìn thấy đến những hạt cơ bản nhất trong cơ thể chúng ta, thực sự được tạo thành từ những sợi dây nhỏ, rung động. Mô hình rung động của các dây này xác định bản chất của cách chúng hoạt động, giống như các dây khác nhau trên một cây đàn guitar tạo ra các âm sắc khác nhau.

Vẻ đẹp của lý thuyết dây là nó không chỉ cố gắng giải thích vật chất được tạo thành như thế nào, mà còn cố gắng thống nhất bốn lực cơ bản trong vật lý - lực mạnh, lực yếu, lực điện từ và lực hấp dẫn. Trong khuôn khổ của lý thuyết dây, những lực dường như khác nhau này chỉ là những biểu hiện khác nhau của các dây rung động theo những cách khác nhau. Điều này nghe có vẻ gần giống như ma thuật, nhưng về mặt toán học, nó cung cấp một cách khả thi để thống nhất cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng.

Thậm chí thú vị hơn, lý thuyết dây dự đoán rằng sẽ có thêm các chiều không gian trong vũ trụ vượt ra ngoài những gì chúng ta biết về không gian ba chiều và thời gian một chiều. Những chiều không gian ẩn này cung cấp một cách hiểu hoàn toàn mới về cấu trúc cơ bản của vũ trụ và có thể là chìa khóa để giải câu đố về lực hấp dẫn lượng tử. Tuy nhiên, chính sự tồn tại của các chiều không gian bổ sung này làm cho các dự đoán vật lý của lý thuyết dây khó xác minh trực tiếp trong các thí nghiệm, khiến nó trở thành một lĩnh vực gây tranh cãi cao.

Mặc dù lý thuyết dây cực kỳ đẹp và thơ mộng, nhưng nó cũng đã phải đối mặt với những lời chỉ trích. Một trong những lời chỉ trích chính là cho đến nay chúng tôi vẫn chưa tìm ra cách để quan sát trực tiếp các chiều bổ sung hoặc chính các dây. Điều này đặt lý thuyết dây vào một vị trí khó xử, được một số nhà khoa học coi là gần với các cấu trúc toán học hơn là các lý thuyết vật lý có thể kiểm chứng.

Ngoài ra, sự phức tạp cực độ của lý thuyết dây cũng là một thách thức. Bản thân lý thuyết này đòi hỏi một mức độ kỹ năng toán học cao, và khái niệm đa vũ trụ mà nó dự đoán đã làm dấy lên các cuộc thảo luận triết học về cách khoa học nên tiếp cận thử nghiệm giả thuyết. Mặc dù vậy, lý thuyết dây cho đến nay vẫn là một trong những ứng cử viên hứa hẹn nhất trong việc tìm kiếm một lý thuyết thống nhất của chúng ta. Nó cho chúng ta thấy một cây cầu khả dĩ bắc qua vực thẳm giữa các dao động lượng tử trong thế giới vi mô và các khúc cua không-thời gian trong thế giới vĩ mô.Lý thuyết hấp dẫn lượng tử trong vòng: một cách tiếp cận thay thế

Nếu lý thuyết dây khám phá những bí ẩn của vũ trụ thông qua các dây rung động vi mô, thì lý thuyết hấp dẫn lượng tử tròn có một quan điểm khác, cố gắng lượng tử hóa trực tiếp không-thời gian, cung cấp một quan điểm rất khác để hiểu vũ trụ từ lý thuyết dây. Hãy tưởng tượng nếu thuyết tương đối rộng mô tả không-thời gian như một tấm vải đàn hồi liên tục, lý thuyết hấp dẫn lượng tử cho chúng ta biết rằng tấm vải này thực sự được dệt từ vô số "vòng lượng tử" nhỏ, rời rạc. Ý tưởng này trình bày cho chúng ta một cấu trúc chi tiết của vũ trụ thách thức sự hiểu biết thông thường của chúng ta về tính liên tục của không-thời gian.

Vẻ đẹp của lý thuyết hấp dẫn lượng tử xung quanh là nó không dựa vào các chiều không gian bổ sung không quan sát được hoặc các thực thể vật lý chưa biết. Thay vào đó, nó được xây dựng dựa trên những gì đã biết về cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng, và cố gắng giải thích lực hấp dẫn theo cách cơ bản hơn. Bằng cách lượng tử hóa không-thời gian, lý thuyết hấp dẫn lượng tử tròn đề xuất một dự đoán thú vị: cấu trúc của không-thời gian không liên tục ở quy mô cực nhỏ. Không-thời gian lượng tử hóa này mở ra những khả năng mới để giải thích trạng thái ban đầu của vũ trụ cũng như bên trong các lỗ đen.

Lý thuyết hấp dẫn lượng tử tròn cũng cung cấp một quan điểm độc đáo trong việc giải quyết nghịch lý thông tin của các lỗ đen. Nếu không-thời gian được tạo thành từ các vành đai lượng tử, thì điểm kỳ dị của một lỗ đen - điểm có mật độ vô hạn mà về mặt lý thuyết không thể xử lý được - có thể hoàn toàn không tồn tại. Thay vào đó, trung tâm của một lỗ đen có thể là một vòng lượng tử khổng lồ, trong đó thông tin không bị phá hủy, mà bằng cách nào đó được bảo tồn hoặc biến đổi.

Trong khi lý thuyết hấp dẫn lượng tử tròn cung cấp cho chúng ta một viễn cảnh mới về vũ trụ, nó cũng phải đối mặt với những thách thức riêng của nó. Tương tự như lý thuyết dây, dự đoán hấp dẫn lượng tử chu vi rất khó xác minh trực tiếp ở trạng thái hiện tại của nghệ thuật. Ngoài ra, bản thân lý thuyết vẫn đang phát triển và vẫn còn nhiều câu hỏi cần được giải quyết, chẳng hạn như làm thế nào để tích hợp đầy đủ tất cả các yếu tố của cơ học lượng tử và làm thế nào để rút ra các dự đoán vũ trụ học chính xác từ lý thuyết.

Entropy lỗ đen và bức xạ Hawking: manh mối về lực hấp dẫn lượng tử​

Trong mê cung hấp dẫn lượng tử, lỗ đen không chỉ là một câu đố, mà còn là manh mối quan trọng để hiểu cấu trúc sâu thẳm của vũ trụ. Đặc biệt, việc phát hiện ra entropy lỗ đen và bức xạ Hawking giống như tìm thấy ánh sáng trong một căn phòng tối, tiết lộ con đường có thể có của lực hấp dẫn lượng tử.

Đầu tiên, hãy nói về entropy lỗ đen. Theo truyền thống, entropy là một đại lượng vật lý mô tả mức độ hỗn loạn trong một hệ thống, nhưng trong bối cảnh lỗ đen, khái niệm entropy đã được đưa ra một ý nghĩa mới. Vào những năm 1970, nhà vật lý Jacob Beckenstein đã đề xuất rằng entropy của một lỗ đen tỷ lệ thuận với diện tích chân trời sự kiện của nó, chứ không phải thể tích của nó. Ý tưởng này thoạt nghe có vẻ phản trực giác, nhưng nó tiết lộ thông tin quan trọng: lượng thông tin mà một lỗ đen chứa có liên quan đến diện tích bề mặt của nó, không phải thể tích của nó, trùng khớp với "nguyên tắc ba chiều" của lý thuyết thông tin.

Sau đó, thông qua các tính toán của lý thuyết trường lượng tử, Stephen Hawking phát hiện ra rằng các lỗ đen không hoàn toàn là "đen", và chúng phát ra các hạt dưới dạng cái gọi là bức xạ Hawking. Phát hiện này đã gây sốc cho cộng đồng khoa học vì nó có nghĩa là các lỗ đen sẽ dần mất khối lượng và cuối cùng bốc hơi, một quá trình dường như mâu thuẫn với nguyên tắc bảo toàn thông tin. Bức xạ Hawking không chỉ cho chúng ta thấy các hiệu ứng lượng tử ảnh hưởng đến các vật thể hấp dẫn như thế nào, mà còn cung cấp manh mối quan trọng để giải quyết nghịch lý thông tin lỗ đen.

Nghiên cứu về entropy lỗ đen và bức xạ Hawking đã khiến các nhà vật lý suy nghĩ lại về cách cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng có thể cùng tồn tại trong điều kiện khắc nghiệt. Những khám phá này cho thấy các định luật cơ bản của vũ trụ có thể được ẩn giấu trong những phương trình dường như đơn giản này, đang chờ được giải mã. Sâu sắc hơn, chúng cho chúng ta thấy rằng giao điểm của các cõi lượng tử và lực hấp dẫn có thể gần hơn và phức tạp hơn chúng ta nghĩ.

Thông qua nghiên cứu entropy lỗ đen và bức xạ Hawking, các nhà khoa học đã dần xây dựng một khuôn khổ lý thuyết cho lực hấp dẫn lượng tử. Những nghiên cứu này không chỉ làm sâu sắc thêm sự hiểu biết của chúng ta về bản chất của lỗ đen, mà còn cung cấp những quan điểm và ý tưởng mới để giải quyết mâu thuẫn giữa lượng tử và lực hấp dẫn. Chính sự can đảm và tò mò này để khám phá các nguyên tắc cơ bản của vũ trụ trong những điều kiện vật lý khắc nghiệt đã thúc đẩy vật lý - và thực sự là toàn bộ lĩnh vực khoa học - tiến lên.

Thử thách thực nghiệm: Xác minh lực hấp dẫn lượng tử​

Việc khám phá lý thuyết hấp dẫn lượng tử giống như cố gắng tìm lối ra trong mê cung dưới lòng đất không có ánh sáng, và mặc dù ngọn hải đăng của lý thuyết chỉ đường, không có sự hỗ trợ của các thí nghiệm, chúng ta không thể chắc chắn liệu chúng ta có thực sự đi đúng hướng hay không. Điều này đặt ra một thách thức rất lớn trong nghiên cứu hấp dẫn lượng tử: làm thế nào để kiểm tra các lý thuyết toán học và trừu tượng cao này bằng thực nghiệm?

Trước hết, chúng ta phải đối mặt với những khó khăn kỹ thuật. Hiệu ứng của hấp dẫn lượng tử rất yếu trong điều kiện bình thường nên rất khó quan sát trực tiếp với công nghệ hiện tại. Ví dụ, chiều không gian bổ sung được dự đoán trong lý thuyết dây, cũng như các hạt không-thời gian trong lý thuyết hấp dẫn lượng tử tròn, đòi hỏi mức năng lượng cực cao để được phát hiện, một mức năng lượng không thể đạt được trong các máy gia tốc hạt trên Trái đất. Ngoài ra, cường độ tín hiệu của bức xạ Hawking, đóng vai trò là bằng chứng về sự bốc hơi của các lỗ đen, thấp đến mức gần như không thể phát hiện được trong bức xạ nền vũ trụ.

Tuy nhiên, các nhà khoa học vẫn không bỏ cuộc, và họ đang phát triển các kỹ thuật mới và thiết kế thử nghiệm trong nỗ lực gián tiếp quan sát tác động của lực hấp dẫn lượng tử. Một con đường khả thi là thông qua các quan sát thiên văn tinh vi. Ví dụ, đối với chiều không gian bổ sung được dự đoán bởi lý thuyết dây, các nhà khoa học hy vọng sẽ tìm thấy manh mối bằng cách xem xét các tia vũ trụ năng lượng cao hoặc sóng hấp dẫn xung quanh các lỗ đen. Đối với lý thuyết hấp dẫn lượng tử tròn, các nhà khoa học đang khám phá liệu có thể xác minh độ chi tiết của không-thời gian bằng cách phát hiện các mẫu cụ thể trong bức xạ nền vi sóng vũ trụ hay không.

Ngoài ra, một số nhà lý thuyết cũng đang xem xét các thiết kế thí nghiệm táo bạo hơn, chẳng hạn như sử dụng nghịch lý thông tin của lỗ đen, thiết kế các thí nghiệm tưởng tượng để phát hiện xem thông tin có thể thực sự thoát ra khỏi lỗ đen hay không. Mặc dù các thí nghiệm này vẫn đang trong giai đoạn lý thuyết và mô phỏng máy tính, nhưng chúng cung cấp các hướng nghiên cứu khả thi cho các nhà vật lý thực nghiệm trong tương lai.

Việc xác minh thực nghiệm lực hấp dẫn lượng tử không chỉ là chìa khóa để kiểm tra tính đúng đắn của lý thuyết, mà còn là cách duy nhất cho sự phát triển của vật lý. Mỗi bước đột phá thực nghiệm mở ra một chương mới trong vật lý, tiết lộ cấu trúc sâu sắc và các định luật cơ bản của vũ trụ. Bất chấp những thách thức, như vô số khám phá khoa học trong suốt lịch sử đã chứng minh, sự tò mò liên tục và tinh thần khám phá cuối cùng sẽ dẫn chúng ta đến ánh sáng và làm sáng tỏ những bí ẩn sâu sắc nhất của vũ trụ.

Ranh giới của lý thuyết: Vụ nổ lớn và các điều kiện khắc nghiệt của vũ trụ​

Trong nhà hát vật lý, Vụ nổ lớn không chỉ là khoảnh khắc khi phần mở đầu tăng lên, mà còn là thách thức cuối cùng đối với các giới hạn của lý thuyết. Tiết mục này về sự ra đời của vũ trụ đặt hai siêu sao của thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử trên cùng một sân khấu, chỉ để thấy rằng có những khác biệt không thể hòa giải giữa chúng. Vụ nổ Big Bang và các điều kiện khắc nghiệt của vũ trụ đã trở thành nơi tuyệt vời để kiểm tra các lý thuyết về lực hấp dẫn lượng tử, và chúng đòi hỏi chúng ta phải suy nghĩ lại về bản chất của thời gian, không gian và thậm chí cả vật chất.

Từ quan điểm của thuyết tương đối rộng, Vụ nổ lớn đánh dấu sự khởi đầu của không-thời gian và vật chất. Nhưng khi chúng ta cố gắng sử dụng lý thuyết này để truy ngược lại khoảnh khắc đầu tiên của vũ trụ, chúng ta gặp phải cái gọi là "điểm kỳ dị" - một điểm lý thuyết trong đó mật độ là vô hạn và các định luật vật lý thất bại. Thuyết tương đối rộng đạt đến giới hạn của nó khi mô tả thời điểm này bởi vì nó không thể xử lý mật độ vô hạn tại điểm kỳ dị và độ cong vô hạn của không-thời gian.

Cơ học lượng tử cung cấp một quan điểm hoàn toàn khác về vấn đề này. Nó ngụ ý rằng ở quy mô cực nhỏ, hành vi của vũ trụ bị chi phối bởi các dao động lượng tử có thể đã tránh được các điểm kỳ dị theo nghĩa truyền thống. Tuy nhiên, bản thân cơ học lượng tử không có các công cụ hoàn chỉnh để mô tả các hiện tượng ở mật độ cao và năng lượng cao như vậy. Nói cách khác, ngay tại thời điểm vũ trụ được sinh ra, các định luật vật lý của chúng ta dường như thất bại cùng một lúc.

Đây là nơi lý thuyết hấp dẫn lượng tử cố gắng bước vào. Bằng cách đề xuất một khuôn khổ thống nhất cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng, lý thuyết hấp dẫn lượng tử hy vọng sẽ mô tả trạng thái ban đầu này của vũ trụ và giải thích cách vũ trụ đi từ "không có gì" thành "tồn tại" trong những điều kiện khắc nghiệt này. Điều này không chỉ quan trọng để hiểu nguồn gốc của vũ trụ, mà còn có thể tiết lộ các dạng mới của các định luật vật lý trong điều kiện khắc nghiệt.

Tuy nhiên, việc thăm dò lý thuyết như vậy là không dễ dàng. Nó đòi hỏi sự phát triển của các công cụ và khái niệm toán học hoàn toàn mới về vật lý, có thể bao gồm lượng tử hóa thời gian và không gian, hoặc thậm chí các ý tưởng hoàn toàn khác nhau về việc xây dựng vũ trụ. Mỗi bước tiến là một cuộc khám phá về những điều chưa biết, và mỗi bước đột phá lý thuyết có thể mang lại một sự hiểu biết mới về bản chất của vũ trụ.

Vụ nổ lớn và các điều kiện khắc nghiệt của vũ trụ không chỉ thách thức các giới hạn lý thuyết của chúng ta, mà còn thúc đẩy mong muốn của chúng ta để hiểu sâu hơn về vũ trụ. Lý thuyết hấp dẫn lượng tử đóng một vai trò cực kỳ quan trọng trong cuộc khám phá này, không chỉ là hy vọng giải quyết sự không tương thích giữa thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử, mà còn là chìa khóa để hiểu những bí ẩn của vũ trụ ở các trạng thái cực đoan. Khi chúng ta tiếp tục làm như vậy, chúng ta có thể khám phá những bí mật đằng sau Vụ nổ lớn và hiểu câu chuyện có thật của vũ trụ từ hư vô.

Nguồn: Chương trình Mars X