Các nhà vật lý phát triển mô hình hấp dẫn lượng tử để giải thích sự giãn nở ban đầu của vũ trụ

Một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế đã xây dựng một phần mở rộng của lý thuyết hấp dẫn có khả năng giải quyết những bế tắc lịch sử về những khoảnh khắc đầu tiên của vũ trụ. Mô hình toán học, được gọi là Lực hấp dẫn lượng tử bậc hai, thiết lập một cầu nối kỹ thuật giữa thuyết tương đối rộng của Albert Einstein và các nguyên lý của cơ học lượng tử trong giai đoạn đầu của Vụ nổ lớn.

Nghiên cứu được thực hiện bởi Niayesh Afshordi, một nhà nghiên cứu tại Đại học Waterloo và Viện Perimeter, chỉ ra rằng bản thân lực hấp dẫn có các yếu tố vật lý cần thiết để biện minh cho sự giãn nở nguyên thủy của không gian. Công thức này loại bỏ việc sử dụng các trường giả thuyết bổ sung, làm thay đổi các mô hình được thiết lập bởi vũ trụ học truyền thống về sự hình thành các cấu trúc vũ trụ cơ bản.

Hạn chế của thuyết tương đối rộng trong vũ trụ sơ khai

Lý thuyết tương đối rộng, do Albert Einstein công bố năm 1915, thể hiện độ chính xác cực cao trong việc mô tả các hiện tượng vật lý thiên văn quy mô lớn, chẳng hạn như chuyển động của các thiên hà và quỹ đạo của các hành tinh. Tuy nhiên, khuôn khổ toán học bị sụp đổ về mặt cấu trúc khi các nhà vật lý cố gắng áp dụng nó vào những điều kiện khắc nghiệt xuất hiện trong mili giây đầu tiên của Vụ nổ lớn hoặc trong lõi dày đặc của các lỗ đen.

Trong những trường hợp có mật độ tuyệt đối, nhiệt độ không thể tính toán được và độ cong cực độ của không-thời gian, các phương trình cổ điển dẫn đến một điểm kỳ dị. Khái niệm này xác định một điểm toán học trong đó các đại lượng vật lý đạt đến giá trị vô hạn, khiến cho mọi phép tính có thể dự đoán được đều không thể thực hiện được. Giáo sư Niayesh Afshordi làm rõ rằng sự có mặt của các giá trị vô hạn trong các phương trình chứng tỏ lý thuyết đã vượt quá giới hạn độ tin cậy vận hành của nó.

Thuyết tương đối rộng mất đi chức năng trên thang năng lượng cao như mức được ghi lại vào thời điểm vũ trụ ra đời. Để vượt qua rào cản kỹ thuật này, cộng đồng khoa học đã dành nhiều thập kỷ để áp dụng phương pháp tiếp cận lý thuyết. Phương pháp tiêu chuẩn là giữ nguyên các phương trình của Einstein và bổ sung thêm các lớp toán học bổ sung, chẳng hạn như trường lạm phát vũ trụ, để giải thích sự giãn nở tăng tốc của không gian ngay sau vụ nổ nguyên thủy.

Lạm phát vũ trụ đã trở thành mô hình chiếm ưu thế trong sách giáo khoa vật lý, nhưng nó luôn mang gánh nặng đòi hỏi những yếu tố chưa từng được quan sát trực tiếp trong phòng thí nghiệm hoặc kính thiên văn. Nhu cầu thừa nhận những năng lượng chưa biết để làm cho toán học hoạt động đã tạo ra sự khó chịu giữa các nhà lý thuyết, thúc đẩy việc tìm kiếm một giải pháp thống nhất và tao nhã hơn cho vấn đề nguồn gốc của vật chất.

Cơ học lượng tử và sự giãn nở tự nhiên của không gian

Đề xuất mới đảo ngược logic nghiên cứu được các khoa vật lý áp dụng trong những thập kỷ gần đây. Thay vì chèn các thành phần bên ngoài để khắc phục những sai sót trong thuyết tương đối rộng, nhóm nghiên cứu đã sửa đổi chính cấu trúc của lý thuyết hấp dẫn. Mục tiêu trọng tâm là đảm bảo rằng các phương trình vẫn nhất quán và hoạt động ngay cả dưới mức năng lượng và áp suất cực cao.

Phần mở rộng lý thuyết này nhận được tên kỹ thuật là tính đầy đủ của tia cực tím trong thuật ngữ vật lý hạt. Cách tiếp cận này nghiên cứu xem liệu hành vi hỗn loạn của vũ trụ sơ khai có xuất phát trực tiếp từ lực hấp dẫn đã biến đổi, có khả năng hoạt động ổn định trong môi trường năng lượng cao hay không. Mô hình Lực hấp dẫn lượng tử bậc hai bảo tồn cơ sở toán học của Einstein nhưng kết hợp các thuật ngữ mới giúp ổn định các phép tính ở mọi quy mô.

Việc áp dụng lực hấp dẫn mở rộng này vào kịch bản Vụ nổ lớn đã tạo ra kết quả khiến chính các tác giả nghiên cứu phải ngạc nhiên. Một pha giãn nở tăng tốc, giống hệt với lạm phát vũ trụ, xuất hiện một cách tự nhiên từ các phương trình mới mà không cần phải chèn thủ công các tham số tùy ý. Hành vi mở rộng đã nổi lên như một đặc tính nội tại của lực hấp dẫn đã được điều chỉnh.

Ngoài việc giải thích sự khai triển, công thức toán học còn loại bỏ sự cần thiết của điểm kỳ dị ban đầu. Điểm có mật độ vô hạn, được coi là một trong những trở ngại lớn nhất trong vũ trụ học hiện đại, biến mất trong các tính toán của Lực hấp dẫn lượng tử bậc hai. Vũ trụ hiện có một nguồn gốc có thể mô tả được bằng các định luật vật lý nhất quán, không có những vi phạm toán học đòi hỏi phải đình chỉ các quy luật tự nhiên đã biết.

Tìm kiếm bằng chứng trong nền vi sóng vũ trụ

Sự chuyển đổi từ một giả thuyết toán học sang một lý thuyết khoa học tổng hợp đòi hỏi phải có bằng chứng thực nghiệm chặt chẽ. Các nhà nghiên cứu đã thiết lập những hướng dẫn rõ ràng cho các giai đoạn điều tra tiếp theo, tập trung vào việc thu thập dữ liệu có thể xác nhận những dự đoán của mô hình mới so với các lý thuyết lạm phát truyền thống.

Lộ trình thử nghiệm quan sát và cải tiến lý thuyết bao gồm các bước cơ bản sau đây đối với vật lý thiên văn:

• Cải thiện cơ sở lý thuyết của mô hình toán học để kiểm tra tính ổn định trong các kịch bản vũ trụ phức tạp.
• Xây dựng các dự đoán quan sát chính xác để phân biệt lực hấp dẫn mới với các mô hình lạm phát thông thường.
• Theo dõi các mô hình cụ thể trong quá trình truyền sóng hấp dẫn nguyên thủy được tạo ra vào thời kỳ đầu.
• Nghiên cứu những dị thường tinh tế trong nền vi sóng vũ trụ, được coi là hóa thạch phát sáng lâu đời nhất trong không gian.
• Xử lý dữ liệu từ kính thiên văn thế hệ tiếp theo để xác nhận hoặc loại bỏ các giả thuyết được nêu ra.

Giáo sư Niayesh Afshordi nhấn mạnh rằng những công cụ này đại diện cho những tàu thăm dò duy nhất có khả năng cung cấp thông tin trực tiếp về vật lý trong những thời kỳ cực kỳ xa xôi của lịch sử vũ trụ. Việc phát hiện các dấu hiệu cụ thể trong sóng hấp dẫn hoặc nền vi sóng vũ trụ sẽ đóng vai trò là bằng chứng dứt khoát cho tính hợp lệ của Lực hấp dẫn lượng tử bậc hai.

Các đài quan sát trên mặt đất và không gian đã lập bản đồ bầu trời để tìm kiếm những biến động nguyên thủy này. Nền vi sóng vũ trụ, thấm vào toàn bộ vũ trụ nhìn thấy được với nhiệt độ chỉ cao hơn độ không tuyệt đối vài độ, chứa những biến đổi nhiệt độ nhỏ đóng vai trò như một bản đồ phân bố vật chất ngay sau Vụ nổ lớn. Mô hình mới dự đoán các mẫu cụ thể trong các mảng nhiệt này.

Tác động đến các mô hình vũ trụ đương đại

Hiệu suất của công thức toán học mới so với dữ liệu vũ trụ hiện tại mang lại kết quả đầy hứa hẹn cho cộng đồng khoa học. Lực hấp dẫn lượng tử bậc hai phù hợp chính xác với các quan sát thiên văn sẵn có, vượt qua hiệu quả của một số mô hình lạm phát tiêu chuẩn trong các mô phỏng cụ thể. Mặc dù sự điều chỉnh không đưa ra bằng chứng chắc chắn nhưng nó xác nhận tính khả thi của con đường mà các nhà nghiên cứu đã chọn.

Việc xây dựng một lý thuyết hoạt động về lực hấp dẫn lượng tử vẫn là mục tiêu cuối cùng của vật lý lý thuyết hiện đại. Sự thống nhất thành công giữa thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử sẽ giải quyết được sự không tương thích cơ bản giữa thế giới vĩ mô của các thiên hà và thế giới vi mô của các hạt hạ nguyên tử. Hiện tại, hai lĩnh vực vật lý này hoạt động theo các quy tắc toán học không liên lạc với nhau.

Việc xác nhận các giả thuyết do nhóm Viện Perimeter đưa ra sẽ làm thay đổi hiểu biết của con người về cấu trúc của không-thời gian. Công trình chứng minh rằng Albert Einstein đã đi đúng hướng và lý thuyết của ông chỉ cần một phần mở rộng toán học tự nhiên để hoạt động trong các chế độ năng lượng tuyệt đối. Khoa học tiến tới một kịch bản trong đó nguồn gốc của vũ trụ không đòi hỏi phải tạo ra các lực lạ mà dựa vào bản chất của lực hấp dẫn.