Thuyết tương đối rộng: Sự hấp dẫn lượng tử pps

Thuyết tương đối rộng: Sự
hấp dẫnlượng tử
Thuyết tương đối rộng chỉ làmộttrong những cột trụ của vậtlí học hiện đại.
Cột trụ kia là cơ họclượng tử,lí thuyết mô tả cái xảy raở cấp độ nguyêntử và hạ
nguyêntử. Hiệnthân hiệnđại của nó, lí thuyết trường lượngtử, đã đặcbiệt thành
công ở việc môtả và tiên đoán hànhtrạng củacác hạtvà các lực cơ bản.
Thách thức chính hiệnnaylà kếthợp haiquan điểm đó thành mộtlí thuyết
thống nhất, gọi là líthuyết hấp dẫnlượng tử. Mộtlí thuyết như vậy sẽ cần thiết cho
việc giải thích những thời khắc đầu tiên của BigBang,khivũ trụ đậm đặc, nóngvà
nhỏ bé, hoặc cái xảy raở gần kì dị tại nhân của các lỗ đen, nơi các hiệu ứng vật lí
lượng tử có thể cạnhtranh vớicác hiệuứng củathuyết tươngđối rộng.
Một lời giải cho sự hấp dẫn lượng tử là các dây ở xung quanh chúng ta? (Ảnh:
Michael Banks/Getty)
Mặcdù cho đến nayvẫnchưa có líthuyết cuối cùng của sự hấpdẫn lượng tử,
nhưng đã có mộtvàilí thuyết ứngcử viên đang được khảo sát sôi nổi. Một là lí
thuyết dây,mô tả các thànhphần cơ bản của vật chất không phải dạng những hạt
kiểu chất điểmmà là các dâyvi mô đang daođộng. Tùythuộc vào chúngdaođộng
như thế nào,các dây đó sẽ được cảm nhậnlà những hạt khác nhau– bao gồm cả
graviton, hạt được cho là manglực hấp dẫn.
Một khả năng nữalà không-thời giankhông trơn mà cấu thànhtừ những
viên gạch cấutrúc rời rạc tươngtác lẫn nhau.Hệ quả lànếu chúngta có thể khảo
sát kĩ lưỡng cấu trúc tinh vicủa nó, thì nó có thể trông giống như mộtcái bọt
không-thời gianrỗng.Trong những lí thuyết như vậy, cáichúng ta cảm nhận là
không-thời gianuốn cong và cuộnnhẵn lại trongsự có mặt củavật chấtchỉ là một
hiện tượngnổi lênche giấyhànhtrạng cơ bản hơn ở cấp độ nhỏ.
Việc đi tìm lí thuyếthấpdẫn lượng tử được người ta cho là thách thức lớn
nhất màvật lí họchiện đại đang đối mặt. Mộttrong các khó khăn là nó chỉ thật sự
tự hiển hiện ở nhữngmức năng lượngcao cực độ, nằmngoài tầm vớithực nghiệm
của chúngta. Cácnhà vật lí hiện đang đối mặt trướcnhiệmvụ nghĩ ra các thí
nghiệmvà các quansát thiên văncó thể kiểm tra các lí thuyết ứng cử viên của sự
hấp dẫn lượngtử trongthế giới thực.

Thuyết tương đốirộng: Vũ
trụ tối
Vũ trụ giãn nở mà thuyết tương đối rộng tiên đoánđã được củng cố chắc
chắn trong khoahọc hiệnđại. Khi khả năng của chúngta quansát cácthiên hà ở xa
và lập bản đồ vũ trụ được cải thiện, thì bứctranh của chúngta về vũ trụ đã làm hé
lộ một số đặc điểm còn kì lạ hơnnữa.
Trướchết, cácnhàthiên vănhọc đã có thể đo các thiên hà xoắn ốc xaxôi
quay tròn nhanhnhư thế nào,vàđiều này cho thấy vùng ngoài của các thiên hà
đang quayquá nhanhđể được quản thúc bởi khốilượng của các ngôi saovà chất
khí tại tâm của chúng. Cần có thêm vật chất trong các thiên hà để tạo ra đủ sự hấp
dẫn ngăn không cho các thiênhà bay toạc ra.
Lời giải thíchđượcnhiều người biết tới là các thiên hà cóchứanhững lượng
lớn nhữngdạngkhác củavật chất – gọi là “vật chất tối” vì nó phát ra hayphản xạ
ánh sáng. vật chất tối được cho là co cụm lại xungquanh cácthiên hà và cácđám
thiên hàtrong những quả cầu khổnglồ gọi là quầng vật chất tối. Quầng vật chấttối
có thể đủ đặc để làm biến dạng đáng kể không-thời gianvà bẻ congđường đi của
bất kì tia sángnào đi qua gần nó. Sự hội tụ hấp dẫnnày đã đượcquan sátthấy ở
một số đám thiên hà, và là mộttrong những mảnh bằng chứngmạnh mẽ nhất cho
sự tồn tại của vật chất tối.
Nhóm thiên hà gọi là đám Bullet mang lại bằng chứng cho vật chất tối. (Ảnh:
NASA/CXC/CfA/M.Markevitch et al/STScI/Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al/ESO
WFI)
Nhưng chưa hết. Các nhà vũ trụ học đã có thể tính ravũ trụ đã giãn nở bao
nhanhtại những thời điểm khác nhautrong lịch sử của nó. Điều này được thực
hiện bằng cách đo khoảng cách đếncác ngôisao đangphátnổ gọilà saosiêu mới,
và chúng đanglùixara bao nhanhdo sự giãn nở của không-thời gian. Các kết quả
đột phátừ những quansát này, chỉ mới xuất hiện hơn một thập kỉ nay, là sự giãn
nở củavũ trụ dường như đang tăng tốc.
Một lời giải thích cho sự giãn nở đang tăngtốc nàylàvũ trụ tràn ngập một
dạng năng lượngkì lạ gọi là năng lượng tối. Không giống như vật chất bình thường

và vật chất tối, chúng bẻ cong không-thời gian theokiểu hút khối lượnglại với
nhau, nănglượng tốiđẩykhônggianra xanhau, khiến nó giãn nở ngày càng nhanh
hơnnữatheo thời gian.
Nếu chúngta cân đongtoàn bộ các dạng vật chất và năng lượngtrong vũ trụ,
thì chúngta đi đến một kết luận bấtngờ: chỉ 4% vũ trụ là ở dạngvật chất mà
chúng ta quen thuộc. Khoảng24% là vật chất tối và 72%là nănglượng tối.
Kết quả này phát sinh từ sự se duyên củathuyết tươngđối rộng và thiên văn
học hiện đại và nó đã trở thành một tiêuđiểm nghiêncứu sôi nổi củavật lí học.Các
nhà thựcnghiệmvà các nhà lí thuyết đangdốc sức đi tìm câutrả lời cho câu hỏi
nóngbỏng này: vật chấttối và nănglượng tối thậtra là gì? Và tại sao chúng lại có
những tính chất kì lạ như vậy?