Bài giảng Các lỗ đen theo quan điểm của lý thuyết dây, lý thuyết M

Sự xung đột trước khi có lý thuyết dây giữa thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử đã xúc phạm tới tình cảm sâu xa của chúng ta vốn cho rằng các định luật của tự nhiên phải gắn kết với nhau trong một chỉnh thể hài hòa. Tuy nhiên, sự xung đột này không phải là sự tách rời trừu tượng cao vời. Những điều kiện vật lý cực hạn xảy ra ở thời điểm Big Bang và phổ biến trong các lỗ đen sẽ không thể hiểu được nếu như không có một lý thuyết lượng tử của lực hấp dẫn. Với sự phát minh ra lý thuyết dây, giờ đây chúng ta hy vọng sẽ giải đáp được những điều bí ẩn sâu xa đó. Trong chương này và chương tiếp sau, chúng tôi sẽ mô tả chặng đường mà các nhà lý thuyết dây đã đi được trên hành trình tìm hiểu các lỗ đen và nguồn gốc của vũ trụ.

doc40 trang | Chia sẻ: haohao89 | Lượt xem: 2148 | Lượt tải: 3download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Bài giảng Các lỗ đen theo quan điểm của lý thuyết dây, lý thuyết M, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Chương 13 - Các lỗ đen theo quan điểm của lý thuyết dây - lý thuyết - M Trong chương này và chương tiếp sau, chúng tôi sẽ mô tả chặng đường mà các nhà lý thuyết dây đã đi được trên hành trình tìm hiểu các lỗ đen và nguồn gốc của vũ trụ... Các lỗ đen theo quan điểm của lý thuyết dây - lý thuyết - M Sự xung đột trước khi có lý thuyết dây giữa thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử đã xúc phạm tới tình cảm sâu xa của chúng ta vốn cho rằng các định luật của tự nhiên phải gắn kết với nhau trong một chỉnh thể hài hòa. Tuy nhiên, sự xung đột này không phải là sự tách rời trừu tượng cao vời. Những điều kiện vật lý cực hạn xảy ra ở thời điểm Big Bang và phổ biến trong các lỗ đen sẽ không thể hiểu được nếu như không có một lý thuyết lượng tử của lực hấp dẫn. Với sự phát minh ra lý thuyết dây, giờ đây chúng ta hy vọng sẽ giải đáp được những điều bí ẩn sâu xa đó. Trong chương này và chương tiếp sau, chúng tôi sẽ mô tả chặng đường mà các nhà lý thuyết dây đã đi được trên hành trình tìm hiểu các lỗ đen và nguồn gốc của vũ trụ. Lỗ đen và hạt sơ cấp Thoạt nhìn, khó có thể hình dung hai vật nào lại khác nhau ghê gớm như các lỗ đen và hạt sơ cấp. Chúng ta thường hình dung các lỗ đen là những thiên thể kỳ vĩ nhất còn các hạt sơ cấp là những mẩu bé nhỏ nhất của vật chất. Nhưng những nghiên cứu của Demetrios Chritodoulou, Werner Israel, Richard Price, Brandon Carter, Roy Kerr, David Robinson, Hawking và Penrose cùng với nhiều nhà vật lý khác vào cuối những năm 1960 và đầu những năm 1970 đã chứng tỏ rằng các lỗ đen và các hạt sơ cấp có lẽ không khác nhau ghê gớm như người ta tưởng. Họ đã tìm ra những bằng chứng ngày càng có sức thuyết phục hơn về cái mà John Wheeler đã tổng kết trong mệnh đề: “các lỗ đen không có tóc”. Ý của Wheeler là muốn nói rằng, ngoài một số rất ít các đặc điểm phân biệt ra, tất cả các lỗ đen đều giống nhau. Những đặc điểm phân biệt đó là gì? Thứ nhất, tất nhiên, là khối lượng của lỗ đen. Thế còn những đặc điểm khác? Nhiều nghiên cứu còn phát hiện ra rằng, các lỗ đen cũng mang điện tích và một số tích lực khác cũng như cả vận tộc tự quay (spin) nữa. Và chỉ có thế thôi. Như vậy, hai lỗ đen có cùng khối lượng, cùng các tích lực và cùng spin sẽ hoàn toàn đồng nhất với nhau. Các lỗ đen không có những “kiểu tóc” cầu kỳ, tức là những đặc điểm nội tại khác, để phân biệt với nhau. Điều đó lẽ nào không gợi cho bạn điều gì sao? Hãy nhớ lại rằng chính những tính chất như khối lượng, các tích lực và spin cũng là những đặc điểm để phân biệt các hạt sơ cấp. Sự tương tự về những tính chất nhận dạng như thế, trong nhiều năm, đã dẫn nhiều nhà vật lý tới một lối suy diễn lạ lùng là: rất có thể các lỗ đen thực sự là các hạt sơ cấp khổng lồ. Thực ra, theo lý thuyết của Einstein, không có một giới hạn cực tiểu nào đối với khối lượng của một lỗ đen. Nếu chúng ta nén một mẩu vật chất có khối lượng bất kỳ tới một kích thước đủ nhỏ, thì những tính toán không mấy khó khăn theo thuyết tương đối rộng sẽ chứng tỏ rằng nó sẽ trở thành một lỗ đen. (Khối lượng càng bé thì phải nén tới kích thước càng nhỏ). Và như vậy, chúng ta có thể hình dung một thí nghiệm tưởng tượng, trong đó xuất phát từ những giọt vật chất nhỏ dần, nén chúng tới những kích thước bé dần, rồi đem so sánh những lỗ đen tạo thành với những hạt sơ cấp. Mệnh đề không có tóc của Weeler sẽ dẫn chúng ta tới kết luận rằng đối với những khối lượng đủ nhỏ, các lỗ đen mà chúng ta tạo nên theo cách đó sẽ nhìn rất giống các hạt sơ cấp. Cả hai nhìn đều giống như những gói nhỏ vật chất được đặc trưng hoàn toàn bởi khối lượng, các tích lực và spin. Nhưng có một điểm khác biệt mấu chốt. Các lỗ đen trong vật lý thiên văn, với khối lượng lớn hơn Mặt Trăng nhiều lần, có kích thước và nặng tới mức cơ học lượng tử hầu như không có liên quan và chỉ cần dùng các phương trình của lý thuyết tương đối rộng để tìm hiểu các tính chất của chúng (ở đây chúng ta mới chỉ xét cấu trúc tổng thể của các lỗ đen, chứ chưa nói đến điểm kỳ dị trung tâm ở bên trong lỗ đen. Kích thước cực kỳ nhỏ bé của vùng trung tâm này chắc chắn sẽ đòi hỏi phải dùng tới cơ học lượng tử). Tuy nhiên, khi chúng ta thử làm cho khối lượng của các hố đen nhỏ dần, sẽ tới một điểm các hố đen này nhẹ và nhỏ tới mức cơ học lượng tử phải vào cuộc. Điều này xảy ra nếu như khối lượng toàn phần của lỗ đen cỡ khối lượng Planck hoặc nhỏ hơn. (Trên quan điểm vật lý của các hạt sơ cấp, khối lượng Planck là rất lớn - nó lớn hơn khối lượng của proton cỡ 10 tỷ tỷ lần. Tuy nhiên, trên quan điểm của các lỗ đen, thì khối lượng Planck chỉ cỡ khối lượng của hạt bụi trung bình, nghĩa là rất nhỏ bé). Và như vậy, các nhà vật lý, những người đã từng xem các lỗ đen nhỏ xíu và các hạt sơ cấp có mối liên hệ gần gũi với nhau, sẽ ngay lập tức vấp phải sự không tương thích giữa thuyết tương đối tổng quát - trái tim lý thuyết của các lỗ đen, và cơ học lượng tử. Trong quá khứ, chính sự không tương thích này đã cản trở hoàn toàn sự tiến bộ theo phương hướng nghiên cứu hấp dẫn đó Chương 13 - Các lỗ đen theo quan điểm của lý thuyết dây - lý thuyết - M (1) Nhờ những phát hiện rất phức tạp và khá bất ngờ về các lỗ đen, lý thuyết dây đã xác lập được mối liên hệ lý thuyết đầu tiên giữa các hố đen và hạt sơ cấp... Lý thuyết dây có cho phép tiến lên hay không? Câu trả lời là có. Nhờ những phát hiện rất phức tạp và khá bất ngờ về các lỗ đen, lý thuyết dây đã xác lập được mối liên hệ lý thuyết đầu tiên giữa các hố đen và hạt sơ cấp. Mặc dù con đường tìm ra mối liên hệ này khá quanh co, nhưng nó đưa chúng ta qua những phát triển lý thú nhất của lý thuyết dây, nên cũng đáng để chúng ta lần theo hành trình đó. Mọi chuyện bắt đầu từ một câu hỏi tưởng chừng như chẳng có liên quan gì mà các nhà vật lý đã đặt ra từ những năm 1980. Từ lâu, các nhà toán học và vật lý đã biết rằng khi các chiều không gian cuộn lại thành một không gian Calabi-Yau, nói chung, có hai loại mặt cầu nằm trong cấu trúc không gian đó. Một loại chính là mặt cầu hai chiều, giống như mặt một quả bóng, đã từng đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong dịch chuyển lật mà chúng ta đã xét trong Chương 11. Loại thứ hai khó hình dung hơn nhưng cũng có tầm quan trọng không kém. Đó là những mặt cầu ba chiều- cũng giống như bề ngoài một quả bóng nhưng trong một vũ trụ có bốn không gian rộng lớn. Tất nhiên, như chúng ta đã thảo luận trong Chương 11, một quả bóng bình thường trong Vũ trụ chúng ta bản thân nó đã là ba chiều, nhưng bề mặt của nó, cũng giống như bề mặt ống dẫn nước, chỉ là hai chiều thôi: bởi vì bạn chỉ cần có hai con số, ví dụ như vĩ độ và kinh độ, chẳng hạn, là bạn có thể xác định được bất cứ điểm nào trên bề mặt đó. Nhưng bây giờ chúng ta hãy tưởng tượng có thêm một chiều nữa: một quả bóng bốn chiều với bề mặt ba chiều. Vì hầu như không thể tưởng tượng được một quả bóng như vậy, nên cách tốt nhất để hình dung, là hạ bớt tất cả đi một chiều. Nhưng chúng ta sẽ thấy, một khía cạnh trong bản chất ba chiều của các mặt cầu lại có tầm quan trọng hàng đầu. Bằng cách nghiên cứu các phương trình của lý thuyết dây, các nhà vật lý đã phát hiện ra rằng, rất có thể, theo thời gian các mặt cầu ba chiều này sẽ co lại tới một thể tích nhỏ gần như bằng không. Nhưng điều gì sẽ xảy ra - nhà lý thuyết dây hỏi - nếu như cấu trúc của không gian bị co lại theo cách đó? Liệu có xuất hiện những hiệu ứng tai biến do sự co lại đó của cấu trúc không gian hay không? Câu hỏi này rất giống với câu hỏi mà chúng ta đã đặt ra và giải đáp trong chương 11, nhưng ở đây chúng ta tập trung xem xét mặt cầu ba chiều co lại, chứ không phải mặt cầu hai chiều như trong chương 11. (Cũng như trong chương 11, chúng ta xem rằng một mẩu của không gian Calabi-Yau co lại chứ không phải toàn bộ không gian đó, nên tính đối ngẫu bán kính lớn /bán kính nhỏ mà chúng ta xét trong chương 10 là không áp dụng được). Và đây mới chỉ là sự khác biệt về chất xuất hiện do sự thay đổi số chiều. Từ chương 11 chúng ta đã biết một phát hiện quan trọng, trong đó các dây, khi chuyển động qua không gian, chúng bao quanh mặt cầu hai chiều. Tức là, mặt vũ trụ hai chiều do các dây này quét nên khi chuyển động đã bao hoàn toàn mặt cầu hai chiều, như được minh họa trên hình 11.6. Điều này có tác dụng bảo vệ, giữ cho sự co lại của mặt cầu hai chiều không gây ra những tai biến vật lý. Nhưng bây giờ chúng ta lại xét một loại mặt cầu khác trong không gian Calabi-Yau và do nó quá nhiều chiều, nên các dây chuyển động không còn bao quanh được nữa. Nếu bạn cảm thấy khó hình dung được điều đó, thì hãy hình dung một tình huống tương tự nhưng hạ thấp tất cả đi 1 chiều. Bạn hãy hình dung một mặt cầu ba chiều như mặt cầu hai chiều của quả bóng bình thường, miễn là bạn cũng phải hình dung sợi dây một chiều như một hạt điểm không có chiều nào. Và vì một hạt điểm không có chiều nào không thể bao quanh bất cứ cái gì, nên tương tự các dây một chiều cũng không thể bao quanh một mặt cầu ba chiều. Lập luận như vậy đã dẫn các nhà lý thuyết dây tới ý nghĩ rằng, nếu chúng ta hoàn toàn dựa vào các phương trình gần đúng của lý thuyết dây, thì khi mặt cầu ba chiều trong không gian Calabi-Yau bị co bé lại, rất có khả năng sẽ dẫn tới một kết quả tai biến. Thực tế, các phương trình gần đúng của lý thuyết dây được phát triển từ trước năm 1995 đã chỉ ra rằng sự vận hành của vũ trụ sẽ buộc phải dừng lại nếu như quá trình co thắt đó thực sự xảy ra, ngoài ra một số giá trị vô hạn mà lý thuyết dây đã chế ngự được bây giờ sẽ lại sổng ra do sự co lại đó của cấu trúc không gian. Trong nhiều năm, các nhà lý thuyết dây đã phải sống thấp thỏm với nỗi lo âu mơ hồ đó. Nhưng tới năm 1995, Andrew Sttrominger đã chứng minh được rằng những suy luận bi quan đó là sai lầm. Dựa trên công trình có tính đột phá trước đó của Witten và Sieberg, Strominger đã sử dụng phát minh cho thấy rằng lý thuyết dây, khi phân tích với độ chính xác mới có được nhờ cuộc cách mạng siêu dây lần thứ hai, không còn là thuyết chỉ của các dây một chiều nữa. Ông lý luận như sau. Một dây một chiều - nói theo ngôn ngữ chuyên môn mới là 1 - brane - có thể bao quanh trọn vẹn một đối tượng một chiều của không gian, ví dụ như một vòng tròn trên hình 13.1. (Lưu ý rằng điều này khác với hình 11.6, trong đó dây một chiều, khi chuyển động theo thời gian, có thể bao quanh một mặt cầu hai chiều. Còn hình 13.1 giống như một bức ảnh chụp tại một thời điểm). Hình 13.1. Hình 13.1. Dây có thể bao quanh một mẩu chiều của cấu trúc không - thời gian bị cuộn lại; còn một màng hai chiều có thể bao quanh một mẩu hai chiều. Tương tự, trong hình 13.1, chúng ta thấy rằng một màng hai chiều - tức một 2-brane - có thể bao quanh và phủ kín một mặt cầu hai chiều, giống như một miếng cao su có thể bọc kín một quả cam vậy. Mặc dù hơi khó hình dung, nhưng Strominger vẫn đi theo đường hướng suy nghĩ đó và cuối cùng ông đã hiểu ra rằng, các thành phần sơ cấp ba chiều mới được phát hiện ra trong lý thuyết dây - tức các 3-brane - có thể bao quanh và hoàn toàn phủ kín một mặt cầu ba chiều. Sau đó bằng những tính toán vật lý đơn giản và đã thành tiêu chuẩn, Strominger đã chứng minh được rằng 3-brane bao quanh đã tạo thành một lớp vỏ bảo vệ vừa khéo có khả năng triệt tiêu chính xác mọi hiệu ứng tai biến tiềm tàng mà trước đó các nhà lý thuyết dây rất lo sợ sẽ xảy ra, nếu như mặt cầu không gian ba chiều bị co lại. Đây là một phát hiện quan trọng và tuyệt vời. Tuy nhiên, phải một thời gian ngắn sau đó, sức mạnh của phát hiện này mới được phát lộ hết Chương 13 - Các lỗ đen theo quan điểm của lý thuyết dây - lý thuyết - M (2) Các nhà vật lý tin chắc rằng, giữa thời gian Planck và thời điểm một phần trăm giây sau Big Bang, vũ trụ cũng xử sự theo cách rất tương tự, tức là ít nhất nó cũng đi qua hai sự chuyển pha... Từ thời gian Planck tới một phần trăm giây sau Big Bang Trong chương 7 (đặc biệt là hình 7.1) chúng ta đã biết rằng, ba lực phi hấp dẫn sẽ hội nhập với nhau trong môi trường cực nóng của vũ trụ lúc mới hình thành. Những tính toán của các nhà vật lý về sự phụ thuộc năng lượng và nhiệt độ của cường độ các lực ấy cho thấy rằng, trước 10-35 giây sau Big Bang, các lực mạnh, yếu và điện từ đều là một lực "thống nhất lớn" hay "siêu lực". Trong trạng thái đó, vũ trụ là đối xứng hơn rất nhiều so với ngày hôm nay. Giống như tính đồng tính xuất hiện khi một tập hợp các kim loại rời rạc được nấu chảy thành một chất lỏng đồng đều, năng lượng và nhiệt độ cực cao ở thời kỳ sớm nhất của vũ trụ đã xóa đi mọi khác biệt giữa các lực mà hiện nay chúng ta quan sát được. Nhưng với thời gian, vũ trụ giãn nở và lạnh đi thì theo lý thuyết trường lượng tử, đối xứng nói trên sẽ bị thu hẹp lại một cách nghiêm trọng theo một dãy các bước khá đột ngột và cuối cùng dẫn tới sự bất đối xứng mà chúng ta thấy hiện nay. Nội dung vật lý nằm phía sau sự thu hẹp đối xứng lại đó, hay nói một cách chính xác hơn là sự phá vỡ đối xứng, cũng không khó hiểu lắm. Hãy hình dung một bể lớn chứa đầy nước. Các phân tử H20 được phân bố đồng đều trong toàn bể chứa và bất kể bạn đặt mắt ở đâu cũng nhìn thấy nước hệt như nhau. Bây giờ ta hãy xem điều gì sẽ xảy ra khi ta hạ thấp nhiệt độ của bể nước xuống. Ban đầu thì chẳng có gì nhiều xảy ra. Xét ở thang vi mô, thì vận tốc trung bình của các phân tử nước giảm, nhưng cũng chỉ có vậy thôi. Tuy nhiên, khi nhiệt độ giảm xuống tới 0oC thì bạn đột nhiên thấy rằng có một điều gì đó đặc biệt đã xảy ra. Nước lỏng bắt đầu đóng băng và biến thành nước đá. Như đã thảo luận trong chương trước, điều này là một ví dụ đơn giản về sự chuyển pha. Đối với mục đích của chúng ta bây giờ thì điều quan trọng đáng lưu ý là quá trình chuyển pha đã dẫn tới sự giảm mức độ đối xứng được thể hiện bởi các phân tử H20. Trong khi nước lỏng được nhìn hoàn toàn như nhau bất kể góc nhìn của bạn, tức là nó có đối xứng quay, thì nước đá lại khác. Do nước đá có cấu trúc tinh thể, nên nếu bạn xem xét nó một cách đủ chính xác, thì giống như các tinh thể khác, nó sẽ thể hiện khác nhau dưới những góc nhìn khác nhau. Như vậy sự chuyển pha đã làm mất đi tính chất đối xứng quay mà trước đó nó đã có. Mặc dù chúng ta mới chỉ xét những ví dụ quen thuộc, nhưng đó là một tính chất khá tổng quát: khi chúng ta hạ thấp nhiệt độ của nhiều hệ vật lý, thì tới một điểm nào đó sẽ diễn ra sự chuyển pha và kết quả là sẽ có "sự phá vỡ" một số đối xứng mà trước đó hệ đã có. Thực tế, một hệ có thể trải qua một dãy các chuyển pha, nếu như nhiệt độ của nó có thể thay đổi trong một khoảng đủ rộng. Và một lần nữa, nước lại cho chúng ta một ví dụ đơn giản. Nếu chúng ta bắt đầu với H20 ở trên 100oC, thì nó ở thể khí, tức hơi nước. Ở thể đó nước thậm chí còn đối xứng hơn so với nó ở thể lỏng, vì bây giờ các phân tử H20 riêng lẻ không còn liên kết với nhau như trong thể lỏng nữa. Trái lại, bây giờ chúng tự do lang thang trong bình chứa, hoàn toàn bình đẳng với nhau, không tụ tập hoặc "bè phái" để tạo nên những nhóm phân tử tách biệt nhau. Khi chúng ta hạ thấp nhiệt độ xuống dưới 1000C, tất nhiên, các giọt nước sẽ tạo thành thông qua quá trình chuyển pha khí - lỏng và đối xứng đã được thu hẹp lại. Tiếp tục hạ thấp nhiệt độ xuống nữa, không có gì đặc biệt xảy ra cho tới khi chúng ta vượt qua nhiệt độ 0oC, khi mà, như đã thấy ở trên, sự chuyển pha lỏng - rắn lại đột ngột làm giảm đối xứng một lần nữa. Các nhà vật lý tin chắc rằng, giữa thời gian Planck và thời điểm một phần trăm giây sau Big Bang, vũ trụ cũng xử sự theo cách rất tương tự, tức là ít nhất nó cũng đi qua hai sự chuyển pha. Ở những nhiệt độ trên 1028 K, ba lực phi hấp dẫn thể hiện như một lực duy nhất và có tính đối xứng cao nhất có thể có. (ở cuối chương này, chúng ta sẽ thảo luận về việc bao hàm cả lực hấp dẫn vào trong sự thống nhất ở nhiệt độ đó bởi lý thuyết dây). Nhưng khi nhiệt độ giảm xuống dưới 1028K, vũ trụ sẽ trải qua một sự chuyển pha, trong đó ba lực được kết tinh riêng theo những cách khác nhau. Cường độ tương đối cũng như cách thức mà chúng tác dụng lên vật chất bắt đầu thể hiện khác nhau. Và như vậy, đối xứng giữa các lực thể hiện rõ ràng ở những nhiệt độ cao đã bị phá vỡ khi vũ trụ lạnh đi. Tuy nhiên, các công trình của Glashow, Salam và Weiberg (xem chương 5) đã chứng tỏ rằng không phải toàn bộ đối xứng ở nhiệt độ cao đều bị xóa sạch: các lực yếu và điện từ vẫn còn liên hệ chặt chẽ với nhau. Khi vũ trụ tiếp tục giãn nở và lạnh đi, không có gì nhiều xảy ra cho tới khi nhiệt độ giảm xuống tới 1015K, tức là gấp 100 triệu lần nhiệt độ ở lõi của Mặt trời. Khi đó, vũ trụ sẽ trải qua một sự chuyển pha thứ hai, lần này liên quan tới lực yếu và lực điện từ. Ở nhiệt độ ấy, hai lực này cũng được tách rời ra khỏi sự thống nhất trước đó, đối xứng hơn và khi vũ trụ tiếp tục lạnh đi, sự khác biệt giữa lực yếu và lực điện từ càng trở nên rõ nét. Hai quá trình chuyển pha này là nguồn gốc xuất hiện ba lực phi hấp dẫn khác biệt nhau, tuy nhiên lược sử của vũ trụ mà ta vừa trình bày ở trên cho thấy rằng, thực tế, ba lực đó có mối liên hệ rất sâu xa với nhau. Chương 13 - Các lỗ đen theo quan điểm của lý thuyết dây - lý thuyết - M (3) Những nghiên cứu chi tiết về bức xạ nền vũ trụ đã chứng tỏ rằng bất kể ta hướng anten theo hướng nào lên bầu trời, nhiệt độ của bức xạ này cũng đều như nhau với độ chính xác tới 1 phần 100.000. Nếu bạn dành ít phút để suy nghĩ về điều này, bạn sẽ thấy rằng điều đó hơi lạ... Một câu đố hóc búa của vũ trụ học Vũ trụ học của thời kỳ sau thời gian Planck đã cho chúng ta một khuôn khổ thanh nhã, nhất quán và có thể xử lý về mặt toán học để tìm hiểu vũ trụ tới tận những khoảnh khắc ngắn nhất sau Big Bang. Nhưng cũng như đối với phần lớn các lý thuyết thành công, những phát hiện mới của chúng ta lại đặt ra những câu hỏi còn chi tiết hơn nữa. Hóa ra một số những câu hỏi này, mặc dù không làm vô hiệu hóa kịch bản chuẩn của vũ trụ học như vừa được trình bày ở trên, nhưng chúng làm nổi rõ một số khía cạnh tinh tế đòi hỏi phải có một lý thuyết mới sâu sắc hơn. Bây giờ chúng ta sẽ tập trung xem xét một trong số những câu hỏi đó, có tên là bài toán chân trời. Đây cũng là một trong những vấn đề quan trọng nhất của vũ trụ học hiện đại. Những nghiên cứu chi tiết về bức xạ nền vũ trụ đã chứng tỏ rằng bất kể ta hướng anten theo hướng nào lên bầu trời, nhiệt độ của bức xạ này cũng đều như nhau với độ chính xác tới 1 phần 100.000. Nếu bạn dành ít phút để suy nghĩ về điều này, bạn sẽ thấy rằng điều đó hơi lạ. Tại sao những vị trí khác nhau trong vũ trụ, cách nhau những khoảng cách rất lớn, lại có nhiệt độ khớp với nhau đến như thế? Giải pháp dường như là tự nhiên cho câu đố này là cần lưu ý rằng, hai vị trí hiện nay ở đối kính với nhau qua bầu trời đúng là rất xa nhau, nhưng cũng giống như hai đứa trẻ song sinh tách ra khỏi nhau, trong những thời điểm sớm nhất của vũ trụ, hai điểm đó (và mọi điểm khác) đều ở rất gần nhau. Vì cùng xuất hiện từ một điểm xuất phát chung, nên bạn có thể cho rằng không có gì phải ngạc nhiên nếu như chúng cùng chia sẻ một số tính chất vật lý chung, chẳng hạn như nhiệt độ của chúng. Trong mô hình chuẩn của vũ trụ học, ý kiến đó không đúng. Lý do như sau. Một bát súp nóng sẽ nguội dần tới nhiệt độ phòng vì nó tiếp xúc với không khí xung quanh lạnh hơn. Nếu như bạn đợi đủ lâu, thì nhiệt độ của bát súp và nhiệt độ không khí trong phòng, thông qua sự tiếp xúc với nhau, sẽ trở nên như nhau. Nhưng nếu súp được đựng trong phích, tất nhiên, nó sẽ giữ được nóng lâu hơn, bởi vì bây giờ nó ít liên lạc với môi trường bên ngoài. Điều này phản ánh một tính chất là: sự đồng nhất hóa nhiệt độ giữa hai vật dựa trên sự liên lạc kéo dài và thường xuyên giữa hai vật đó. Để kiểm chứng giả thiết cho rằng hai vị trí trong không gian hiện ở cách xa nhau những khoảng cách lớn vẫn chia sẻ cùng một nhiệt độ vì ban đầu chúng có tiếp xúc với nhau, chúng ta cần phải kiểm tra hiệu quả trao đổi thông tin giữa hai vị trí đó ở thời kỳ đầu của vũ trụ. Thoạt tiên, bạn tưởng rằng do ban đầu hai vị trí đó ở gần nhau, nên sự liên lạc khá dễ dàng. Tuy nhiên, sự gần gũi về không gian chỉ mới là một phần của câu chuyện mà thôi. Phần còn lại phải tính đến cả sự kéo dài về thời gian nữa. Để xem xét vấn đề một cách đầy đủ hơn, hãy tưởng tượng ta nghiên cứu một "cuốn phim" về sự giãn nở của vũ trụ, nhưng cho nó chạy theo chiều ngược lại, tức là bắt đầu từ ngày hôm nay và giật lùi lại cho tới Bi
Tài liệu liên quan