Điều gì sẽ xảy ra nếu tôi nói với bạn rằng vũ trụ của chúng ta tràn ngập hàng trăm loại hạt gần như vô hình và rằng, từ lâu, những hạt này đã hình thành một mạng lưới các chuỗi vũ trụ?
Nghe có vẻ vừa vặn vừa tuyệt vời, nhưng thực ra đó là một dự đoán về lý thuyết dây, nỗ lực tốt nhất (nhưng không hoàn toàn bực bội) của chúng tôi về một lý thuyết về mọi thứ. Những hạt nhỏ kỳ lạ, mặc dù theo giả thuyết, các hạt nhỏ được gọi là axion, và nếu chúng có thể được tìm thấy, điều đó có nghĩa là tất cả chúng ta đều sống trong một "axiverse" rộng lớn.
Phần tốt nhất của lý thuyết này là nó không chỉ là giả thuyết ghế bành của một nhà vật lý, không có khả năng thử nghiệm. Mạng lưới dây khổng lồ không thể hiểu nổi này có thể được phát hiện trong tương lai gần với các kính viễn vọng vi sóng đang thực sự được chế tạo.
Nếu được tìm thấy, axiverse sẽ cho chúng ta một bước tiến lớn trong việc tìm ra câu đố của trò chơi, tất cả về vật lý.
Một bản giao hưởng của dây
OK, chúng ta hãy xuống kinh doanh. Đầu tiên, chúng ta cần tìm hiểu về axion tốt hơn một chút. Các tiên đề, được đặt tên bởi nhà vật lý (và, sau này, người đoạt giải Nobel) Frank Wilczek vào năm 1978, được đặt tên bởi vì nó được giả thuyết là tồn tại từ một loại phá vỡ đối xứng nhất định. Tôi biết, tôi biết - nhiều biệt ngữ. Giữ lấy. Các nhà vật lý yêu thích sự đối xứng - khi một số mẫu nhất định xuất hiện trong toán học.
Có một loại đối xứng, được gọi là đối xứng CP, nói rằng vật chất và phản vật chất sẽ hành xử giống nhau khi tọa độ của chúng bị đảo ngược. Nhưng sự đối xứng này dường như không phù hợp một cách tự nhiên với lý thuyết về lực hạt nhân mạnh. Một giải pháp cho câu đố này là giới thiệu một sự đối xứng khác trong vũ trụ "sửa chữa" cho hành vi sai trái này. Tuy nhiên, sự đối xứng mới này chỉ xuất hiện ở những năng lượng cực kỳ cao. Ở những năng lượng thấp hàng ngày, sự đối xứng này biến mất, và để giải thích cho điều đó, và xuất hiện một hạt mới - axion.
Bây giờ, chúng ta cần chuyển sang lý thuyết dây, đó là nỗ lực của chúng ta (và là nỗ lực chính của chúng ta trong 50 năm nay) để thống nhất tất cả các lực của tự nhiên, đặc biệt là trọng lực, trong một khung lý thuyết duy nhất. Nó đã được chứng minh là một vấn đề đặc biệt khó giải quyết, do nhiều yếu tố khác nhau, không phải là ít nhất trong số đó, để lý thuyết dây hoạt động (nói cách khác, toán học thậm chí còn có hy vọng giải quyết được), chúng tôi vũ trụ phải có nhiều hơn ba chiều không gian và một thời gian thông thường; phải có thêm kích thước không gian.
Tất nhiên, những kích thước không gian này không thể nhìn thấy bằng mắt thường; nếu không, chúng tôi đã nhận thấy loại điều đó. Vì vậy, các kích thước phụ phải nhỏ xíu và cuộn tròn trên những chiếc cân nhỏ đến mức chúng trốn tránh những nỗ lực bình thường để phát hiện ra chúng.
Điều làm cho điều này trở nên khó khăn là chúng tôi không chắc chắn chính xác làm thế nào các kích thước bổ sung này tự cuộn tròn và có khoảng 10 ^ 200 cách có thể để làm điều đó.
Nhưng những gì các sắp xếp kích thước này dường như có điểm chung là sự tồn tại của các trục, trong lý thuyết dây, là các hạt tự cuộn quanh một số kích thước cuộn tròn và bị kẹt.
Hơn nữa, lý thuyết dây không dự đoán chỉ một trục mà có khả năng hàng trăm loại khác nhau, ở nhiều khối lượng khác nhau, bao gồm cả trục có thể xuất hiện trong các dự đoán lý thuyết về lực hạt nhân mạnh.
Chuỗi ngớ ngẩn
Vì vậy, chúng ta có rất nhiều loại hạt mới với đủ loại khối lượng. Tuyệt quá! Các trục có thể tạo thành vật chất tối, dường như chịu trách nhiệm cung cấp cho các thiên hà phần lớn khối lượng của chúng nhưng không thể được phát hiện bằng kính viễn vọng thông thường? Có lẽ; đó là một câu hỏi mở. Nhưng vật chất tối như vật chất tối phải đối mặt với một số thử nghiệm quan sát đầy thách thức, vì vậy một số nhà nghiên cứu thay vào đó tập trung vào phần cuối của các họ axion, tìm cách tìm ra chúng.
Và khi những nhà nghiên cứu đó bắt đầu đào sâu vào hành vi dự đoán của những chiếc rìu lông vũ này trong vũ trụ sơ khai, họ tìm thấy một thứ thực sự đáng chú ý. Trong những khoảnh khắc đầu tiên của lịch sử vũ trụ của chúng ta, vũ trụ đã trải qua các giai đoạn chuyển tiếp, thay đổi toàn bộ tính cách của nó từ trạng thái năng lượng cao kỳ lạ sang trạng thái năng lượng thấp thông thường.
Trong một trong những quá trình chuyển pha này (xảy ra khi vũ trụ chưa đầy một giây), các trục của lý thuyết dây không xuất hiện dưới dạng các hạt. Thay vào đó, chúng trông giống như các vòng lặp và đường thẳng - một mạng lưới các chuỗi nhẹ, gần như vô hình đang lan tỏa khắp vũ trụ.
Axiverse giả thuyết này, chứa đầy các chuỗi axion nhẹ, được dự đoán bởi không có lý thuyết vật lý nào khác ngoài lý thuyết dây. Vì vậy, nếu chúng ta xác định rằng chúng ta sống trong một axiverse, nó sẽ là một lợi ích lớn cho lý thuyết dây.
Một sự thay đổi trong ánh sáng
Làm thế nào chúng ta có thể tìm kiếm các chuỗi axion? Các mô hình dự đoán rằng các chuỗi axion có khối lượng rất thấp, vì vậy ánh sáng sẽ không va vào một trục và uốn cong, hoặc các trục có thể sẽ không hòa lẫn với các hạt khác. Có thể có hàng triệu chuỗi axion trôi nổi trong Dải Ngân hà ngay bây giờ và chúng ta sẽ không nhìn thấy chúng.
Nhưng vũ trụ đã cũ và lớn, và chúng ta có thể sử dụng điều đó cho lợi thế của mình, đặc biệt là một khi chúng ta nhận ra rằng vũ trụ cũng bị ngược sáng.
Nền vi sóng vũ trụ (CMB) là ánh sáng lâu đời nhất trong vũ trụ, phát ra khi nó chỉ là một đứa trẻ - khoảng 380.000 năm tuổi. Ánh sáng này đã ngấm vào vũ trụ trong hàng tỷ năm, lọc qua vũ trụ cho đến khi cuối cùng nó chạm vào thứ gì đó, như kính viễn vọng vi sóng của chúng ta.
Vì vậy, khi chúng ta nhìn vào CMB, chúng ta thấy nó thông qua vũ trụ trị giá hàng tỷ năm ánh sáng. Giống như nhìn vào ánh sáng của đèn pin thông qua một loạt mạng nhện: Nếu có một mạng lưới các sợi trục được luồn qua vũ trụ, chúng ta có thể phát hiện ra chúng.
Trong một nghiên cứu gần đây, được công bố trong cơ sở dữ liệu arXiv vào ngày 5 tháng 12, một bộ ba nhà nghiên cứu đã tính toán hiệu ứng của một axiverse sẽ mang lại cho ánh sáng CMB. Họ phát hiện ra rằng, tùy thuộc vào cách một chút ánh sáng truyền đến gần một chuỗi trục cụ thể, sự phân cực của ánh sáng đó có thể dịch chuyển. Đó là bởi vì ánh sáng CMB (và tất cả ánh sáng) được tạo thành từ sóng điện trường và từ trường, và sự phân cực của ánh sáng cho chúng ta biết cách điện trường được định hướng - thứ gì đó thay đổi khi ánh sáng CMB gặp phải một trục. Chúng ta có thể đo độ phân cực của ánh sáng CMB bằng cách truyền tín hiệu qua các bộ lọc chuyên dụng, cho phép chúng ta chọn ra hiệu ứng này.
Các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng toàn bộ hiệu ứng trên CMB từ một vũ trụ chứa đầy các chuỗi giới thiệu sự thay đổi trong phân cực lên tới khoảng 1%, điều này đúng với những gì chúng ta có thể phát hiện ngày nay. Nhưng các trình ánh xạ CMB trong tương lai, chẳng hạn như Explorer vũ trụ nguồn gốc, vệ tinh Lite (Ánh sáng) cho các nghiên cứu về phân cực và lạm phát chế độ B từ Phát hiện bức xạ nền vũ trụ (LiteBIRD) và Trình khám phá lạm phát nguyên thủy (PIXIE), hiện đang được thiết kế. Những kính thiên văn tương lai này sẽ có khả năng phát hiện ra một loại vũ trụ. Và một khi những người lập bản đồ đó xuất hiện trực tuyến, chúng ta sẽ thấy rằng chúng ta đang sống trong một thế giới hoặc loại trừ dự đoán cụ thể này về lý thuyết dây.
Dù bằng cách nào, có rất nhiều điều để gỡ rối.
Paul M. Sutter là một nhà vật lý thiên văn tạiĐại học bang Ohio, máy chủ củaHỏi một người không gian vàĐài phát thanh không gianvà tác giả củaVị trí của bạn trong vũ trụ.
