Trong vài thập kỷ qua, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng vũ trụ có nhiều thứ hơn là bắt mắt: Vũ trụ dường như chứa đầy không chỉ một, mà là hai thành phần vô hình - vật chất tối và năng lượng tối - mà sự tồn tại của nó đã được đề xuất chỉ dựa trên hiệu ứng hấp dẫn của chúng đối với vật chất và năng lượng thông thường.
Bây giờ, nhà vật lý lý thuyết Robert J. Scherrer đã đưa ra một mô hình có thể cắt giảm một nửa bí ẩn bằng cách giải thích vật chất tối và năng lượng tối là hai khía cạnh của một lực chưa biết. Mô hình của ông được mô tả trong một bài báo có tiêu đề Tinh khiết Kinetic k Essence như Unified Dark Matter ném được xuất bản trực tuyến bởi Phys Review Letters vào ngày 30 tháng 6 và có sẵn trực tuyến tại http://arxiv.org/abs/astro-ph/0402316.
Scherrer, giáo sư vật lý tại Đại học Vanderbilt cho biết, một cách để nghĩ về điều này là vũ trụ chứa đầy một chất lỏng vô hình gây áp lực lên vật chất thông thường và thay đổi cách thức vũ trụ giãn nở.
Theo Scherrer, mô hình của ông cực kỳ đơn giản và tránh được những vấn đề lớn đã thể hiện những nỗ lực trước đây để thống nhất vật chất tối và năng lượng tối.
Vào những năm 1970, các nhà vật lý thiên văn đã yêu cầu sự tồn tại của các hạt vô hình gọi là vật chất tối để giải thích sự chuyển động của các thiên hà. Dựa trên những quan sát này, họ ước tính rằng phải có vật chất tối trong vũ trụ gấp khoảng 10 lần so với vật chất thông thường. Một lời giải thích khả dĩ cho vật chất tối là nó được tạo thành từ một loại hạt mới (được đặt tên là các hạt lớn tương tác yếu, hay WIMP), mà don lồng phát ra ánh sáng và hầu như không tương tác với vật chất thông thường. Một số thí nghiệm đang tìm kiếm bằng chứng của các hạt này.
Như thể người sói đó đủ, vào những năm 1990 cùng với năng lượng tối, tạo ra một lực đẩy có vẻ như đang xé toạc vũ trụ. Các nhà khoa học đã viện dẫn năng lượng tối để giải thích khám phá bất ngờ rằng tốc độ vũ trụ giãn nở không chậm lại, như hầu hết các nhà vũ trụ học đã nghĩ, nhưng thay vào đó đang tăng tốc. Theo ước tính mới nhất, năng lượng tối chiếm 75% vũ trụ và vật chất tối chiếm 23% khác, khiến vật chất và năng lượng thông thường có vai trò thiểu số rõ rệt chỉ là 2%.
Ý tưởng thống nhất Scherrer sườn là một dạng năng lượng kỳ lạ với các thuộc tính được xác định rõ ràng nhưng phức tạp được gọi là trường vô hướng. Trong bối cảnh này, một lĩnh vực là một đại lượng vật lý sở hữu năng lượng và áp lực được lan truyền khắp không gian. Các nhà vũ trụ học lần đầu tiên gọi các trường vô hướng để giải thích lạm phát vũ trụ, một thời gian ngắn sau Vụ nổ lớn khi vũ trụ dường như đã trải qua một giai đoạn siêu giãn nở, thổi phồng hàng tỷ lần trong chưa đầy một giây.
Cụ thể, Scherrer sử dụng trường vô hướng thế hệ thứ hai, được gọi là tinh thể k, trong mô hình của mình. Các lĩnh vực tinh chất K đã được Paul Steinhardt tại Đại học Princeton và các trường khác đưa ra như một lời giải thích cho năng lượng tối, nhưng Scherrer là người đầu tiên chỉ ra rằng một loại trường tinh chất k đơn giản cũng có thể tạo ra các hiệu ứng do vật chất tối.
Các nhà khoa học phân biệt giữa vật chất tối và năng lượng tối vì dường như chúng cư xử khác nhau. Vật chất tối dường như có khối lượng và tạo thành những khối khổng lồ. Trên thực tế, các nhà vũ trụ học tính toán rằng lực hấp dẫn của các khối này đóng vai trò chính trong việc khiến vật chất thông thường hình thành các thiên hà. Ngược lại, năng lượng tối dường như không có khối lượng và lan truyền đồng đều khắp không gian nơi nó hoạt động như một loại chống trọng lực, một lực đẩy đang đẩy vũ trụ ra xa nhau.
Các trường K-Ess có thể thay đổi hành vi của chúng theo thời gian. Khi nghiên cứu một loại trường tinh thể k rất đơn giản - trong đó năng lượng tiềm năng là hằng số - Scherrer phát hiện ra rằng khi trường phát triển, nó đi qua một pha trong đó nó có thể đóng cục và bắt chước hiệu ứng của các hạt vô hình theo sau là pha nó lan truyền đồng đều khắp không gian và mang các đặc tính của năng lượng tối.
Mô hình tự nhiên phát triển thành một trạng thái nơi nó trông giống như vật chất tối trong một thời gian và sau đó nó trông giống như năng lượng tối, theo ông Scherrer nói. Khi tôi nhận ra điều này, tôi nghĩ, "Điều này thật hấp dẫn, hãy để Lừa xem chúng ta có thể làm gì với nó."
Khi ông kiểm tra mô hình chi tiết hơn, Scherrer nhận thấy rằng nó tránh được nhiều vấn đề đã gây khó khăn cho các lý thuyết trước đây cố gắng hợp nhất vật chất tối và năng lượng tối.
Mô hình sớm nhất cho năng lượng tối được thực hiện bằng cách sửa đổi lý thuyết tương đối tổng quát để bao gồm một thuật ngữ gọi là hằng số vũ trụ. Đây là một thuật ngữ mà Einstein ban đầu bao gồm để cân bằng lực hấp dẫn để tạo thành một vũ trụ tĩnh. Nhưng ông vui vẻ bỏ đi hằng số khi các quan sát thiên văn trong ngày tìm thấy nó không cần thiết. Các mô hình gần đây giới thiệu lại hằng số vũ trụ làm tốt công việc tái tạo các tác động của năng lượng tối nhưng không giải thích được vật chất tối.
Một nỗ lực để thống nhất vật chất tối và năng lượng tối, được gọi là mô hình khí Chaplygin, dựa trên công trình của một nhà vật lý người Nga vào những năm 1930. Nó tạo ra một giai đoạn giống như vật chất tối ban đầu, theo sau là một sự tiến hóa giống như năng lượng tối, nhưng nó gặp khó khăn trong việc giải thích quá trình hình thành thiên hà.
Công thức của Scherrer có một số điểm tương đồng với một lý thuyết thống nhất được đề xuất vào đầu năm nay bởi Nima Arkani-Hamed tại Đại học Harvard và các đồng nghiệp của ông, những người cố gắng giải thích vật chất tối và năng lượng tối khi phát sinh từ chất lỏng vô hình và có mặt ở khắp nơi mà họ gọi là chất lỏng ma ngưng tụ.
Mặc dù mô hình ScherrerTHER có một số tính năng tích cực, nhưng nó cũng có một số nhược điểm. Đối với một điều, nó đòi hỏi một số tinh chỉnh cực kỳ tinh vi để làm việc. Nhà vật lý cũng cảnh báo rằng sẽ cần nhiều nghiên cứu hơn để xác định xem hành vi của mô hình có phù hợp với các quan sát khác hay không. Ngoài ra, nó không thể trả lời vấn đề trùng hợp: Tại sao chúng ta sống ở thời điểm duy nhất trong lịch sử vũ trụ khi mật độ tính cho vật chất tối và năng lượng tối là tương đương nhau. Các nhà khoa học nghi ngờ về điều này bởi vì nó cho thấy rằng có một cái gì đó đặc biệt về thời đại hiện nay.
Nguồn gốc: Vanderbilt University News
