Có một vấn đề cơ bản trong vật lý.
Một số duy nhất, được gọi là hằng số vũ trụ, bắc cầu cho thế giới vi mô của cơ học lượng tử và thế giới vĩ mô của thuyết tương đối rộng của Einstein. Nhưng không lý thuyết nào có thể đồng ý về giá trị của nó.
Trên thực tế, có sự khác biệt rất lớn giữa giá trị quan sát được của hằng số này và lý thuyết dự đoán rằng nó được coi là dự đoán tồi tệ nhất trong lịch sử vật lý. Giải quyết sự khác biệt có thể là mục tiêu quan trọng nhất của vật lý lý thuyết trong thế kỷ này.
Lucas Lombriser, trợ lý giáo sư vật lý lý thuyết tại Đại học Geneva, Thụy Sĩ, đã giới thiệu một cách đánh giá mới phương trình trọng lực của Albert Einstein để tìm giá trị cho hằng số vũ trụ phù hợp với giá trị quan sát của nó. Ông đã công bố phương pháp của mình trực tuyến trong số ra ngày 10 tháng 10 của tạp chí Vật lý B.
Làm thế nào sai lầm lớn nhất của Einstein trở thành năng lượng tối
Câu chuyện về hằng số vũ trụ bắt đầu từ hơn một thế kỷ trước khi Einstein trình bày một bộ phương trình, hiện được gọi là phương trình trường Einstein, trở thành khuôn khổ của lý thuyết tương đối tổng quát của ông. Các phương trình giải thích vật chất và năng lượng làm cong vênh kết cấu của không gian và thời gian để tạo ra lực hấp dẫn. Vào thời điểm đó, cả Einstein và các nhà thiên văn học đều đồng ý rằng vũ trụ có kích thước cố định và không gian chung giữa các thiên hà không thay đổi. Tuy nhiên, khi Einstein áp dụng thuyết tương đối rộng cho toàn bộ vũ trụ, lý thuyết của ông đã tiên đoán một vũ trụ không ổn định có thể mở rộng hoặc co lại. Để buộc vũ trụ tĩnh, Einstein đã giải quyết hằng số vũ trụ.
Gần một thập kỷ sau, một nhà vật lý khác, Edwin Hubble, đã phát hiện ra rằng vũ trụ của chúng ta không tĩnh, mà đang mở rộng. Ánh sáng từ các thiên hà xa xôi cho thấy tất cả chúng đang di chuyển ra xa nhau. Tiết lộ này đã thuyết phục Einstein từ bỏ hằng số vũ trụ khỏi các phương trình trường của ông vì không còn cần thiết phải giải thích một vũ trụ đang giãn nở. Truyền thuyết vật lý kể rằng Einstein sau đó đã thú nhận rằng việc ông giới thiệu hằng số vũ trụ có lẽ là sai lầm lớn nhất của ông.
Vào năm 1998, các quan sát về các siêu tân tinh ở xa cho thấy vũ trụ không chỉ mở rộng, mà sự mở rộng đang tăng tốc. Các thiên hà đang tăng tốc ra xa nhau như thể một lực lượng không xác định nào đó đang vượt qua lực hấp dẫn và đẩy các thiên hà đó ra xa nhau. Các nhà vật lý đã đặt tên cho hiện tượng bí ẩn này là năng lượng tối, vì bản chất thực sự của nó vẫn còn là một bí ẩn.
Trong một sự trớ trêu, các nhà vật lý lại một lần nữa giới thiệu hằng số vũ trụ vào các phương trình trường của Einstein để giải thích cho năng lượng tối. Trong mô hình tiêu chuẩn vũ trụ học hiện nay, được gọi là ΛCDM (Lambda CDM), hằng số vũ trụ có thể thay thế được với năng lượng tối. Các nhà thiên văn học thậm chí đã ước tính giá trị của nó dựa trên các quan sát các siêu tân tinh xa và biến động trong nền vi sóng vũ trụ. Mặc dù giá trị nhỏ đến mức vô lý (theo thứ tự 10 ^ -52 mỗi mét vuông), nhưng trên quy mô của vũ trụ, nó đủ quan trọng để giải thích sự giãn nở nhanh chóng của không gian.
Lombriser nói: "Hằng số vũ trụ hiện đang chiếm khoảng 70% hàm lượng năng lượng trong vũ trụ của chúng ta, đó là những gì chúng ta có thể suy ra từ sự giãn nở gia tốc quan sát mà vũ trụ của chúng ta hiện đang trải qua. Tuy nhiên, hằng số này không được hiểu rõ". "Nỗ lực giải thích nó đã thất bại, và dường như có một điều cơ bản mà chúng ta đang thiếu trong cách chúng ta hiểu về vũ trụ. Làm sáng tỏ câu đố này là một trong những lĩnh vực nghiên cứu chính trong vật lý hiện đại. chúng ta hiểu biết cơ bản hơn về vật lý. "
Dự đoán lý thuyết tồi tệ nhất trong lịch sử vật lý
Hằng số vũ trụ được cho là đại diện cho cái mà các nhà vật lý gọi là "năng lượng chân không". Lý thuyết trường lượng tử nói rằng ngay cả trong một khoảng trống hoàn toàn trống rỗng, các hạt ảo vẫn xuất hiện và tạo ra năng lượng - một ý tưởng dường như vô lý, nhưng đã được quan sát bằng thực nghiệm. Vấn đề phát sinh khi các nhà vật lý cố gắng tính toán sự đóng góp của nó vào hằng số vũ trụ. Kết quả của họ khác với các quan sát bởi hệ số tâm trí 10 ^ 121 (tức là 10 theo sau là 120 số 0), sự khác biệt lớn nhất giữa lý thuyết và thí nghiệm trong tất cả các vật lý.
Sự chênh lệch như vậy đã khiến một số nhà vật lý nghi ngờ phương trình trọng lực ban đầu của Einstein; một số thậm chí đã đề xuất các mô hình thay thế của trọng lực. Tuy nhiên, bằng chứng nữa về sóng hấp dẫn của Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser (LIGO) chỉ củng cố thuyết tương đối rộng và bác bỏ nhiều lý thuyết thay thế này. Đó là lý do tại sao thay vì suy nghĩ lại về lực hấp dẫn, Lombriser đã thực hiện một cách tiếp cận khác để giải câu đố vũ trụ này.
"Cơ chế tôi đề xuất không sửa đổi các phương trình trường của Einstein," Lombriser nói. Thay vào đó, "nó bổ sung một phương trình bổ sung trên các phương trình trường của Einstein."
Hằng số hấp dẫn, lần đầu tiên được sử dụng trong định luật hấp dẫn của Isaac Newton và giờ là một phần thiết yếu của phương trình trường Einstein, mô tả cường độ của lực hấp dẫn giữa các vật thể. Nó được coi là một trong những hằng số cơ bản của vật lý, vĩnh viễn không thay đổi kể từ khi vũ trụ bắt đầu. Lombriser đã đưa ra giả định kịch tính rằng hằng số này có thể thay đổi.
Trong sửa đổi của Lombriser về thuyết tương đối rộng, hằng số hấp dẫn vẫn giữ nguyên trong vũ trụ quan sát được của chúng ta nhưng có thể khác nhau ngoài nó. Ông đề xuất một kịch bản đa vũ trụ, nơi có thể có những mảng vũ trụ vô hình đối với chúng ta có các giá trị khác nhau cho các hằng số cơ bản.
Sự biến đổi của trọng lực này đã tạo cho Lombriser một phương trình bổ sung liên quan đến hằng số vũ trụ với tổng vật chất trung bình trong không-thời gian. Sau khi anh ta tính khối lượng ước tính của tất cả các thiên hà, các ngôi sao và vật chất tối của vũ trụ, anh ta có thể giải phương trình mới đó để đạt được giá trị mới cho hằng số vũ trụ - một phương pháp rất phù hợp với các quan sát.
Sử dụng một tham số mới, ΩΛ (omega lambda), thể hiện phần nhỏ của vũ trụ được tạo thành từ vật chất tối, ông thấy vũ trụ được tạo thành từ khoảng 74% năng lượng tối. Con số này rất khớp với giá trị 68,5% ước tính từ các quan sát - một sự cải thiện to lớn so với sự chênh lệch lớn được tìm thấy bởi lý thuyết trường lượng tử.
Mặc dù khuôn khổ của Lombriser có thể giải quyết vấn đề hằng số vũ trụ, nhưng hiện tại không có cách nào để kiểm tra nó. Nhưng trong tương lai, nếu các thí nghiệm từ các lý thuyết khác xác nhận các phương trình của ông, nó có thể có nghĩa là một bước nhảy vọt lớn trong sự hiểu biết của chúng ta về năng lượng tối và cung cấp một công cụ để giải quyết các bí ẩn vũ trụ khác.
