Kể từ cuối những năm 1920, các nhà thiên văn học đã nhận thức được thực tế rằng Vũ trụ đang ở trong tình trạng giãn nở. Ban đầu dự đoán bởi Thuyết tương đối rộng của Einstein, nhận thức này đã tiếp tục thông báo cho mô hình vũ trụ học được chấp nhận rộng rãi nhất - Lý thuyết Big Bang. Tuy nhiên, mọi thứ trở nên hơi khó hiểu trong những năm 1990, khi các quan sát được cải thiện cho thấy tốc độ mở rộng của vũ trụ đã tăng tốc trong hàng tỷ năm.
Điều này dẫn đến lý thuyết về Năng lượng tối, một thế lực vô hình bí ẩn đang thúc đẩy sự mở rộng của vũ trụ. Giống như Dark Matter đã giải thích khối lượng thiếu sót của người Đức, sau đó nó trở nên cần thiết để tìm ra năng lượng khó nắm bắt này, hoặc ít nhất là cung cấp một khung lý thuyết mạch lạc cho nó. Một nghiên cứu mới từ Đại học British Columbia (UBC) tìm cách làm điều đó bằng cách định nghĩa Vũ trụ đang giãn nở do sự biến động của không gian và thời gian.
Nghiên cứu - được công bố gần đây trên tạp chí Đánh giá vật lý D - được dẫn dắt bởi Qingdi Wang, một sinh viên tiến sĩ của Khoa Vật lý và Thiên văn học tại UBC. Dưới sự giám sát của Giáo sư UBC William Unruh (người đề xuất Hiệu ứng Unruh) và với sự hỗ trợ từ Zhen Zhu (một nghiên cứu sinh khác tại UBC), họ cung cấp một cách tiếp cận mới về Năng lượng tối.
Nhóm nghiên cứu bắt đầu bằng cách giải quyết những mâu thuẫn phát sinh từ hai lý thuyết chính cùng nhau giải thích tất cả các hiện tượng tự nhiên trong Vũ trụ. Những lý thuyết này không gì khác hơn là Thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử, giải thích một cách hiệu quả cách thức Vũ trụ hành xử trên quy mô lớn nhất (tức là sao, thiên hà, cụm) và nhỏ nhất (hạt hạ nguyên tử).
Thật không may, hai lý thuyết này không nhất quán khi nói đến một vấn đề nhỏ gọi là trọng lực, mà các nhà khoa học vẫn chưa thể giải thích về mặt cơ học lượng tử. Sự tồn tại của Năng lượng tối và sự mở rộng của Vũ trụ là một điểm bất đồng khác. Đối với người mới bắt đầu, các lý thuyết ứng cử viên như năng lượng chân không - đó là một trong những giải thích phổ biến nhất cho Năng lượng tối - hiện sự bất nhất nghiêm trọng.
Theo cơ học lượng tử, năng lượng chân không sẽ có mật độ năng lượng cực kỳ lớn đối với nó. Nhưng nếu điều này là đúng, thì Thuyết tương đối rộng dự đoán rằng năng lượng này sẽ có hiệu ứng hấp dẫn cực kỳ mạnh, một năng lượng đủ mạnh để khiến Vũ trụ phát nổ kích thước. Như Giáo sư Unruh đã chia sẻ với Tạp chí Không gian qua email:
Vấn đề là bất kỳ tính toán ngây thơ nào của năng lượng chân không đều mang lại những giá trị to lớn. Nếu giả định rằng có một số loại cắt để người ta không thể có mật độ năng lượng lớn hơn mật độ năng lượng Planck (hoặc khoảng 1095 Joules / mét³) sau đó người ta thấy rằng người ta nhận được hằng số Hubble - thang thời gian mà Vũ trụ tăng gấp đôi kích thước - theo thứ tự 10-44 giây Vì vậy, cách tiếp cận thông thường là nói rằng bằng cách nào đó, một cái gì đó làm giảm điều đó xuống để người ta có được tốc độ mở rộng thực tế khoảng 10 tỷ năm thay thế. Nhưng điều đó ‘bằng cách nào đó, khá là bí ẩn và không ai nghĩ ra được một cơ chế thuyết phục nào cả.
Trong khi các nhà khoa học khác đã tìm cách sửa đổi các lý thuyết về Thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử để giải quyết những mâu thuẫn này, Wang và các đồng nghiệp đã tìm kiếm một cách tiếp cận khác. Như Wang đã giải thích với Tạp chí Vũ trụ qua email:
Các nghiên cứu trước đây đang cố gắng sửa đổi cơ học lượng tử theo một cách nào đó để làm cho năng lượng chân không nhỏ hoặc cố gắng sửa đổi Thuyết tương đối rộng theo một cách nào đó để làm cho trọng lực tê liệt đối với năng lượng chân không. Tuy nhiên, cơ học lượng tử và Thuyết tương đối rộng là hai lý thuyết thành công nhất giải thích cách thức Vũ trụ của chúng ta hoạt động Thay vì cố gắng sửa đổi cơ học lượng tử hoặc Thuyết tương đối rộng, chúng ta tin rằng trước tiên chúng ta nên hiểu chúng hơn. Chúng tôi coi mật độ năng lượng chân không lớn được dự đoán bởi cơ học lượng tử một cách nghiêm túc và chỉ để chúng hấp dẫn theo Thuyết tương đối rộng mà không sửa đổi một trong hai.
Vì lợi ích của nghiên cứu, Wang và các đồng nghiệp đã thực hiện các bộ tính toán mới về năng lượng chân không có tính mật độ năng lượng cao dự đoán của nó. Sau đó, họ đã xem xét khả năng trên quy mô nhỏ nhất - nhỏ hơn hàng tỷ lần so với điện tử - kết cấu của không thời gian chịu sự dao động hoang dã, dao động tại mọi điểm giữa sự giãn nở và co lại.
Khi nó lắc qua lắc lại, kết quả của những dao động này là một hiệu ứng ròng trong đó Vũ trụ giãn nở chậm, nhưng với tốc độ gia tốc. Sau khi thực hiện các tính toán của họ, họ lưu ý rằng một lời giải thích như vậy phù hợp với cả sự tồn tại của mật độ năng lượng chân không lượng tử và Thuyết tương đối rộng. Trên hết, nó cũng phù hợp với những gì các nhà khoa học đã quan sát trong Vũ trụ của chúng ta trong gần một thế kỷ. Như Unruh đã mô tả nó:
Các tính toán của chúng tôi cho thấy rằng người ta luôn có thể coi [rằng] Vũ trụ trên quy mô nhỏ nhất đang thực sự mở rộng và ký hợp đồng với tốc độ nhanh đến vô lý; nhưng trên quy mô lớn, vì tính trung bình trên các quy mô nhỏ đó, vật lý sẽ không nhận thấy đó là bọt lượng tử. Nó có một hiệu ứng dư nhỏ trong việc tạo ra hằng số vũ trụ hiệu quả (hiệu ứng loại năng lượng tối). Theo một cách nào đó, nó giống như những con sóng trên đại dương di chuyển như thể đại dương hoàn toàn mịn màng nhưng thực sự chúng ta biết rằng có một điệu nhảy đáng kinh ngạc của các nguyên tử tạo nên nước và sóng trung bình trên những dao động đó và hoạt động như thể Bề mặt nhẵn.
Trái ngược với các lý thuyết mâu thuẫn về một Vũ trụ nơi các lực lượng khác nhau chi phối nó không thể được giải quyết và phải triệt tiêu lẫn nhau, Wang và các đồng nghiệp của mình đưa ra một bức tranh mà Vũ trụ liên tục chuyển động. Trong kịch bản này, các tác động của năng lượng chân không thực sự tự hủy, và cũng làm tăng sự mở rộng và gia tốc mà chúng ta đã quan sát tất cả thời gian này.
Mặc dù có thể còn quá sớm để nói, hình ảnh về một Vũ trụ rất năng động (ngay cả trên quy mô nhỏ nhất) có thể cách mạng hóa sự hiểu biết của chúng ta về không thời gian. Ít nhất, những phát hiện lý thuyết này chắc chắn sẽ kích thích tranh luận trong cộng đồng khoa học, cũng như các thí nghiệm được thiết kế để đưa ra bằng chứng trực tiếp. Và đó, như chúng ta biết, là cách duy nhất chúng ta có thể thúc đẩy sự hiểu biết của chúng ta về thứ được gọi là Vũ trụ này.
