Một công thức mới cho lực hấp dẫn có thể giúp giải quyết một số bí ẩn lớn nhất của vũ trụ. Nó cho thấy rằng khái niệm "lực hấp dẫn lượng tử" có thể phát sinh từ entropy, có khả năng giải quyết các câu đố do vũ trụ đen tối khó nắm bắt đưa ra — và nếu đúng, lý thuyết mới lạ này cuối cùng cũng có thể thống nhất thuyết tương đối tổng quát của Albert Einstein với thế giới lượng tử.
Kể từ đầu thế kỷ 20, thuyết tương đối tổng quát của Einstein là mô tả tốt nhất mà chúng ta có về cách thức hoạt động của lực hấp dẫn. Tuy nhiên, ngay khi Einstein đưa ra thuyết tương đối tổng quát, các nhà khoa học cũng đã phát triển nền tảng của cơ học lượng tử.
Kể từ đó, cả hai lý thuyết đều đã được thử nghiệm, sửa đổi và cải tiến, vượt qua thử thách của thời gian và thuyết phục được những người hoài nghi trong cộng đồng khoa học. Tuy nhiên, có một vấn đề — một vấn đề lớn. Chúng không thể hoạt động cùng nhau.
Vì cả hai lý thuyết đều đã được hoàn thiện nên chúng vẫn tiếp tục thách thức những nỗ lực thống nhất chúng. Một "thuyết vạn vật" bao gồm cả thuyết tương đối rộng và vật lý lượng tử đã cản trở nỗ lực của những bộ óc vĩ đại như Stephen Hawking, và thậm chí cả Einstein.
Một trong những trở ngại lớn nhất ở đây liên quan đến thực tế là không có thuyết nào về "lực hấp dẫn lượng tử".
Nhưng đây chính là lúc Ginestra Bianconi, giáo sư Toán ứng dụng tại Đại học Queen Mary, London, vào cuộc.
Bà đề xuất một khuôn khổ trong đó lực hấp dẫn lượng tử phát sinh từ cái gọi là "entropy tương đối lượng tử", một khái niệm đo lường mức độ khác biệt giữa hai trạng thái lượng tử.
Điều này đã được xác minh nhiều lần, do đó cho phép thuyết tương đối rộng thay thế thuyết hấp dẫn của Newton như là mô tả tốt nhất về vũ trụ ở quy mô vũ trụ.
Tuy nhiên, thuyết tương đối rộng không thể giải thích mọi thứ.
Vật chất tối, chất bí ẩn nặng hơn vật chất thông thường gấp năm lần, và năng lượng tối, thành phần chưa biết của vũ trụ thúc đẩy sự giãn nở tăng tốc của nó, chẳng hạn, không được thuyết tương đối rộng tính đến.
Đó là một vấn đề lớn vì năng lượng tối chiếm 68% tổng vật chất và năng lượng trong vũ trụ, và vật chất tối chiếm khoảng 27% nữa. Điều đó có nghĩa là "vũ trụ tối" chiếm khoảng 95% ngân sách vật chất-năng lượng của vũ trụ, vì vậy "vật chất" mà chúng ta có thể mô tả thoải mái bằng thuyết tương đối rộng chỉ chiếm 5% năng lượng và vật chất trong vũ trụ.
Sau đó, có một thực tế là thuyết hấp dẫn của Einstein sẽ không "phù hợp" với vật lý lượng tử.
Khung mới — hay "công thức" cho lực hấp dẫn, nếu bạn muốn — lấy số liệu của không thời gian từ thuyết tương đối rộng, mô tả hình học của không gian và thời gian dựa trên khoảng cách và khoảng thời gian giữa các sự kiện, và coi nó như một thực thể toán học được gọi là toán tử.
Các toán tử được sử dụng trong vật lý lượng tử để thực hiện các phép biến đổi trên các trạng thái lượng tử phát sinh thông qua các thay đổi trong các yếu tố vật lý. Toán tử dựa trên thuyết tương đối rộng này dẫn đến một "hành động entropy" mới và các phương trình Einstein đã sửa đổi.
Ở các năng lượng thấp và trong các vùng không gian có ít độ cong và do đó ít trọng lực, các phương trình này lặp lại các phương trình của thuyết tương đối rộng.
Tuy nhiên, nghiên cứu mới này còn tiến xa hơn nữa. Nó dự đoán sự xuất hiện của một hằng số vũ trụ học có giá trị dương nhỏ. Điều đó có ý nghĩa quan trọng vì giá trị của nó phù hợp hơn với các quan sát về sự giãn nở tăng tốc của vũ trụ dưới ảnh hưởng của năng lượng tối so với các lý thuyết hiện tại khác.
Ngoài ra, một thứ gọi là "trường G" xuất hiện từ lý thuyết này có thể giải thích cho ảnh hưởng hấp dẫn của vật chất tối.
"Công trình này đề xuất rằng lực hấp dẫn lượng tử có nguồn gốc từ entropy và cho rằng trường G có thể là ứng cử viên cho vật chất tối", Bianconi cho biết trong một tuyên bố. "Ngoài ra, hằng số vũ trụ học mới nổi được mô hình của chúng tôi dự đoán có thể giúp giải quyết sự khác biệt giữa các dự đoán lý thuyết và quan sát thực nghiệm về sự giãn nở của vũ trụ."
Câu chuyện liên quan:
— Lại đúng nữa rồi, Einstein! Các nhà khoa học tìm ra nơi vật chất 'thác' vào lỗ đen
— Einstein lại thắng nữa rồi! Quark tuân theo định luật tương đối, Máy gia tốc hạt Hadron lớn phát hiện
— Kết quả của thiết bị năng lượng tối 'gây sốc' cho thấy Einstein đã đúng về lực hấp dẫn — một lần nữa
Tất nhiên, vẫn còn rất sớm để đưa ra lý thuyết này, nhưng xét đến những hàm ý sâu sắc của nó đối với sự hiểu biết cơ bản của chúng ta về vũ trụ, thì có lẽ rất đáng để khám phá.
Nghiên cứu của Bianconi đã được công bố vào thứ Hai (ngày 3 tháng 3) trên tạp chí Đánh giá thực tế D.
Kể từ đầu thế kỷ 20, thuyết tương đối tổng quát của Einstein là mô tả tốt nhất mà chúng ta có về cách thức hoạt động của lực hấp dẫn. Tuy nhiên, ngay khi Einstein đưa ra thuyết tương đối tổng quát, các nhà khoa học cũng đã phát triển nền tảng của cơ học lượng tử.
Kể từ đó, cả hai lý thuyết đều đã được thử nghiệm, sửa đổi và cải tiến, vượt qua thử thách của thời gian và thuyết phục được những người hoài nghi trong cộng đồng khoa học. Tuy nhiên, có một vấn đề — một vấn đề lớn. Chúng không thể hoạt động cùng nhau.
Vì cả hai lý thuyết đều đã được hoàn thiện nên chúng vẫn tiếp tục thách thức những nỗ lực thống nhất chúng. Một "thuyết vạn vật" bao gồm cả thuyết tương đối rộng và vật lý lượng tử đã cản trở nỗ lực của những bộ óc vĩ đại như Stephen Hawking, và thậm chí cả Einstein.
Một trong những trở ngại lớn nhất ở đây liên quan đến thực tế là không có thuyết nào về "lực hấp dẫn lượng tử".
Nhưng đây chính là lúc Ginestra Bianconi, giáo sư Toán ứng dụng tại Đại học Queen Mary, London, vào cuộc.
Bà đề xuất một khuôn khổ trong đó lực hấp dẫn lượng tử phát sinh từ cái gọi là "entropy tương đối lượng tử", một khái niệm đo lường mức độ khác biệt giữa hai trạng thái lượng tử.
Thuyết tương đối rộng và vũ trụ tối
Được phát triển vào năm 1915, thuyết tương đối rộng cho rằng lực hấp dẫn phát sinh vì các vật thể có khối lượng khiến cấu trúc không thời gian (sự thống nhất bốn chiều của không gian và thời gian) bị cong vênh. Khối lượng của một vật thể càng lớn, độ cong không thời gian càng lớn và do đó, ảnh hưởng hấp dẫn của vật thể đó càng mạnh.Điều này đã được xác minh nhiều lần, do đó cho phép thuyết tương đối rộng thay thế thuyết hấp dẫn của Newton như là mô tả tốt nhất về vũ trụ ở quy mô vũ trụ.
Tuy nhiên, thuyết tương đối rộng không thể giải thích mọi thứ.
Vật chất tối, chất bí ẩn nặng hơn vật chất thông thường gấp năm lần, và năng lượng tối, thành phần chưa biết của vũ trụ thúc đẩy sự giãn nở tăng tốc của nó, chẳng hạn, không được thuyết tương đối rộng tính đến.
Đó là một vấn đề lớn vì năng lượng tối chiếm 68% tổng vật chất và năng lượng trong vũ trụ, và vật chất tối chiếm khoảng 27% nữa. Điều đó có nghĩa là "vũ trụ tối" chiếm khoảng 95% ngân sách vật chất-năng lượng của vũ trụ, vì vậy "vật chất" mà chúng ta có thể mô tả thoải mái bằng thuyết tương đối rộng chỉ chiếm 5% năng lượng và vật chất trong vũ trụ.
Sau đó, có một thực tế là thuyết hấp dẫn của Einstein sẽ không "phù hợp" với vật lý lượng tử.
Khung mới — hay "công thức" cho lực hấp dẫn, nếu bạn muốn — lấy số liệu của không thời gian từ thuyết tương đối rộng, mô tả hình học của không gian và thời gian dựa trên khoảng cách và khoảng thời gian giữa các sự kiện, và coi nó như một thực thể toán học được gọi là toán tử.
Các toán tử được sử dụng trong vật lý lượng tử để thực hiện các phép biến đổi trên các trạng thái lượng tử phát sinh thông qua các thay đổi trong các yếu tố vật lý. Toán tử dựa trên thuyết tương đối rộng này dẫn đến một "hành động entropy" mới và các phương trình Einstein đã sửa đổi.
Ở các năng lượng thấp và trong các vùng không gian có ít độ cong và do đó ít trọng lực, các phương trình này lặp lại các phương trình của thuyết tương đối rộng.
Tuy nhiên, nghiên cứu mới này còn tiến xa hơn nữa. Nó dự đoán sự xuất hiện của một hằng số vũ trụ học có giá trị dương nhỏ. Điều đó có ý nghĩa quan trọng vì giá trị của nó phù hợp hơn với các quan sát về sự giãn nở tăng tốc của vũ trụ dưới ảnh hưởng của năng lượng tối so với các lý thuyết hiện tại khác.
Ngoài ra, một thứ gọi là "trường G" xuất hiện từ lý thuyết này có thể giải thích cho ảnh hưởng hấp dẫn của vật chất tối.
"Công trình này đề xuất rằng lực hấp dẫn lượng tử có nguồn gốc từ entropy và cho rằng trường G có thể là ứng cử viên cho vật chất tối", Bianconi cho biết trong một tuyên bố. "Ngoài ra, hằng số vũ trụ học mới nổi được mô hình của chúng tôi dự đoán có thể giúp giải quyết sự khác biệt giữa các dự đoán lý thuyết và quan sát thực nghiệm về sự giãn nở của vũ trụ."
Câu chuyện liên quan:
— Lại đúng nữa rồi, Einstein! Các nhà khoa học tìm ra nơi vật chất 'thác' vào lỗ đen
— Einstein lại thắng nữa rồi! Quark tuân theo định luật tương đối, Máy gia tốc hạt Hadron lớn phát hiện
— Kết quả của thiết bị năng lượng tối 'gây sốc' cho thấy Einstein đã đúng về lực hấp dẫn — một lần nữa
Tất nhiên, vẫn còn rất sớm để đưa ra lý thuyết này, nhưng xét đến những hàm ý sâu sắc của nó đối với sự hiểu biết cơ bản của chúng ta về vũ trụ, thì có lẽ rất đáng để khám phá.
Nghiên cứu của Bianconi đã được công bố vào thứ Hai (ngày 3 tháng 3) trên tạp chí Đánh giá thực tế D.
