Thuvienvatly.com: Góp thêm ‘náo nhiệt’ cho không khíGiải Nobel Vật lý 2011 cho những nhà tiên phong của năng lượng tối. Chúng tôi trích giới thiệu lại một số bài báo đã đăng trên tạp chí Physics World, số tháng 12/2007 nói về những mập mờ và thái độ của cộng đồng trong lịch sử khám phá ra sự giãn nở đang tăng tốc của vũ trụ và sự ra đời của khái niệm năng lượng tối, vật chất tối.
Lawrence M Krauss (Physics World, tháng 12/2007)
Cho dù với nhiều quan sát đã được lên kế hoạch trong thập niên tới, nhưng có một sự may rủi thật sự rằng chúng ta sẽ không bao giờ hiểu được bản chất đích thực của năng lượng tối, như Lawrence M Krauss trình bày sau đây.
Khám phá hồi 10 trước đây rằng sự giãn nở của vũ trụ đang tăng tốc, ngụ ý rằng đa phần vũ trụ cấu thành từ một chất liệu đẩy hấp dẫn gọi là năng lượng tối, là một trong những quan sát nổi bật nhất trong lĩnh vực vũ trụ học. Một vài nhà lí thuyết của chúng ta hồi vài ba năm trước đây đã thật sự tranh cãi rằng một thứ gì đó giống như năng lượng tối phải tồn tại – nguyên do là một chất liệu như thế có thể giải quyết sự mâu thuẫn, ví dụ, trong những phép đo của sự tổng hợp hạt nhân Big Bang và tuổi của vũ trụ. Nhưng những quan sát trực tiếp của sự tăng tốc của vũ trụ thông qua những phép đo sao siêu mới ở xa chứng minh cho toàn bộ cộng đồng rằng hiểu biết của chúng ta về sự tiến hóa của vũ trụ cần phải đại tu lại.
Các phép đo có lẽ không bao giờ làm sáng tỏ vật chất tối có thể giải thích được hay không bằng một hằng số vũ trụ học.
Chúng ta không hề có bất cứ lời giải thích nào cho mật độ đo được của năng lượng tối dựa trên các lí thuyết cơ sở của chúng ta về vật lí hạt cơ bản. Vì những điều kiện ban đầu của vũ trụ có lẽ được xác định bởi những quy luật cơ sở như thế, nên việc tìm hiểu xem năng lượng tối là cái gì chắc chắn sẽ buộc chúng ta phải nghi vấn sự hiểu biết của mình về những thời khắc sớm nhất của Big Bang. Đây là nguyên nhân vì sao người ta lại quá hào hứng với việc cố gắng và giải quyết bí ẩn của nguồn gốc lẫn bản chất của loại năng lượng kì lạ này, thứ năng lượng hình như thấm đẫm không gian trống rỗng.
Tuy nhiên, vấn đề là ở chỗ rất có khả năng những quan sát tương lai – bị hạn chế bởi cả sai số thực nghiệm và thiếu sự chỉ dẫn lí thuyết về thứ tìm kiếm – sẽ rọi chút ít ánh sáng mới lên những nghi vấn hết sức quan trọng này. Thay vì vậy, có lẽ chúng ta cần những ý tưởng lí thuyết mới để giải quyết bản chất của năng lượng tối, và chúng thường khó xuất hiện hơn những quan sát mới.
Sự tiên đoán ngược đời
Mặc dù chúng ta không có một lí thuyết cho phép mình tiên đoán giá trị quan sát được của mật độ của năng lượng tối, nhưng chúng ta thật sự có một ứng cử viên tiềm năng cho nguồn gốc của nó: hằng số vũ trụ học. Do Einstein đề xuất vào năm 1917 là một số hạng bổ sung trong những phương trình thuyết tương đối tổng quát của ông làm cho vũ trụ có thể tĩnh tại và vĩnh hằng (một sự khôn ngoan thịnh hành thời đó), hằng số vũ trụ học là một loại “phản hấp dẫn” tràn ngập toàn bộ không gian.
Tuy nhiên, kể từ thập niên 1960, một số hạng hằng số như thế đã sự hậu thuẫn của lí thuyết khác. Cơ học lượng tử, cùng với thuyết tương đối, ngụ ý rằng không gian trống rỗng tràn đầy một mớ hạt ảo thoắt ẩn thoắt hiện nhanh đến mức chúng ta không thể trực tiếp phát hiện ra chúng được. Tuy nhiên, những hạt này để lại vết tích có thể đo được lên mọi thứ từ khoảng cách giữa các mức năng lượng nguyên tử cho đến lực Casimir đẩy các tấm kim loại đặt rất gần nhau.
Người ta có thể trông đợi những hạt ảo này đóng góp năng lượng cho không gian trống rỗng, thu được dạng thức giống hệt hằng số vũ trụ học nguyên bản của Einstein đã đưa đến lực đẩy vũ trụ và do đó là một vũ trụ đang tăng tốc. Dạng “năng lượng chân không” này có tính đẩy hấp dẫn vì nó có áp suất âm bằng và ngược dấu độ lớn với mật độ năng lượng của nó. Nói cách khác, tỉ số áp suất trên mật độ năng lượng – gọi là “phương trình trạng thái” thông số, w – có giá trị - 1.
Một sự giải thích cơ bản, vi mô như thế cho năng lượng tối đúng là cái các nhà vũ trụ học đang tìm kiếm. Nhưng có một cái bẫy gài lớn: khi chúng ta nỗ lực ước tính độ lớn của năng lượng chân không dựa trên sự hiểu biết hiện nay của chúng ta về vật lí hạt cơ bản, chúng ta thu được một giá trị lớn hơn 120 bậc so với giá trị đo được! Điều này có nghĩa là nếu như năng lượng tối tương ứng với một hằng số vũ trụ học phát sinh từ năng lượng chân không khác không, thì có cái gì đó về cơ bản là sai lầm với sự hiểu biết của chúng ta về nền vật lí hạt cơ bản. Mặt khác, nguồn năng lượng tối có lẽ chỉ nhại lại hằng số vũ trụ học ở thời hiện tại, và có lẽ nó là một cái gì đó phức tạp hơn là sự biến thiên như một hàm của thời gian. Thật vậy, có thể một nguồn năng lượng tối như thế sẽ biến mất hoàn toàn vào một lúc nào đó trong tương lai, điều đó có thể ngụ ý rằng năng lượng chân không cơ bản của tự nhiên chính xác là bằng không. Khi đó, chúng ta có thể hiểu một giá trị như thế, có lẽ, là do một số đối xứng mới của tự nhiên triệt tiêu chính xác hết đóng góp của tất cả các hạt ảo.
Nhưng vấn đề chính là ở chỗ đó. Cách duy nhất chúng ta có thể xác định từ các quan sát rằng năng lượng tối không phải là một hằng số vũ trụ là bằng cách nào đó đo phương trình trạng thái thông số, w, của nó, và tìm thấy nó không, hay đã từng không, bằng – 1. Nếu giá trị đo được không thể phân biệt với – 1 trong sai số thực nghiệm, thì chúng ta không biết điều gì hết vì năng lượng tối có thể là một hằng số vũ trụ hay một thứ gì khác kém kì lạ hơn (hoặc kì lạ hơn) hành xử rất giống với nó. Những thách thức quan sát trong việc phân biệt giữa những kịch bản này đang hết sức thoái chí.
Thách thức quan sát
Dữ liệu hiện có cho thấy – 1,2 < w < - 0,8, w rất gần với giá trị hằng số vũ trụ học - 1. Nhưng vì không hề có thứ lí thuyết nào chỉ dẫn chúng ta biết w hóa ra có không bằng -1 hay không, hoặc là hiện nay hoặc là sớm hơn trong lịch sử vũ trụ, chúng ta buộc phải cho phép khả năng w biến thiên tùy tiện theo thời gian. Khi sai số lí thuyết này kết hợp với sai số hệ thống khả dĩ của quan sát – ví dụ do những khó khăn trong việc xác định độ sáng tuyệt đối của sao siêu mới – sẽ thật khó nói phương trình trạng thái của năng lượng tối có thật sự bị lệch khỏi -1 hay không vào bất cứ thời điểm nào trong quá khứ.
Hồi đầu năm nay, tôi cùng với Dragan Huterer ở trường đại học Chicago và Kate Jones-Smith thuộc trường đại học Case Western Reserve, tính được rằng cho dù là quan sát 3000 sao siêu mới được thực hiện với độ chính xác phép đo tốt hơn chút xíu thôi so với độ chính xác đã có trước nay, thì sự ràng buộc trên giá trị đo có thể cải thiện nhiều nhất là 2 lần một khi sai số lí thuyết ở w được hợp nhất vào. Nói cách khác, - 1,1 < w < - 0,9.
Nhưng, vì mục đích lập luận, chúng ta hãy nói rằng giá trị thật sự của phương trình trạng thái thông số là w = - 0,96. Khi đó, cho dù chúng ta có khả năng cải thiện sai số hiện có ở w lên 10 lần bằng những kĩ thuật đã được đề xuất ngoài việc đơn giản đo sao siêu mới ở xa, giá trị w = - 1 sẽ chỉ là hai độ lệch chuẩn khỏi giá trị phù hợp nhất (không thể tương ứng với w = - 0,96). Thật không may, những khoảng thời gian riêng như thế thường xuất hiện trong vật lí và, trong khi gợi ý, không đủ để khẳng định là một khám phá.
Điều này không có nghĩa là chúng ta sẽ phải từ bỏ các nỗ lực đo w. Nó chỉ có nghĩa là nhà quan sát sẽ phải làm việc rất vất vả để làm giảm sai số hệ thống, ví dụ, trong những phép đo sao siêu mới xuống dưới mức hiện nay. Và dẫu cho các nhà thực nghiệm làm chủ được một kì công như thế, thì chúng ta nên nhận thức rõ rằng việc mang đến sự tiến bộ to lớn – tức là trả lời được câu hỏi năng lượng tối là một hằng số vũ trụ hay là một cái gì khác – có khả năng nằm ngoài tầm với thực nghiệm của chúng ta.
Lawrence M.Krauss
Một thời điểm rất đặc biệt
Nếu như chúng ta không thể trả lời câu hỏi này, thì khả năng chúng ta làm chủ các mô hình trong nền vật lí hạt cơ bản sẽ bị hạn chế vì chúng ta không biết năng lượng tối là do năng lượng chân không hay một thứ gì khác. Nhưng sự mù tịt như thế cũng sẽ làm cho khó mà đoán được tương lai lâu dài của vũ trụ. Thật vậy, nếu năng lượng tối thật sự là một hằng số vũ trụ học, thì các nhà khoa học cách nay 100 tỉ hay ngần ấy năm sẽ đều mất hết bằng chứng rằng chúng ta đang sống trong một vũ trụ đang giãn nở bị năng lượng tối thống trị. Đây là do khi đó sự tăng tốc vũ trụ sẽ làm cho các thiên hà và sao siêu mới xa xôi lùi xa nhau ở tốc độ lớn hơn tốc độ ánh sáng, vì thế đưa những vật chỉ thị này của động lực học vũ trụ mãi mãi ra khỏi tầm nhìn.
Do đó, dường như chúng ta đang sống trong một thời khắc rất đặc biệt, ấy là thời gian duy nhất trong lịch sử vũ trụ chúng ta thật sự có thể suy luận ra sự tồn tại của chính năng lượng tối. Vì thế, có lẽ chúng ta không nên cảm thấy quá tồi tệ nếu như quan sát trong những thập niên sắp tới không cho phép chúng ta giải mã bí ẩn nguồn gốc và bản chất của năng lượng tối. Sau hết thảy, thường thường thì chính các bí ẩn đã giữ các nhà khoa học tiến lên, tiếp thêm sinh lực cho các nhà lí thuyết tiếp tục giải thích về bản chất tối hậu của thực tại và thúc đẩy các nhà quan sát tìm kiếm những công cụ mới để khảo sát nó.
Tác giả: Lawrence M.Krauss, Giám đốc Trung tâm Giáo dục và Nghiên cứu Vũ trụ học và Thiên văn vật lí tại trường đại học Case Western Reserve, Mĩ.
