Hai nhà toán học – một người ở trường Đại học Indiana, và người kia ở trường Đại học Tứ Xuyên, Trung Quốc – vừa đề xuất một lí thuyết của vật chất tối và năng lượng tối làm thay đổi các phương trình Einstein mô tả các tính chất cơ bản của sự hấp dẫn.
Shouhong Wang (Đại học Indiana) và Tian Ma (Đại học Tứ Xuyên) đề xuất rằng định luật bảo toàn năng lượng và động lượng trong không thời gian chỉ có giá trị khi vật chất bình thường, vật chất tối và năng lượng tối đều được xét tới. Họ cho rằng, chỉ với riêng vật chất bình thường, thì năng lượng và động lượng không còn bảo toàn nữa.
Shouhong Wang và Tian Ma
Trong khi vẫn sử dụng metric của không-thời gian cong mà Einstein đã dùng trong phương trình trường của ông, hai nhà nghiên cứu trên cho rằng sự có mặt của vật chất tối và năng lượng tối – theo các nhà khoa học thì chúng chiếm ít nhất 95% của vũ trụ - đòi hỏi một tập hợp mới những phương trình trường hấp dẫn xét đến một loại năng lượng mới gây ra bởi sự phân bố không đều của vật chất trong vũ trụ. Năng lượng mới này có thể dương lẫn âm, và tổng năng lượng đó trong không-thời gian được bảo toàn.
Chính không thời gian cong, cùng với một trường thế vô hướng mới biểu diễn mật độ năng lượng mới, và các tương tác giữa hai bên tạo nên cơ sở cho các phương trình trường hấp dẫn mới.
“Nhiều người đã đi tới những lí thuyết khác nhau cho năng lượng tối,” Wang nói. “Thật không may, bí ẩn vẫn còn đó, và thật vậy, bản chất của năng lượng tối bây giờ có lẽ là bí ẩn nổi cộm nhất trong vũ trụ học và thiên văn vật lí học. Nó được xem là bài toán khó nuốt nhất trong vật lí lí thuyết.
“Một bí ẩn lớn nữa về vũ trụ của chúng ta là nó chứa vật chất nhiều hơn so với cái có thể giải thích ở những ngôi sao nhìn thấy của chúng ta. Khối lượng còn thiếu được đặt tên là vật chất tối, và bất chấp nhiều nỗ lực nhằm phát hiện vật chất tối, bí ẩn vẫn còn đó và thậm chí còn sâu sắc hơn.”
Hai nhà nghiên cứu cho rằng tensor năng lượng-xung lượng của vật chất bình thường không còn được bảo toàn và những phương trình trường hấp dẫn mới suy ra từ nguyên lí tương đương và thuyết tương đối rộng Einstein, và nguyên lí động lực học Lagrange, giống hệt như Einstein đã suy ra các phương trình trường của ông. Wang cho biết các phương trình mới đó là kết quả độc đáo của sự không bảo toàn của tensor năng lượng-xung lượng của vật chất bình thường.
Khi Eintein phát triển lí thuyết của ông, năng lượng tối và vật chất tối vẫn chưa được khám phá ra, nên thật tự nhiên cho ông bắt đầu lí thuyết của mình bằng cách sử dụng sự bảo toàn năng lượng và động lượng của vật chất bình thường.
“Sự khác biệt giữa các phương trình trường mới và các phương trình Einstein là sự bổ sung thêm một đạo hàm hiệp biến bậc hai của một trường thế vô hướng,” ông nói. “Lí thuyết hấp dẫn đã thay đổi về căn bản và nay được mô tả bằng metric của không thời gian cong, trường thế vô hướng mới và các tương tác của chúng.”
Các tensor mang lại một khuôn khổ súc tích để giải các bài toán thuyết tương đối rộng và tensor năng lượng-xung lượng định lượng mật độ và dòng năng lượng và xung lượng trong không thời gian. Đạo hàm hiệp biến bậc hai đó sẽ là một tương đương hình học của một đạo hàm bậc hai trong giải tích đo tốc độ biến thiên của một đại lượng khi chính nó đang biến thiên.
Cùng với trường vô hướng đó là một mật độ thế năng vô hướng gồm những năng lượng dương và âm và biểu diễn một loại năng lượng mới gây ra bởi sự phân bố không đều của vật chất trong vũ trụ. Mật độ thế năng vô hướng đó biến thiên vì các thiên hà chuyển động và vật chất phân bố lại, ảnh hưởng đến mọi bộ phận của vũ trụ xét như một trường.
Wang cho biết năng lượng âm tạo ra lực hút còn năng lượng dương tạo ra lực đẩy khác về căn bản với bốn lực – lực hấp dẫn, lực điện từ, lực yếu và lực mạnh – được công nhận trong vật lí ngày nay.
“Điều quan trọng nhất là năng lượng mới này và các phương trình trường mới mang lại một lí thuyết thống nhất cho cả năng lượng tối và vật chất tối, cái cho đến nay vẫn được xem là hai con dã thú hoàn toàn khác nhau chỉ có chung một chữ “tối” trong tên gọi mà thôi. Cả vật chất tối và năng lượng tối bây giờ có thể biểu diễn bằng tổng của mật độ thế năng vô hướng mới và năng lượng kết hợp giữa tensor năng lượng-xung lượng và trường thế vô hướng,” Wang nói.
Phần âm của tổng này biểu diễn vật chất tối, cái tạo ra lực hút, và phần dương biểu diễn năng lượng tối, cái tạo ra sự tăng tốc của các thiên hà đang giãn nở.
“Tóm lại, chúng tôi tin rằng lí thuyết hấp dẫn mới đó sẽ làm thay đổi quan điểm của chúng ta về năng lượng, các tương tác hấp dẫn, và cấu trúc và sự hình thành của vũ trụ của chúng ta,” Wang nói.
Wang cho biết các phương trình trường mới đó cũng đưa đến một công thức lực hấp dẫn Newton cải tiến cho thấy vật chất tối giữ một vai trò quan trọng hơn quy mô một thiên hà cỡ từ 1.000 đến 100.000 năm ánh sáng, nhưng ít quan trọng hơn ở quy mô lớn hơn, nơi năng lượng tối sẽ là đáng kể (hơn 10 triệu năm ánh sáng).
Tham khảo: http://arxiv.org/pdf/1206.5078v2.pdf
123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: Đại học Indiana
