Kết cấu của không-thời gian là một mô hình nhận thức kết hợp ba chiều không gian với chiều thứ tư về thời gian. Theo những lí thuyết vật lí tốt nhất hiện nay, không-thời gian giải thích được các hiệu ứng tương đối tính khác lạ nảy sinh từ sự chuyển động gần tốc độ ánh sáng, cũng như chuyển động của các vật thể khối lượng lớn trong vũ trụ.
Ai đã khám phá không-thời gian?
Nhà vật lí danh tiếng Albert Einstein đã góp phần phát triển ý tưởng không-thời gian là một bộ phận của thuyết tương đối của ông. Trước khi có công trình tiên phong của ông, các nhà khoa học phải tách rời các lí thuyết giải thích các hiện tượng vật lí: định luật hấp dẫn của Isaac Newton mô tả chuyển động của các vật thể khối lượng lớn, còn mô hình điện từ của James Clerk Maxwell giải thích các tính chất của ánh sáng.
Thế nhưng các thí nghiệm thực hiện vào cuối thế kỉ 19 đề xuất rằng có điều gì đó đặc biệt ở ánh sáng. Các phép đo cho thấy ánh sáng luôn truyền đi ở cùng một tốc độ, bất kể bố trí thí nghiệm như thế nào. Và vào năm 1898, nhà vật lí và nhà toán học người Pháp Henri Poincaré phỏng đoán rằng vận tốc ánh sáng có thể là một giới hạn không thể vượt qua. Đồng thời khi ấy, các nhà nghiên cứu khác đang xem xét khả năng các vậtt ểh thay đổi kích cỡ và khối lượng, tùy thuộc vào tốc độ của chúng.
Einstein tóm bắt toàn bộ những ý tưởng này lại trong thuyết tương đối hẹp năm 1905 của ông, trong đó giả thuyết rằng tốc độ ánh sáng là một hằng số. Để giả thuyết này đúng, không gian và thời gian phải kết hợp thành một kết cấu chung để hiệp lực giữ cho tốc độ ánh sáng như nhau đối với mọi nhà quan sát.
Thuyết tương đối hẹp của Einstein thừa nhận tốc độ ánh sáng là hằng số, vì ánh sáng luôn truyền đi ở cùng một tốc độ.
Một người ngồi trong một tên lửa siêu nhanh sẽ đo thời gian trôi qua chậm hơn và độ dài của các vật thể ngắn hơn so với một người đang chuyển động ở một tốc độ chậm hơn nhiều. Đó là bởi vì không gian và thời gian có tính tương đối – chúng phụ thuộc vào tốc độ của nhà quan sát. Còn tốc độ ánh sáng thì cơ bản hơn.
Kết luận rằng không-thời gian là một kết cấu nhất thể không phải do chính Einstein nêu ra. Ý tưởng đó xuất phát từ nhà toán học Đức Hermann Monkowski, ông đã phát biểu trong mội hội thảo chuyên đề vào năm 1908 rằng, “Vì lẽ đó, không gian tự nó, và thời gian tự nó, biến mất dần thành những cái bóng đơn thuần, và chỉ có một kiểu kết hợp của cả hai mới giữ được một thực tại độc lập.”
Không-thời gian mà ông mô tả vẫn được gọi là không-thời gian Minkowski và giữ vai trò nền tảng tính toán trong thuyết tương đối lẫn thuyết trường lượng tử. Thuyết trường lượng tử mô tả động lực học của các hạt nguyên tử dưới dạng các trường.
Không-thời gian vận hành như thế nào
Ngày nay, khi người ta nói về không-thời gian, họ thường mô tả nó na ná một tấm cao su. Cái này là do Einstein, khi phát triển thuyết tương đối rộng, ông nhận thấy rằng lực hấp dẫn là do sự uốn cong trong kết cấu không-thời gian.
Các vật thể khối lượng lớn – như Trái Đất, Mặt Trời hoặc bạn – gây ra các biến dạng trong không-thời gian làm nó uốn cong. Đến lượt nó, các uốn cong này khống chế cách thức vạn vật trong vũ trụ chuyển động, bởi vì các vật phải đi theo các đường bẻ cong này. Chuyển động do lực hấp dẫn thật ra là chuyển động theo các xoắn cong và rẽ khúc của không-thời gian. Một sứ mệnh NASA gọi là Gravity Probe B (GP-B) đã đo hình dạng của các xoáy không-thời gian xung quanh Trái Đất vào năm 2011 và tìm thấy nó khớp với các dự đoán của Einstein.
Nhưng vẫn khó cho đa số mọi người hình dung đến sự bẻ cong này. Mặc dù chúng ta có thể nói không-thời gian là tương tự như một tấm cao su, nhưng suy diễn này rốt cuộc không ổn. Một tấm cao su là hai chiều, còn không-thời gian là bốn chiều. Tấm cao su chỉ thể hiện sự bẻ cong không gian, còn thời gian cũng bẻ cong nữa. Các phương trình phức tạp dùng để giải thích hiện tượng này trông rối rắm ngay cả đối với nhà vật lí.
“Einstein đã chế ra một chiếc máy đẹp đẽ, nhưng ông không để lại cho chúng ta sách hướng dẫn sử dụng,” nhà thiên văn vật lí Paul Sutter nói. “…thuyết tương đối rộng phức tạp đến mức hễ có ai đó tìm ra nghiệm cho các phương trình của chúng, lập tức tên của họ được đặt cho các nghiệm đó và trở thành gần như huyền thoại.”
Cách đơn giản nhất để hiểu kết cấu của không-thời gian là hình dung một tấm cao su cong oằn chi phối cách chuyển động của vạn vật trong vũ trụ. Nhưng kiểu suy diễn này không đúng lắm vì không-thời gian có bốn chiều, còn tấm cao su chỉ có hai chiều.
Những điều các nhà khoa học vẫn chưa biết
Bất chấp sự phức tạp của nó, thuyết tương đối vẫn là cách tốt nhất để giải thích các hiện tượng mà chúng ta biết. Song các nhà khoa học biết rằng các mô hình của họ là chưa hoàn thiện bởi lẽ thuyết tương đối vẫn không dung hòa được với cơ học lượng tử, lí thuyết giải thích đặc tính của các hạt hạ nguyên tử với độ chuẩn xác ngoại hạng nhưng lại không xét đến lực hấp dẫn.
Cơ học lượng tử xây dựng trên thực tế rằng những thực thể tí hơn cấu tạo nên vũ trụ là rời rạc, hay bị lượng tử hóa. Thế nên các photon, các hạt tạo nên ánh sáng, giống như những miếng nhỏ ánh sáng xuất hiện thành từng gói rời rạc.
Một số nhà lí thuyết phỏng đoán rằng có lẽ bản thân không-thời gian cũng xuất hiện ở dạng những gói lượng tử hóa như vậy, nhằm thiết lập cầu nối thuyết tương đối và cơ học lượng tử. Các nhà nghiên cứu tại Cơ quan Không gian châu Âu đã đề xuất sứ mệnh Phòng thí nghiệm Quốc tế Thiên văn học Tia Gamma Thám hiểm Lượng tử Không-Thời gian (GrailQuest), vệ tinh này sẽ bay vòng quanh hành tinh chúng ta và thực hiện các phép đo cực kì chính xác về cái gọi là các vụ nổ tia gamma năng lượng cao, ở xa, chúng có thể giúp làm sáng tỏ bản chất của không-thời gian.
Một sứ mệnh như thế sẽ chưa thực hiện được trong ít nhất là một thập niên rưỡi trước mắt, nhưng nếu làm được, có lẽ nó sẽ giúp giải được một số bí ẩn lớn nhất vẫn tồn tại trong vũ trụ học.
Nguồn: LiveScience
