Vũ trụ không đồng nhất: nguyên lí tương đương Einstein bị vi phạm?

Ảnh toàn bầu trời phương nam trên đài thiên văn VLT (Ảnh: ESO/H H Heyer)

Hàng tỉ năm trước đây, cường độ của tương tác hấp dẫn là khác nhau tại các phía đối lập nhau của vũ trụ. Đó là kết luận bất ngờ của một nhóm nhà vật lí ở Australia, những người nghiên cứu ánh sáng phát ra từ các quasar cổ. Các nhà nghiên cứu nhận thấy hằng số cấu trúc tinh tế, gọi là α, đã thay đổi trong không gian lẫn thời gian kể từ thời Big Bang.

Khám phá trên – được một nhà vật lí không tham gia trong nghiên cứu này đặt tên là “tin tức vật lí của năm” – là một bằng chứng nữa cho thấy α rốt cuộc có lẽ không phải là hằng số. Nếu đúng như vậy, thì kết luận trên sẽ vi phạm một nguyên lí cơ bản của thuyết tương đối rộng Einstein. Bản chất của sự bất đối xứng ở α – được đặt tên là “lưỡng cực Australia” – còn có thể hướng các nhà khoa học đến một lí thuyết thống nhất của vũ trụ học và làm sáng tỏ thêm về bản chất của vũ trụ.

Một hằng số biến thiên?

Hằng số cấu trúc tinh tế, khoảng 1/137, là một số đo của cường độ của tương tác điện từ và định lượng cách thức các electron liên kết bên trong nguyên tử và phân tử. Nó là một con số vô hướng, khiến nó còn cơ bản hơn cả những hằng số khác như cường độ lực hấp dẫn, tốc độ ánh sáng hay điện tích mang bởi electron.

Tuy vậy, mặc dù mang tên là hằng số, nhưng có những lí giải lí thuyết không tệ rằng α có thể biến thiên theo không gian hoặc thời gian. Một α biến thiên có thể, lấy thí dụ, giúp giải quyết bí ẩn lớn nhất của ngành vật lí học – làm thế nào thiết lập một lí thuyết thống nhất chung mô tả bốn lực cơ bản: lực hấp dẫn, lực điện từ, lực hạt nhân mạnh và lực hạt nhân yếu. Đối thủ hàng đầu cho một lí thuyết thống nhất, chẳng hạn, đòi hỏi các chiều không gian bổ sung ngoài ba chiều kích quen thuộc của chúng ta – và sự tồn tại của các chiều bổ sung có thể suy luận ra từ các biến thiên ở α.

Năm 1998, John Webb, Victor Flambaum cùng các đồng nghiệp tại trường Đại học New South Wales bắt đầu tìm kiếm bằng chứng của sự biến thiên ở α bằng cách nghiên cứu ánh sáng phát ra từ các quasar xa xôi. Bức xạ phát ra từ những vật thể cực kì sáng chói này đã truyền đi hàng tỉ năm trước đây đi tới Trái đất và sẽ đi qua những đám mây khí cổ dọc theo hành trình của chúng. Một phần ánh sáng bị hấp thụ ở những bước sóng đặc biệt tiết lộ thành phần hóa học của đám mây đó. Bên trong phổ hấp thụ đó là “cấu trúc tinh tế” mà từ đó giá trị và tên gọi của α có thể được trích xuất ra.

Cho đến nay, đội khoa học đã nghiên cứu hàng trăm quasar ở bầu trời nam và kết luận rằng hàng tỉ năm trước đây α nhỏ hơn giá trị ngày nay khoảng 1/100.000. Tuy nhiên, đây vẫn là một kết quả gây tranh cãi chưa được mọi nhà vật lí tán thành.

Bất ngờ ở bầu trời phương nam

Giờ thì Webb cùng đồng nghiệp đã phân tích thêm 153 quasar nữa ở bầu trời nam, sử dụng Kính thiên văn Rất Lớn (VLT) ở Chile và đi đến một phát hiện còn bất ngờ hơn nữa. Họ nhận thấy ở bầu trời nam, cách đây 10 tỉ năm trước α lớn hơn giá trị ngày nay khoảng 1/100.000. Giá trị đó ở bầu trời nam vẫn là nhỏ hơn, như đã tìm thấy trước đây.

Sự bất đối xứng này ở hai bán cầu – được các nhà nghiên cứu đặt tên là “lưỡng cực Australia” – có ý nghĩa thống kê khoảng bốn sigma. Điều này có nghĩa là chỉ có một trong 15.000 cơ hội rằng nó là một sự kiện ngẫu nhiên.

Sự biến thiên theo không gian này ở α là một bằng chứng nữa cho thấy tương tác điện từ vi phạm nguyên lí tương đương Einstein – một trong những nền tảng của thuyết tương đối phát biểu rằng α phải là như nhau cho dù nó được đo ở đâu và khi nào. Một sự vi phạm như thế là tin tốt lành cho những ai đang tìm kiếm lí thuyết thống nhất vì nhiều lí thuyết hàng đầu hiện nay vốn đi ngược lại nguyên lí tương đương.

Bước đột phá lớn?

Wim Umbachs, một nhà quang phổ học tại trường Đại học Mở Amsterdam ở Hà Lan, mô tả kết quả trên là “tin tức của năm trong ngành vật lí học”. Ông cho biết thêm rằng kết quả trên vừa làm hồi sinh những kết quả trước đây, vừa mang lại “bước chuyển mới cho bài toán”.

Hằng số cấu trúc tinh tế và những hằng số khác xác định khối lượng và năng lượng liên kết của các hạt sơ cấp – kể cả vật chất tối. Nếu những hằng số này biến thiên, thì sự dồi dào tương đối của vật chất bình thường, vật chất tối và năng lượng tối có thể khác nhau trong những phần khác nhau của vũ trụ. Đây có thể xem là một sự dị hướng nữa trong phông nền vi sóng vũ trụ hay là một sự bất đối xứng trong tốc độ giãn nở của vũ trụ.

Có lẽ khía cạnh gây tò mò nhất của kết quả trên là liên quan đến nguyên lí nhân sinh, nguyên lí cho rằng chúng ta có sự tồn tại rất riêng của mình do thực tế là các hằng số cơ bản có các giá trị cho phép vật chất và năng lượng hình thành nên các ngôi sao, hành tinh và cuối cùng là cơ thể của từng người chúng ta. Nếu α biến thiên trong không gian và thời gian, thì có thể là chúng ta đã có sự tồn tại của mình ở một nơi đặc biệt và một thời điểm đặc biệt trong vũ trụ.

Một bài báo mô tả các kết quả trên đã được gửi đăng trên tạp chí Physical Review Letters.

Trong một bản thảo khác, Flambaum và người đồng nghiệp New South Wales, Julian Berengut, lí giải rằng lưỡng cực Australia phù hợp với các phép đo khác của sự biến thiên ở α. Hồi năm 2008, chẳng hạn, các nghiên cứu với một đồng hồ nguyên tử tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) ở Mĩ cho biết α không phải là hằng số trong khoảng một phần 10¹⁷ trong hành trình một năm. Trong thời gian đó, Trái đất đã di chuyển một khoảng cách nhất định theo lưỡng cực này, và Flambaum cùng Berengut tính được rằng điều này sẽ làm thay đổi α đi khoảng một phần trong 10¹⁸ – vẫn nằm trong giới hạn NIST.

Nguồn: physicsworld.com

Bài trước | Bài kế tiếp