Làm thế nào các nhà khoa học có thể chứng minh sự hiện diện của đa vũ trụ?

Chắc chắn nhiều người đã nghe về ý tưởng về đa vũ trụ, nhưng có thể họ chỉ xem nó như một phần của các bộ phim khoa học viễn tưởng, không gắn liền với thế giới thực. Tuy nhiên, thực tế lại cho thấy rằng đa vũ trụ không chỉ là một khái niệm mơ hồ, mà một số nhà khoa học đã tìm thấy bằng chứng rõ ràng về sự tồn tại của nó trong thế giới của chúng ta.

Một nghiên cứu của Đại học Cornell công bố vào ngày 9 tháng 5 năm 2023 tuyên bố rằng trong các thí nghiệm trên chất lỏng sắt từ, họ phát hiện ra rằng đa vũ trụ được dự đoán bởi lý thuyết giãn nở vĩnh cửu có thể là có thật.

Điều đáng ngạc nhiên là thí nghiệm này không phải là bằng chứng duy nhất chứng minh sự tồn tại của đa vũ trụ, vì nhiều nghiên cứu khác cũng đã chỉ ra điều này. Một nghiên cứu năm 2017 của Đại học Durham ở Anh chỉ ra rằng trong bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB) do Vụ nổ lớn tạo ra, chúng ta đã quan sát thấy một số vùng đặc biệt lạnh, đặc biệt là những 'điểm lạnh' hình tròn khổng lồ, có thể đến từ các vũ trụ khác và được hình thành gần vũ trụ của chúng ta. Những vũ trụ này có thể đã có tương tác hấp dẫn với vũ trụ của chúng ta trong Vụ nổ lớn, để lại những dấu vết này.

Bạn có thể tự hỏi chính xác thì đa vũ trụ là gì? Đa vũ trụ đến từ mô hình giãn nở vĩnh cửu. Nó phù hợp với những dự đoán của lý thuyết trường lượng tử, hợp lý hơn và liên quan trực tiếp đến mô hình Big Bang của vũ trụ.

Theo thuyết Big Bang, vũ trụ của chúng ta được hình thành cách đây 13,8 tỷ năm trong một điểm kỳ dị cực kỳ đặc và cực nhỏ, vẫn chưa có câu trả lời rõ ràng nào về việc tại sao điểm kỳ dị này phát nổ và năng lượng trong vũ trụ được tạo ra như thế nào.

Năm 1981, lý thuyết giãn nở vũ trụ đã được đề xuất để giải quyết các vấn đề trên. Theo lý thuyết giãn nở, vũ trụ trải qua quá trình giãn nở theo cấp số nhân trong khoảng từ 10^-36 giây đến 10^-32 giây sau khi ra đời. Trong khoảng thời gian rất ngắn này, thể tích của vũ trụ tăng nhanh gần 10^78 lần so với số 0 ban đầu.

Tại sao vũ trụ mở rộng xảy ra? Làm sao để giải thích sự mở rộng của vũ trụ? Lý do nằm ở giai đoạn đầu của vũ trụ khi tồn tại một trường mở rộng ở dạng trường vô hướng trong không gian. Điều này có thể được coi là năng lượng tối, khiến chân không chứa đầy năng lượng lớn và được gọi là chân không giả. Trong khoảng từ 10^-36 giây đến 10^-32 giây, năng lượng từ chân không gây ra sự mở rộng của không gian. Khi mở rộng ngừng lại, năng lượng từ chân không phân rã và tạo ra vật chất. Đây là giai đoạn nóng lên của vũ trụ, bắt đầu của Big Bang.

Sau khi năng lượng từ chân không được giải phóng, tốc độ mở rộng của vũ trụ giảm đáng kể, nhưng vẫn tiếp tục mở rộng do vẫn còn một phần năng lượng trong trường mở rộng trong chân không, gọi là năng lượng tối.

Năng lượng tối tiếp tục khiến không gian mở rộng. Với lý thuyết mở rộng, chúng ta có thể hiểu nguồn gốc của trạng thái nhiệt của Big Bang, bắt nguồn từ phân rã của năng lượng chân không. Mặc dù chúng ta không biết điều gì đã xảy ra trong khoảng thời gian từ 0 đến 10^-36 giây, nhưng lý thuyết mở rộng đã làm cho mô hình Big Bang hoàn thiện hơn.

Tuy nhiên, vào năm 1986, lý thuyết mở rộng của Alan Guth đã được ba nhà vật lý phát triển thành lý thuyết mở rộng vĩnh cửu. Dựa trên lý thuyết này, chúng ta có dự đoán: Mở rộng của vũ trụ vẫn chưa dừng lại mà vẫn tiếp tục. Không gian mới được tạo ra vẫn chứa đầy năng lượng từ chân không. Khi mở rộng dừng lại ở một vị trí trong không gian, vùng bong bóng sẽ hình thành. Khu vực bong bóng này đã trải qua một vụ nổ lớn và một vũ trụ bong bóng đã ra đời. Vũ trụ mà chúng ta sống trong đó là một trong nhiều vũ trụ bong bóng.

Để hiểu về mô hình mở rộng vĩnh cửu, hãy tưởng tượng một quả bóng nhỏ lăn xuống một đồi. Đáy đồi là một thung lũng, quả bóng trên đồi có một năng lượng nhất định. Trạng thái này có thể được so sánh với vũ trụ đầy năng lượng chân không, gọi là chân không giả.

Rõ ràng, quả bóng không ở trong trạng thái ổn định, theo thời gian, cuối cùng nó sẽ lăn xuống thung lũng, giải phóng năng lượng, đạt đến trạng thái ổn định. Điều này làm kết thúc của mở rộng.

Khi chân không giải phóng năng lượng, nó tạo ra các hạt và trường khác, tạo ra một vụ nổ lớn nóng. Nếu trường mở rộng trong chân không là cổ điển, bài toán sẽ đơn giản hơn, vì chúng ta có thể xác định khi nào quả bóng sẽ lăn xuống đồi. Khi nó lăn xuống hoàn toàn, mở rộng sẽ kết thúc và vũ trụ chỉ có thể hình thành một vũ trụ.

Tuy nhiên, trường giãn nở không phải là một lực vật lý cổ điển mà là một trường lượng tử, và quả bóng không phải là một vật vĩ mô mà được điều khiển bởi cơ học lượng tử. Do đó, thời điểm quả bóng lăn xuống đồi không chắc chắn và nó sẽ dao động lên xuống. Vì vậy, thời gian kết thúc của giãn nở khác nhau ở các khu vực giãn nở vũ trụ khác nhau. Một số vũ trụ có thể hình thành nhanh chóng, trong khi các vũ trụ khác có thể mất nhiều thời gian. Khi thời gian trôi qua, nhiều vũ trụ bong bóng sẽ được sinh ra, tạo nên đa vũ trụ.

Liệu chúng ta có thể liên lạc với các vũ trụ khác không? Rõ ràng là không. Vì không gian trong mỗi vũ trụ đang mở rộng nhanh hơn nhiều so với tốc độ ánh sáng, do đó không có cách nào để truyền tải thông tin giữa hai vũ trụ. Vì vậy, để chứng minh sự tồn tại của đa vũ trụ, chúng ta chỉ có thể tìm kiếm bằng chứng gián tiếp.

Theo một số nhà khoa học, khi đa vũ trụ hình thành, các vũ trụ ở gần nhau. Điều này tạo ra các tương tác hấp dẫn tạo ra các điểm lạnh trong bức xạ nền vi sóng vũ trụ. Các điểm lạnh được biết đến là kết quả của lực hấp dẫn mạnh. Do đó, theo các nghiên cứu trên tạp chí Physical Review Letters và Physical Review D, các điểm lạnh trong bức xạ nền vi sóng vũ trụ có thể là do các vũ trụ gần đó tạo ra.

Tuy nhiên, trong cộng đồng khoa học quốc tế, không có sự đồng thuận về vấn đề này. Hầu hết các nhà khoa học tin rằng các điểm lạnh này là dấu vết của lực hấp dẫn từ các siêu cấu trúc cổ đại, chứ không phải là bằng chứng cho đa vũ trụ.

Vậy làm thế nào để chúng ta chứng minh sự tồn tại của đa vũ trụ? Một trong những cách là tạo ra các vũ trụ lượng tử trên Trái Đất bằng cách sử dụng hiện tượng lượng tử để tái tạo hành vi của trường giãn nở. Nếu hiện tượng lượng tử mà chúng ta quan sát trong phòng thí nghiệm tương thích với dự đoán của mô hình quả cầu lượng tử, thì trường giãn nở ban đầu có thể phát triển theo dự đoán của mô hình.

Đại học Cornell đã công bố một nghiên cứu là kết quả của thí nghiệm đầu tiên chứng minh sự tồn tại của đa vũ trụ. Thí nghiệm được tiến hành vào ngày 9 tháng 5 năm 2023 và sử dụng chất lỏng sắt từ làm đối tượng nghiên cứu.

Khi chất lỏng chuyển từ trạng thái siêu dẻo sang trạng thái cơ bản, tương tự như quá trình một quả bóng lăn xuống đồi, chúng hoạt động tương tự như quá trình phân rã của trường giãn nở. Điều này phù hợp với dự đoán của lý thuyết giãn nở vĩnh cửu, nhưng thí nghiệm này chỉ là một chiều và tuyến tính. Để chứng minh sự tồn tại của đa vũ trụ, chúng ta cần tiếp tục thí nghiệm hai và ba chiều.

Trong lĩnh vực vật lý lượng tử, khi áp suất và nhiệt độ của các nguyên tử giảm xuống cực thấp, hàm sóng của chúng kết hợp với nhau và tất cả đều ở trạng thái lượng tử thấp nhất và giống nhau, hiện tượng này được gọi là ngưng tụ Bose-Einstein. Các nhà nghiên cứu cũng đã quan sát thấy sự hình thành các bong bóng chân không nhỏ trong các đám mây ngưng tụ này.

Từ quan điểm dữ liệu, những bong bóng chân không siêu nhỏ này tương tự như việc tạo ra bong bóng vũ trụ. Các nhà khoa học hiện đang tiến hành các thí nghiệm tương tự bằng cách sử dụng nguyên tử kali và dự kiến công bố kết quả vào năm tới. Vì vậy, việc tồn tại của đa vũ trụ hoàn toàn có ý nghĩa logic.