Sóng Hấp Dẫn Nên Vĩnh Viễn Biến Đổi Không Gian

Sự phát hiện đầu tiên về sóng hấp dẫn vào năm 2016 đã cung cấp xác nhận quyết định về lý thuyết tổng quát của Einstein về tương đối. Nhưng dự đoán khác kỳ diệu vẫn chưa được xác nhận: Theo lý thuyết tương đối tổng quát, mỗi sóng hấp dẫn đều để lại dấu ấn không thể xóa trên cấu trúc của không gian thời gian. Nó sẽ vĩnh viễn làm méo mó không gian, làm di chuyển gương của bộ cảm biến sóng hấp dẫn ngay cả sau khi sóng đã đi qua.

Kể từ sự phát hiện đầu tiên gần đây 6 năm, các nhà vật lý đã cố gắng tìm ra cách để đo lường hiệu ứng gọi là “hiệu ứng nhớ” này.

“Hiệu ứng nhớ hoàn toàn là một hiện tượng kỳ lạ, kỳ lạ,” nói Paul Lasky, một nhà thiên văn học tại Đại học Monash ở Australia. “Thực sự là những điều sâu sắc.”

Mục tiêu của họ không chỉ là nhìn thoáng qua những vết sẹo vĩnh viễn trên không gian thời gian do sóng hấp dẫn đi qua. Bằng cách khám phá mối liên kết giữa vật chất, năng lượng và không gian thời gian, những nhà vật lý hy vọng có được sự hiểu biết tốt hơn về nghịch lý thông tin hố đen của Stephen Hawking, đã là trọng tâm của nghiên cứu lý thuyết trong suốt năm thập kỷ qua. “Có một mối liên quan chặt chẽ giữa hiệu ứng nhớ và đối xứng của không gian thời gian,” nói Kip Thorne, một nhà vật lý tại Viện Công nghệ California, người đã được trao giải Nobel Vật lý năm 2017 về sóng hấp dẫn. “Nó liên quan cuối cùng đến việc mất thông tin trong các hố đen, một vấn đề rất sâu sắc về cấu trúc của không gian và thời gian.”

Một Vết Sẹo Trên Không Gian Thời Gian

Tại sao sóng hấp dẫn lại làm thay đổi vĩnh viễn cấu trúc của không gian thời gian? Nó đến từ sự liên kết chặt chẽ giữa không gian thời gian và năng lượng của lý thuyết tương đối tổng quát.

Đầu tiên, hãy xem xét điều gì xảy ra khi sóng hấp dẫn đi qua một bộ cảm biến sóng hấp dẫn. Trạm Quan sát Sóng Hấp Dẫn Bằng Lazer (LIGO) có hai cánh được đặt trong hình chữ L. Nếu bạn tưởng tượng một hình tròn vây quanh các cánh, với trung tâm của hình tròn tại giao điểm của các cánh, một sóng hấp dẫn sẽ định kỳ biến dạng hình tròn đó, làm co lại theo chiều dọc, sau đó theo chiều ngang, xen kẽ cho đến khi sóng đi qua. Sự chênh lệch về chiều dài giữa hai cánh sẽ dao động — hành vi này làm lộ biểu hiện của sự biến dạng của hình tròn và sự đi qua của sóng hấp dẫn.

Theo hiệu ứng nhớ, sau khi sóng đi qua, hình tròn nên giữ nguyên biến dạng một cách vĩnh viễn với một lượng rất nhỏ. Lý do vì sao liên quan đến những đặc tính cụ thể của trọng lực như mô tả bởi lý thuyết tương đối tổng quát.

Các đối tượng mà LIGO phát hiện ở xa đến nỗi tác động hấp dẫn của chúng là yếu đến mức có thể xem nhẹ. Nhưng sóng hấp dẫn có tầm với xa hơn so với lực hấp dẫn. Cũng vậy, đặc tính gây ra hiệu ứng nhớ cũng có tầm với xa hơn: tiềm năng hấp dẫn.

Trong thuật ngữ Newton đơn giản, tiềm năng hấp dẫn đo lường mức độ năng lượng mà một đối tượng sẽ đạt được nếu nó rơi từ một độ cao nhất định. Thả một tảng sắt từ một vách đá, và tốc độ của tảng sắt ở dưới có thể được sử dụng để tái tạo năng lượng “tiềm năng” mà việc rơi từ vách đá có thể tạo ra.

Nhưng trong lý thuyết tương đối tổng quát, nơi không gian thời gian bị căng ra và bị nén theo các hướng khác nhau tùy thuộc vào các chuyển động của các vật thể, một tiềm năng quy định nhiều hơn chỉ năng lượng tiềm năng tại một vị trí — nó quy định hình dạng của không gian thời gian.

“Ký ức không gì khác ngoài sự thay đổi trong tiềm năng hấp dẫn,” Thorne nói, “nhưng đó là một tiềm năng hấp dẫn tương đối.” Năng lượng của một sóng hấp dẫn đi qua tạo ra một sự thay đổi trong tiềm năng hấp dẫn; sự thay đổi này trong tiềm năng biến dạng không gian thời gian, ngay cả sau khi sóng đã đi qua.

Làm thế nào, chính xác, một sóng đi qua sẽ biến dạng không gian thời gian? Các khả năng là vô hạn đối với sự ngạc nhiên, và, làm phiền lẫn, những khả năng này cũng tương đương với nhau. Bằng cách này, không gian thời gian giống như một trò chơi Boggle vô tận. Trò chơi Boggle cổ điển có 16 xúc xắc có sáu mặt được sắp xếp trong một lưới bốn hàng bốn cột, với một chữ cái trên mỗi mặt của mỗi xúc xắc. Mỗi khi người chơi lắc lưới, các xúc xắc vỗ quanh và ngồi chỗ mới của các chữ cái. Hầu hết các cấu hình có thể phân biệt được lẫn nhau, nhưng tất cả đều tương đương với nhau ở một quy mô lớn hơn. Chúng đều nằm yên ở trạng thái năng lượng thấp nhất mà xúc xắc có thể có. Khi sóng hấp dẫn đi qua, nó lắc bảng Boggle vũ trụ, biến đổi không gian thời gian từ một cấu hình lệch lạc sang một cái khác. Nhưng không gian thời gian vẫn ở trong trạng thái năng lượng thấp nhất của nó.

Siêu Đối Xứng

Đặc điểm đó—bạn có thể thay đổi bảng, nhưng cuối cùng mọi thứ về cơ bản vẫn giống nhau—đề xuất sự hiện diện của các đối xứng ẩn trong cấu trúc của không gian thời gian. Trong thập kỷ gần đây, những nhà vật lý đã rõ ràng thiết lập được liên kết này.

Câu chuyện bắt đầu từ những năm 1960, khi bốn nhà vật lý muốn hiểu rõ hơn về lý thuyết tương đối tổng quát. Họ tò mò về những gì sẽ xảy ra trong một khu vực giả định vô cùng xa tất cả khối lượng và năng lượng trong vũ trụ, nơi tác động của trọng lực có thể bị bỏ qua, nhưng sóng hấp dẫn không thể. Họ bắt đầu bằng cách xem xét những đối xứng mà khu vực này tuân theo.

Họ đã biết đến những đối xứng của thế giới theo lý thuyết tương đối đặc biệt, nơi không gian thời gian là phẳng và không có đặc điểm nổi bật. Trong một thế giới mịn màng như vậy, mọi thứ trông giống nhau bất kể bạn ở đâu, bạn đang đối diện hướng nào và tốc độ di chuyển của bạn là bao nhiêu. Các đặc tính này tương ứng với đối xứng dịch chuyển, xoay và tăng tốc, tương ứng. Các nhà vật lý kỳ vọng rằng ở vô cùng xa tất cả chất trong vũ trụ, trong một khu vực được gọi là “asymptotically flat,” những đối xứng đơn giản này sẽ xuất hiện lại.

Đến sự ngạc nhiên của họ, họ phát hiện ra một tập hợp vô hạn các đối xứng ngoài những đối xứng dự kiến. Các đối xứng mới “siêu dịch chuyển” cho thấy rằng các phần riêng lẻ của không gian thời gian có thể bị căng ra, bị nén và bị cắt đứt, và hành vi trong khu vực vô cùng xa này sẽ vẫn giống nhau.

Trong những năm 1980, Abhay Ashtekar, một nhà vật lý tại Đại học Pennsylvania, phát hiện ra rằng hiệu ứng nhớ là biểu hiện vật lý của những đối xứng này. Nói cách khác, một siêu dịch chuyển chính là điều sẽ khiến vũ trụ Boggle chọn một cách mới nhưng tương đương để biến dạng không gian thời gian.

Công việc của ông kết nối những đối xứng trừu tượng này trong một khu vực giả định của vũ trụ với những hiệu ứng thực tế. “Đối với tôi, điều thú vị khi đo lường hiệu ứng nhớ là chỉ chứng minh những đối xứng này thực sự là vật lý,” nói Laura Donnay, một nhà vật lý tại Đại học Công nghệ Vienna. “Ngay cả những nhà vật lý rất giỏi cũng không hiểu rõ rằng chúng hoạt động một cách phức tạp và mang lại hiệu ứng vật lý. Và hiệu ứng nhớ là một trong số đó.”

Khám Phá Một Nghịch Lý

Mục đích của trò chơi Boggle là tìm kiếm sắp xếp có vẻ ngẫu nhiên của chữ cái trên lưới để tìm từ. Mỗi cấu hình mới ẩn chứa từ mới, và do đó là thông tin mới.

Giống như Boggle, không gian thời gian có khả năng lưu trữ thông tin, điều này có thể là chìa khóa giải quyết nghịch lý thông tin hố đen nổi tiếng. Tóm lại, nghịch lý là như thế này: Thông tin không thể được tạo ra hoặc phá hủy. Vậy thông tin về các hạt đi đâu sau khi chúng rơi vào một hố đen và được phát lại dưới dạng bức xạ Hawking không có thông tin?

Năm 2016, Andrew Strominger, một nhà vật lý tại Đại học Harvard, cùng với Stephen Hawking và Malcolm Perry, nhận ra rằng ranh giới của một hố đen có những đối xứng siêu dịch chuyển giống như những đối xứng trong không gian asymptotically flat. Và theo cùng một logic như trước đó, sẽ có một hiệu ứng nhớ đi kèm. Điều này có nghĩa là các hạt rơi vào có thể thay đổi không gian thời gian gần hố đen, từ đó thay đổi nội dung thông tin của nó. Điều này đề xuất một giải pháp có thể cho nghịch lý thông tin. Kiến thức về các đặc tính của các hạt không bị mất đi — nó được mã hóa vĩnh viễn trong cấu trúc của không gian thời gian.

“Việc bạn có thể nói điều gì đó thú vị về bức xạ hố đen là khá tuyệt vời,” nói Sabrina Pasterski, một nhà vật lý lý thuyết tại Đại học Princeton. “Điểm xuất phát của khung cảnh đã có kết quả thú vị. Và bây giờ chúng tôi đang đẩy khung cảnh thêm nữa.”

Pasterski và những người khác đã khởi xướng một chương trình nghiên cứu mới liên quan đến các tuyên bố về trọng lực và các lĩnh vực khác của vật lý với những đối xứng vô tận này. Trong việc theo đuổi những mối liên kết này, họ đã phát hiện ra những hiệu ứng nhớ mới, kỳ lạ. Pasterski đã thiết lập một liên kết giữa một bộ đối xứng khác và hiệu ứng nhớ spin, nơi không gian thời gian trở nên nứt nẻ và uốn cong từ sóng hấp dẫn mang theo moment góc.

Một Bóng Ma trong Hệ Thống

Thảo nào, các nhà khoa học LIGO vẫn chưa thấy dấu hiệu của hiệu ứng nhớ. Sự thay đổi trong khoảng cách giữa gương của LIGO do một sóng hấp dẫn rất nhỏ — khoảng một nghìn lần chiều rộng của một proton — và dự đoán hiệu ứng nhớ sẽ nhỏ 20 lần.

Việc đặt LIGO trên hành tinh ồn ào của chúng ta làm tình hình trở nên tồi tệ hơn. Tiếng ồn động đất tần số thấp mô phỏng những thay đổi dài hạn trong vị trí gương của hiệu ứng nhớ, vì vậy việc phân tách tín hiệu khỏi tiếng ồn là công việc phức tạp.

Tác động hấp dẫn của Trái Đất cũng có xu hướng khôi phục lại vị trí ban đầu của gương LIGO, xóa đi hiệu ứng nhớ của nó. Vì vậy, mặc dù những nếp gấp trong không gian thời gian là vĩnh viễn, những thay đổi trong vị trí gương — điều này giúp chúng ta đo lường những nếp gấp — lại không phải là vĩnh viễn. Người nghiên cứu sẽ cần đo lường sự chuyển động của gương do hiệu ứng nhớ gây ra trước khi trọng lực có thời gian kéo chúng trở lại.

Trong khi việc phát hiện hiệu ứng nhớ do một sóng hấp dẫn đơn lẻ là không khả thi với công nghệ hiện tại, các nhà thiên văn như Lasky và Patricia Schmidt của Đại học Birmingham đã nghĩ ra những cách làm thông minh. “Điều bạn có thể làm là hiệu quả xếp chồng tín hiệu từ nhiều sự hợp nhất,” Lasky nói, “tích lũy bằng chứng một cách rất chặt chẽ thống kê.”

Lasky và Schmidt đã độc lập dự đoán rằng họ sẽ cần hơn 1,000 sự kiện sóng hấp dẫn để tích lũy đủ thống kê để xác nhận họ đã nhìn thấy hiệu ứng nhớ. Với sự cải tiến liên tục của LIGO, cũng như đóng góp từ bộ cảm biến VIRGO tại Ý và KAGRA tại Nhật Bản, Lasky cho rằng việc đạt được 1,000 phát hiện chỉ còn vài năm nữa.

“Đó là một dự đoán đặc biệt,” Schmidt nói. “Thực sự là thú vị để xem nó có thực sự đúng hay không.”

Chuyện gốc được tái in với sự cho phép từ Quanta Magazine, một tờ báo độc lập biên tập về Yayasan Simons có nhiệm vụ tăng cường sự hiểu biết của công chúng về khoa học bằng cách đưa tin về các phát triển nghiên cứu và xu hướng trong toán học và các ngành khoa học tự nhiên và sinh học.

Những Điều Tuyệt Vời Khác Từ Mytour

• 📩 Cập nhật mới nhất về công nghệ, khoa học và nhiều hơn nữa: Nhận bản tin của chúng tôi!
• Người theo dõi cháy rừng trên Twitter theo dõi các vụ cháy ở California
• Làm thế nào khoa học sẽ giải quyết những bí ẩn của biến thể Omicron
• Robot sẽ không nhanh chóng lấp đầy khoảng trống nhân công trong kho hàng
• Những chiếc đồng hồ thông minh yêu thích của chúng tôi làm nhiều hơn chỉ cho biết thời gian
• Từ điển Hacker: Cuộc tấn công điểm uống nước là gì?
• 👁️ Khám phá trí tuệ nhân tạo như chưa bao giờ có với cơ sở dữ liệu mới của chúng tôi
• 🏃🏽‍♀️ Muốn có những công cụ tốt nhất để duy trì sức khỏe? Hãy kiểm tra lựa chọn của đội ngũ Gear của chúng tôi cho các dụng cụ theo dõi sức khỏe tốt nhất, đồ chạy bộ (bao gồm giày và tất chạy bộ), và tai nghe tốt nhất