Buzz
Các ngôi sao và hành tinh thường có hình dạng cầu, nhưng vũ trụ thì sao?
Các nhà vật lý lý thuyết cho rằng vũ trụ có thể có dạng như này.
Bánh donut không chỉ nổi tiếng với hương vị thơm ngon, mà còn có hình dáng đặc biệt, được gọi trong toán học là tính tôpô của bánh vòng. Giả sử vũ trụ chúng ta biết cũng có hình dạng phức tạp như bánh donut, thì một phi hành gia có thể bắt đầu từ một điểm, đi xa và lâu để trở về điểm xuất phát ban đầu.
Về cơ bản, không ai có thể khẳng định rằng vũ trụ KHÔNG mang những hình dạng có tính tôpô phức tạp (hình học và tôpô học là hai phạm trù riêng biệt). Đây là kết luận trong báo cáo khoa học được đăng trên Physical Review Letters vào tháng 4 vừa qua.
Tôpô học là một nhánh của toán học nghiên cứu các đặc tính của các không gian không thay đổi khi chúng bị biến dạng liên tục, ví dụ như kéo dãn hay uốn cong, mà không cắt hoặc dán lại.
Tôpô học có rất nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học khác nhau, bao gồm vật lý, hóa học, sinh học và cả khoa học máy tính. Nó cung cấp một ngôn ngữ và công cụ để nghiên cứu các hệ thống phức tạp và cấu trúc hình học trừu tượng.
Một chiếc cốc có thể biến dạng thành hình bánh donut (hình torus); đây là một đặc điểm của tôpô học.
Trên một cấu trúc hình học thông thường như hình cầu, bất kỳ hai điểm nào trên bề mặt cũng có thể co lại thành một điểm duy nhất. Ví dụ, bạn có thể đi xung quanh xích đạo và quay lại điểm xuất phát, và quãng đường này có thể thu gọn thành một điểm duy nhất khi bạn đưa điểm xuất phát và điểm đích về Cực Bắc.
Tuy nhiên, một chiếc bánh vòng không phải là cấu trúc hình học thông thường, mà nó mang tính chất tôpô phức tạp. Một vòng lặp trên bề mặt chiếc bánh vòng không thể thu gọn về một điểm duy nhất, vì lỗ ở giữa giới hạn khả năng thu gọn của nó.
Trong cộng đồng khoa học, có niềm tin rằng vũ trụ có một cấu trúc hình học không quá đặc biệt. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu đã xuất bản báo cáo cho thấy chưa có ai chắc chắn về điều đó.
“Tôi thấy rất thú vị về khả năng vũ trụ có thể có một tính tôpô lạ và khác thường, và thú vị nhất là chúng ta có thể đo lường được nó”, nhà vật lý vũ trụ Dragan Huterer từ Đại học Michigan, người không tham gia vào nghiên cứu mới, nói.
Một vũ trụ có tính tôpô khác lạ có thể được so sánh với … thế giới game Pac-Man cổ điển, nơi nhân vật chính có thể đi từ cạnh màn hình phải sang cạnh màn hình trái. Vì thế, thế giới Pac-Man cũng không thể bị thu gọn về một điểm.
Pac-Man di chuyển giữa hai cạnh màn hình.
Các nhà khoa học đang tìm kiếm dấu hiệu cho thấy vũ trụ có tính tôpô phức tạp thông qua việc nghiên cứu về nền vi sóng vũ trụ (cosmic microwave background - CMB), đó là ánh sáng vi sóng lan tỏa khắp vũ trụ và là những phần còn sót lại từ khi vũ trụ mới chỉ khoảng 380.000 tuổi. Nếu vũ trụ thực sự có tính tôpô phức tạp, khả năng không gian có thể lặp lại như một vòng sẽ để lại những dấu vết rõ ràng ở nhiều vị trí khác nhau.
Trong quá trình nghiên cứu, các nhà khoa học đã tìm kiếm các vòng tròn giống nhau ở hai vị trí khác nhau trong vũ trụ và cũng tìm kiếm các điểm không gian có sự tương đồng nhất định.
Cho đến nay, những nỗ lực này vẫn chưa có kết quả. Tuy nhiên, theo nhận định của nhà vật lý lý thuyết Glenn Starkman và đồng nghiệm, vẫn có khả năng vũ trụ có hình dạng giống như một chiếc bánh donut, vì các nghiên cứu trước đây chỉ tập trung vào một số hình dạng khả thi nhất định của vũ trụ.
Trong số những hình dạng đã được xem xét, cần kể đến một loại hình tôpô gọi là 3-torus, hay torus 3 chiều. Năm 1984, 3-torus đã được hai nhà vật lý Alexei Starobinsky và Yakov Zeldovich đề xuất là một trong những hình dạng khả thi của vũ trụ. Trong cấu trúc này, khi rời khỏi một mặt, bạn sẽ đi đến mặt đối diện của nó. Tuy nhiên, những nỗ lực tìm kiếm dấu hiệu cho thấy vũ trụ là một hình 3-torus đơn giản vẫn chưa thành công.
Góc nhìn từ bên trong một 3-torus. Tất cả các khối lập phương trong hình này đều là một khối lập phương, bởi vì ánh sáng trong không gian này quay vòng và tạo thành các chu trình đóng.
Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu vẫn chưa tính tới những biến thể của 3-torus, như một loại 3-torus mà trong đó một mặt bị uốn cong tương ứng với mặt khác. Trong cấu trúc này, nếu rời khỏi mặt trên, bạn sẽ di chuyển thẳng đến mặt dưới và bị xoay với một góc nhất định.
Trong nghiên cứu mới đây, các nhà khoa học đã đề xuất tổng cộng 17 hình dạng khả thi của vũ trụ. Hầu hết các hình dạng tôpô kỳ lạ này chưa bị loại trừ trong các báo cáo khoa học trước đó. Nghiên cứu cung cấp những dấu hiệu nhận biết nếu vũ trụ có một trong 17 hình dạng được đề xuất này. Các phân tích trong tương lai có thể giúp khoa học xác định dấu hiệu của các cấu trúc tôpô kỳ lạ, từ đó xác định hình dạng của vũ trụ.
Nghiên cứu về hình dạng của vũ trụ đang đặt ra thách thức lớn với sức mạnh tính toán, có thể cần đến công nghệ học máy để tăng tốc quá trình tính toán. Theo nhà vật lý lý thuyết Starkman, người điều hành báo cáo khoa học mới, chúng ta có lý do để nghiên cứu về hình dạng tôpô đặc biệt của vũ trụ.
Trước đó, các nghiên cứu về nền vi sóng vũ trụ cho thấy rằng vũ trụ không đồng đều về mọi hướng. Một vũ trụ có hình dạng tôpô đặc biệt như 3-torus đã được đề cập có thể giải thích được hiện tượng này. Theo ông Starkman, việc vũ trụ không đối xứng là “một trong những bí ẩn mới nhất về vũ trụ mà chúng ta vẫn chưa thể giải quyết”.
Theo Science News
