Vũ trụ học Đang Gần với Những Quy Luật Hợp Lý cho Sự Nổ Lớn

Trong hơn 20 năm, các nhà vật lý đã có lý do để cảm thấy ghen tị với một số con cá hư cấu: cụ thể là những con cá sống trong không gian tuyệt vời của bức tranh gỗ Circle Limit III của M. C. Escher, những con cá này co lại thành điểm khi chúng tiến gần ranh giới tròn của thế giới đại dương của chúng. Chỉ cần vũ trụ của chúng ta có cùng hình dạng biến tấu, các nhà lý thuyết than phiền, họ có thể hiểu nó nhiều dễ dàng hơn.

Những con cá của Escher được hưởng lợi vì thế giới của họ đi kèm với một tờ ghi chú cheat sheet - mép của nó. Ở biên giới của một đại dương giống như của Escher, bất cứ điều gì phức tạp xảy ra bên trong biển đều tạo ra một loại bóng, có thể được mô tả bằng cách tương đối đơn giản. Đặc biệt, các lý thuyết về bản chất lượng tử của trọng lực có thể được tái sáng tạo trên mép một cách dễ hiểu. Kỹ thuật này mang lại cho các nhà nghiên cứu một con đường sau cửa để nghiên cứu những câu hỏi khó khăn nếu không có nó. Các nhà vật lý đã dành nhiều thập kỷ khám phá liên kết hấp dẫn này.

Không thuận lợi, vũ trụ thực tế trông giống như thế giới của Escher bị đảo ngược. Không gian "de Sitter" này có độ cong dương; nó mở rộng liên tục ở mọi nơi. Với không có ranh giới rõ ràng nào để nghiên cứu các lý thuyết bóng bẩy, các nhà vật lý lý thuyết đã không thể chuyển giao những đột phá từ thế giới của Escher.

"Càng gần chúng ta đến thế giới thực, chúng ta càng ít công cụ và chúng ta càng ít hiểu về luật chơi," nói Daniel Baumann, một vũ trụ học tại Đại học Amsterdam.

Nhưng một số tiến bộ của Escher có thể cuối cùng đã bắt đầu xâm nhập. Những khoảnh khắc đầu tiên của vũ trụ luôn là một kỷ nguyên bí ẩn khi bản chất lượng tử của trọng lực sẽ được hiển thị đầy đủ. Bây giờ, nhiều nhóm đang hội tụ vào một cách mới lạ để gián tiếp đánh giá các mô tả về cơn chói lựa tạo đó. Chìa khóa là một quan điểm mới về một nguyên tắc quý báu của hiện thực được biết đến là tính đơn vị, kỳ vọng rằng tất cả các xác suất phải cộng lại thành 100 phần trăm. Bằng cách xác định những dấu vết mà một sự ra đời đơn vị của vũ trụ nên để lại, các nhà nghiên cứu đang phát triển các công cụ mạnh mẽ để kiểm tra xem những lý thuyết nào vượt qua được rào cản thấp nhất này trong không gian thay đổi và mở rộng của chúng ta.

Tính đơn vị trong không gian de Sitter "không được hiểu gì cả," nói Massimo Taronna, một nhà lý thuyết vật lý tại Viện Vật lý Hạt nhân Quốc gia ở Ý. "Có một bước nhảy lớn đã xảy ra trong vài năm qua."

Cảnh báo Spoiler

Đại dương không thể đo lường mà các nhà lý thuyết nhắm đến là một khoảng thời gian và không gian ngắn ngủi nhưng gây ấn tượng, mà nhiều vũ trụ học tin rằng đã đặt nền cho tất cả những gì chúng ta thấy hôm nay. Trong thời kỳ giả định này, được biết đến là sự bùng nổ, vũ trụ mới sinh sẽ phồng to với một tốc độ thực sự không thể hiểu nổi, được thổi phồng bởi một thực thể không xác định tương tự như năng lượng tối.

Các vật lý vũ trụ đang mong muốn biết chính xác làm thế nào sự bùng nổ có thể đã xảy ra và những lĩnh vực kỳ quặc nào có thể đã thúc đẩy nó, nhưng kỷ nguyên này của lịch sử vũ trụ vẫn bị giấu kín. Những nhà thiên văn học chỉ có thể nhìn thấy đầu ra của sự bùng nổ - sắp xếp của chất liệu hàng trăm nghìn năm sau Sự nổ lớn, như được tiết lộ bởi ánh sáng sớm nhất của vũ trụ. Thách thức của họ là có vô số các lý thuyết về sự bùng nổ phù hợp với trạng thái quan sát cuối cùng. Các nhà vũ trụ học giống như người hâm mộ điện ảnh đang cố gắng hạn chế các kịch bản có thể có của Thelma và Louise từ khung hình cuối cùng: chiếc Thunderbird đang đóng băng giữa không trung.

Tuy nhiên, công việc có thể không khả thi. Giống như dòng chảy trong đại dương giống như Escher có thể được giải mã từ bóng tối trên biên của nó, có lẽ các nhà lý thuyết có thể đọc câu chuyện về sự bùng nổ từ cảnh cuối cùng của nó trong vũ trụ. Trong những năm gần đây, Baumann và các nhà vật lý khác đã cố gắng làm điều đó với một chiến lược được gọi là khởi động lại.

Những người khởi động vũ trụ cố gắng rút gọn lĩnh vực đầy đủ của các lý thuyết về sự bùng nổ chỉ với logic hơn thua. Ý tưởng chung là loại bỏ những lý thuyết đối mặt với lý trí phổ quát - được dịch thành các yêu cầu toán học chặt chẽ. Đẫy họ "nâng bản thân lên bằng dây đeo giày" bằng cách sử dụng toán học để đánh giá các lý thuyết mà không thể phân biệt bằng các quan sát thiên văn hiện tại.

Một trong những thuộc tính lý trí như vậy là tính chất unitarity, một cái tên cao cả cho sự thực tế rõ ràng rằng tổng của xác suất của tất cả các sự kiện có thể xảy ra phải là 1. Đơn giản, tung đồng xu phải tạo ra mặt hoặc mặt sau. Những người khởi động vũ trụ có thể nhìn nhận xem một lý thuyết trong không gian “anti-de Sitter” giống như Escher có tính chất unitary bằng cách nhìn vào bóng tối của nó trên biên giới, nhưng lý thuyết về sự bùng nổ đã lâu kháng cự đối với sự xử lý đơn giản như vậy, vì vũ trụ mở rộng không có biên giới rõ ràng.

Các nhà vật lý có thể kiểm tra một lý thuyết về tính unitarity bằng cách tính toán công bằng các dự đoán của nó từ thời điểm này sang thời điểm khác và xác minh rằng xác suất luôn luôn cộng lại thành 1, tương đương với việc xem một bộ phim hoàn chỉnh với ánh mắt tìm kiếm lỗ hổng cốt truyện. Những gì họ thực sự muốn là một cách để nhìn lướt qua cuối của một lý thuyết về sự bùng nổ - khung cuối cùng của bộ phim - và ngay lập tức biết xem tính unitarity có bị vi phạm trong bất kỳ cảnh trước đó nào không.

Nhưng khái niệm về tính unitarity chặt chẽ liên quan chặt chẽ đến sự trôi qua của thời gian, và họ đã gặp khó khăn để hiểu rõ dấu vết của tính unitarity sẽ như thế nào trong khung cuối cùng này, đó là một bức ảnh tĩnh, không có thời gian. "Trong nhiều năm, sự nhầm lẫn là, 'Làm thế nào tôi có thể có thông tin về sự tiến hóa thời gian ... trong một đối tượng mà thời gian không tồn tại chút nào?'" nói Enrico Pajer, một nhà vũ trụ học lý thuyết tại Đại học Cambridge.

Năm ngoái, Pajer giúp chấm dứt sự nhầm lẫn. Anh ấy và đồng nghiệp tìm ra cách xác định xem một lý thuyết cụ thể về sự bùng nổ có tính unitary hay không chỉ bằng cách nhìn vào vũ trụ mà nó tạo ra.

Trong thế giới Escher, việc kiểm tra các lý thuyết bóng tối về tính unitary có thể được thực hiện trên một tờ giấy nhắc. Những lý thuyết biên giới này, ở thực tế, là các lý thuyết lượng tử của loại mà chúng ta có thể sử dụng để hiểu các va chạm hạt. Để kiểm tra tính unitary, các nhà vật lý mô tả hai hạt trước khi va chạm với một đối tượng toán học được gọi là ma trận, và sau khi va chạm với một ma trận khác. Đối với một va chạm có tính unitary, tích của hai ma trận là 1.

Những ma trận này được các nhà vật lý lấy ở đâu? Họ bắt đầu với ma trận trước khi va chạm. Khi không gian giữ yên, một bộ phim của một va chạm hạt trông giống nhau khi chạy xuôi hoặc ngược, vì vậy các nghiên cứu viên có thể áp dụng một phép toán đơn giản vào ma trận ban đầu để tìm ra ma trận cuối cùng. Nhân những cái đó lại với nhau, kiểm tra kết quả, và họ đã xong.

Nhưng việc không gian mở rộng làm hỏng tất cả mọi thứ. Những nhà vật lý có thể tính toán ma trận sau sự bùng nổ. Tuy nhiên, khác với va chạm hạt, một vũ trụ đang mở rộng trông khá khác nhau khi quay ngược lại, cho đến gần đây, chưa rõ làm thế nào để xác định ma trận trước sự bùng nổ.

“Đối với vũ trụ học, chúng ta sẽ phải hoán đổi cuối sự bùng nổ với đầu sự bùng nổ,” Pajer nói, “điều đó là điên rồ.”

Năm ngoái, Pajer, cùng đồng nghiệp Harry Goodhew và Sadra Jazayeri, tìm ra cách tính toán ma trận ban đầu. Nhóm Cambridge viết lại ma trận cuối để thích ứng với số phức cũng như số thực. Họ cũng định nghĩa một biến đổi liên quan đến việc đổi tích cực năng lượng thành âm năng lượng—tương tự như những gì nhà vật lý có thể làm trong ngữ cảnh va chạm hạt.

Nhưng họ có tìm ra biến đổi đúng không?

Sau đó, Pajer bắt đầu xác minh rằng hai ma trận này thực sự bắt kịp tính unitary. Sử dụng một lý thuyết về sự bùng nổ tổng quát hơn, Pajer và Scott Melville, cũng thuộc Cambridge, chơi sự ra đời của vũ trụ qua từng khung hình, tìm kiếm vi phạm unitary bất hợp pháp theo cách truyền thống. Cuối cùng, họ chứng minh rằng quá trình công phu này đưa ra kết quả giống như phương pháp ma trận.

Phương pháp mới cho phép họ bỏ qua việc tính toán từng khoảnh khắc. Đối với một lý thuyết chung liên quan đến các hạt có bất kỳ khối lượng và spin nào tương tác thông qua bất kỳ lực nào, họ có thể kiểm tra tính unitary bằng cách kiểm tra kết quả cuối cùng. Họ đã khám phá ra cách để tiết lộ cốt truyện mà không cần xem phim.

Kiểm tra ma trận mới, được biết đến là định lý quang học vũ trụ, sớm chứng minh sức mạnh của nó. Pajer và Melville phát hiện rằng nhiều lý thuyết có thể vi phạm tính unitary. Trong thực tế, các nhà nghiên cứu chỉ còn ít quá nhiều khả năng hợp lệ mà họ tự hỏi liệu họ có thể đưa ra một số dự đoán. Ngay cả khi không có một lý thuyết cụ thể về sự bùng nổ trong tay, liệu họ có thể nói cho nhà thiên văn biết tìm kiếm cái gì?

Thử Nghiệm Tam Giác Vũ Trụ

Một dấu vết tiêu biểu của sự bùng nổ là cách các thiên hà phân bố trên bầu trời. Mẫu mẫu đơn giản nhất là hàm tương quan hai điểm, nói một cách đơn giản, cho biết khả năng tìm thấy hai thiên hà cách nhau ở các khoảng cách cụ thể. Nói cách khác, nó cho bạn biết vị trí của vật chất trong vũ trụ.

Vật chất của vũ trụ chúng ta được phân bố theo một cách đặc biệt, như quan sát đã phát hiện, với những điểm dày đặc chứa đầy các thiên hà có nhiều kích thước khác nhau. Lý thuyết về sự bùng nổ đã phát sinh một phần để giải thích hiện tượng kỳ cục này.

Vũ trụ ban đầu khá mịn màng, theo quan điểm, nhưng những đuôi lợn lựa chọn của lượng tử đã in vào không gian những viên đạn nhỏ của vật chất bổ sung. Khi không gian mở rộng, những điểm dày đặc này căng ra ngay cả khi những làn sóng nhỏ tiếp tục nảy nở. Khi sự bùng nổ dừng lại, vũ trụ trẻ có những điểm dày đặc từ nhỏ đến lớn, chúng sẽ trở thành các thiên hà và cụm thiên hà.

Tất cả các lý thuyết về sự bùng nổ đều đánh bại hàm tương quan hai điểm này. Để phân biệt giữa các lý thuyết cạnh tranh, các nhà nghiên cứu cần đo lường các mối tương quan cao cấp, tinh tế hơn - mối quan hệ giữa các góc tạo ra bởi một bộ tam thiên hà, ví dụ.

Thường, các nhà thiên văn đề xuất một lý thuyết về sự bùng nổ liên quan đến một số hạt phóng túng, và sau đó chơi nó để tính toán các hàm tương quan tam điểm mà nó sẽ để lại trên bầu trời, mang lại cho nhà thiên văn một mục tiêu để tìm kiếm. Như vậy, các nhà nghiên cứu đối mặt với từng lý thuyết một cách từ từ. “Có rất nhiều, rất nhiều, rất nhiều điều bạn có thể tìm kiếm. Thậm chí là vô hạn,” nói Daan Meerburg, một nhà thiên văn học tại Đại học Groningen.

Pajer đã đảo ngược quá trình đó. Cho rằng sự bùng nổ để lại làm sóng trong không gian dưới dạng sóng trọng lực. Pajer và đồng nghiệp của ông bắt đầu với tất cả các hàm tam điểm có thể mô tả những sóng trọng lực này và kiểm tra chúng bằng bài kiểm tra ma trận, loại bỏ bất kỳ hàm nào không đạt được tính đồng nhất.

Trong trường hợp của một loại sóng trọng lực cụ thể, nhóm này phát hiện ra rằng hàm tam điểm đồng nhất hiếm và xa xôi. Thực tế, chỉ có ba bước qua bài kiểm tra này, các nhà nghiên cứu thông báo trong một bản in trước đăng vào tháng 9. Kết quả “rất đáng chú ý,” nói Meerburg, người không liên quan. Nếu các nhà thiên văn bao giờ phát hiện sóng trọng lực nguyên thủy - và các nỗ lực đang diễn ra - đây sẽ là những dấu hiệu đầu tiên của sự bùng nổ cần tìm kiếm.

Dấu Hiệu Tích Cực

Định lý quang học thiên văn đảm bảo rằng xác suất của tất cả các sự kiện có thể xảy ra đều cộng lại bằng 1, giống như một đồng xu chắc chắn sẽ có hai mặt. Nhưng còn một cách nghĩ về tính đồng nhất: Xác suất của mỗi sự kiện phải là dương. Không có đồng xu nào có thể có khả năng rơi vào mặt sau là âm.

Victor Gorbenko, một nhà vật lý lý thuyết tại Đại học Stanford, Lorenzo Di Pietro của Đại học Trieste ở Ý và Shota Komatsu của CERN ở Thụy Sĩ gần đây đã tiếp cận tính đồng nhất trong không gian de Sitter từ góc độ này. Họ tự hỏi, trời sẽ trông như thế nào, trong các vũ trụ kỳ cục phá vỡ quy luật tích cực này?

Lấy cảm hứng từ thế giới của Escher, họ thích thú với việc rằng không gian anti-de Sitter và không gian de Sitter có một đặc điểm cơ bản chung: Nhìn đúng cách, mỗi cái có thể trông giống nhau ở tất cả các tỷ lệ. Phóng to gần ranh giới của bức tranh gỗ Circle Limit III của Escher, và những con cá nhỏ có tỷ lệ giống nhau với những con lớn ở giữa. Tương tự, những sóng nhỏ hữu hạn trong vũ trụ đang bùng nổ tạo ra những điểm mật độ lớn và nhỏ. Tính chung này, “đối xứng định hình,” gần đây đã cho phép Taronna, người đã làm việc với Charlotte Sleight, một nhà lý thuyết vật lý tại Đại học Durham ở Anh, chuyển một kỹ thuật toán học phổ biến để phân tách các lý thuyết biên giữa hai thế giới.

Nhóm của Gorbenko phát triển công cụ thêm nữa, cho phép họ lấy phần cuối cùng của sự bùng nổ trong bất kỳ vũ trụ nào - hỗn hợp của những sóng nhỏ mật độ - và phân thành tổng của các mẫu sóng. Đối với vũ trụ đồng nhất, họ phát hiện, mỗi sóng sẽ có một hệ số dương. Bất kỳ lý thuyết nào dự đoán sóng âm sẽ không tốt. Họ mô tả bài kiểm tra của mình trong một bản in trước đăng vào tháng 8. Đồng thời, một nhóm độc lập do João Penedones của Viện Công nghệ Lausanne thuộc Viện Công nghệ Thụy Sĩ đã đạt được kết quả tương tự.

Bài kiểm tra tích cực chính xác hơn so với định lý quang học thiên văn, nhưng chưa sẵn sàng cho dữ liệu thực tế. Cả hai nhóm tích cực đều thực hiện những đơn giản hóa, bao gồm việc loại bỏ trọng lực và giả sử cấu trúc de Sitter hoàn hảo, cần phải được sửa đổi để phù hợp với vũ trụ lộn xộn và gravitating của chúng ta. Nhưng Gorbenko gọi những bước này là “cụ thể và có thể thực hiện được.”

Nguyên Nhân để Hy vọng

Bây giờ khi những người thực hiện 'bootstrapping' đang tiếp cận khái niệm về cái gì là tính đồng nhất đối với kết quả của một sự mở rộng de Sitter, họ có thể chuyển sang các quy tắc 'bootstrapping' cổ điển khác, chẳng hạn như mong đợi rằng nguyên nhân nên đến trước hiệu ứng. Hiện tại chưa rõ làm thế nào để nhìn thấy dấu vết của sự nhân quả trong một bức tranh không thời gian, nhưng điều đó cũng từng đúng với tính đồng nhất.

“Đó là điều hứng thú nhất mà chúng ta vẫn chưa hiểu rõ,” Taronna nói. “Chúng ta không biết cái gì không nhân quả trong de Sitter.”

Khi những người thực hiện 'bootstrapping' nắm vững về không gian de Sitter, họ hy vọng tập trung vào một số chức năng tương quan mà kính thiên văn thế hệ tiếp theo có thể thực sự phát hiện được - và một số ít lý thuyết về sự bùng nổ, hoặc thậm chí là về trọng lực, có thể đã tạo ra chúng. Nếu họ có thể làm được điều đó, vũ trụ sưng lên của chúng ta có lẽ một ngày nào đó sẽ trông như thế giới trong tranh cá của Escher.

“Sau nhiều năm làm việc trong de Sitter,” Taronna nói, “chúng ta cuối cùng đã bắt đầu hiểu được những quy tắc của một lý thuyết toán học nhất quán về trọng lực lượng tử là gì.”

Câu chuyện gốc được tái bản với sự cho phép từ Quanta Magazine, một tờ báo độc lập về biên tập của Simons Foundation, có sứ mệnh tăng cường sự hiểu biết của công chúng về khoa học bằng cách đưa ra những phát triển nghiên cứu và xu hướng trong toán học và các ngành khoa học tự nhiên và sinh học.

Những Câu Chuyện Tuyệt Vời Khác Của Mytour

• 📩 Thông tin 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 những đám cháy ở California
• Một chiều mới trong vụ hack máy kem của McDonald’s
• Wish List 2021: Quà tặng cho tất cả những người tốt nhất trong cuộc sống của bạn
• Cách hiệu quả nhất để sửa lỗi mô phỏng
• Meta vũ trụ là gì, một cách chính xác?
• 👁️ Khám phá trí tuệ nhân tạo như chưa bao giờ có trước đây với cơ sở dữ liệu mới của chúng tôi
• ✨ Tối ưu hóa cuộc sống gia đình của bạn với những lựa chọn tốt nhất của đội ngũ Gear chúng tôi, từ robot hút bụi đến nệm giá rẻ đến loa thông minh