Đa vũ trụ màng (P2)

Khi Thuyết tương đối tổng quát của Einstein bắt đầu gây được sự chú ý rộng rãi vào những năm 1920, nhiều người suy đoán về "chiều thứ 4" mà Einstein đề xuất là gì.

Hố đen có thể sinh ra cả một vũ trụ mới. Ảnh: NASA/JPL-CalTech

Thực chất, ông không đưa ra một chiều không gian mới, chỉ coi thời gian cũng là một chiều, giống như 3 chiều không gian. 4 chiều này tạo thành một "tấm thảm" không thời gian mà vật chất làm biến dạng để sinh ra lực hấp dẫn. Từ đây, các nhà vật lý bắt đầu nghiên cứu về những chiều không gian mới.

Trong một bài báo năm 1921, nhà vật lý lý thuyết Theodor Kaluza đã chỉ ra rằng, bằng cách thêm một chiều bổ sung cho các phương trình của Thuyết tương đối tổng quát của Einstein, ông có thể thu được một phương trình nữa dự đoán sự tồn tại của ánh sáng. Nhưng chiều không gian này ở đâu, vào khi nào?

Nhà vật lý Thụy Điển Oskar Klein đưa ra một câu trả lời vào năm 1926. Theo ông có thể chiều thứ 5 đã bị cuộn lại trong một khoảng cách rất nhỏ: một phần tỷ nghìn tỷ nghìn tỷ của một cm.

Ý tưởng về chiều không gian bị cuộn lại có vẻ kỳ lạ, nhưng nó cũng giống như một ống nước 3 chiều nhìn xa giống như đường thẳng một chiều do hai chiều kia quá nhỏ.

Các nhà vật lý sau này đã dùng nhiều ý tưởng của Klein và Kaluza khi phát triển thuyết dây. Vào những năm 1980, thuyết dây yêu cầu thêm các chiều không gian mới. Phiên bản hiện đại của thuyết dây – thuyết M, có tới 7 chiều không gian bị ẩn đi. Các chiều này có thể được mở rộng trên các "màng" đa chiều.

Một màng có thể là nơi chứa toàn bộ một vũ trụ. Thuyết M mặc nhiên thừa nhận một đa vũ trụ với các màng của các chiều khác nhau, cùng tồn tại.

Nếu điều này là đúng, sẽ phải có một loại hạt mới, gọi là hạt Kaluza-Klein. Về mặt lý thuyết có thể tạo ra chúng trong các máy gia tốc hạt như máy LHC. Có thể chúng sẽ có các tính chất đặc biệt, do vài mô-men nằm trong các chiều không gian ẩn.

Các màng này còn khá khác biệt và tách rời nhau, do các lực như hấp dẫn không qua lại giữa chúng. Tuy nhiên nếu xảy ra va chạm giữa các màng, có thể sẽ kích hoạt một vụ nổ như Big Bang. Vũ trụ của chúng ta có thể hình thành từ một vụ va chạm như vậy.

Đa vũ trụ lượng tử

Cơ học lượng tử là một trong những ngành khoa học thành công nhất. Nó giải thích được biểu hiện của các hạt siêu nhỏ, như nguyên tử và các hạt cơ bản cấu tạo nên nguyên tử, dự đoán được tất cả các hiện tượng, từ hình dạng của phân tử tới cách mà ánh sáng và vật chất tương tác, với độ chính xác phi thường.

Cơ học lượng tử coi hạt như sóng, mô tả toán học bằng một hàm sóng. Tính chất kỳ lạ của một hàm sóng là cho phép hạt tồn tại ở nhiều trạng thái cùng một lúc, gọi là sự chồng chất.

Mỗi vũ trụ có thể nằm trên một màng riêng biệt. Ảnh: Victor de Schwanberg/Science Photo Library

Khi thực hiện một phép đo lên một đối tượng, ta sẽ phá vỡ trạng thái chồng chất, buộc đối tượng phải chọn một trạng thái duy nhất. Sự chuyển đổi này gọi là "sự suy sụp của hàm sóng".

Tuy nhiên, theo nhà vật lý Mỹ Hugh Everett thì không có sự chuyển đổi nào khi đo đạc hoặc quan sát. Mọi trạng thái của hàm sóng đều có cùng xác suất. Khi đo, ta chỉ thấy một trạng thái, nhưng các trạng thái khác vẫn tồn tại. Đây được gọi là "cách giải thích nhiều thế giới" của cơ học lượng tử.

Nhà vật lý Bryce DeWitt trong những năm 1970 cũng đồng tình với cách giải thích này. Ông lập luận rằng các kết quả khác phải tồn tại trong một thế giới song song.

Ví dụ, đo quỹ đạo của một electron, trong mỗi thế giới nó đi theo một kiểu khác nhau. Nghĩa là với mỗi trường hợp sẽ có một thế giới song song tương ứng.

Theo quan điểm của DeWitt, bất kỳ sự tương tác giữa hai thực thể lượng tử nào, như giữa một photon và một nguyên tử có thể tạo ra các kết quả khác nhau và do đó, các vũ trụ song song.

"Mỗi chuyển đổi lượng tử trên mỗi ngôi sao, mỗi thiên hà, mỗi góc của vũ trụ đều đang chia thế giới của chúng ta thành vô số bản sao", ông viết.

Không phải ai cũng đồng tình với cách giải thích này nhưng cũng có nhiều người chấp nhận ý tưởng có nhiều "bản thân" khác nhau được tạo ra mỗi khi một phép đo lượng tử được thực hiện. Đa vũ trụ lượng tử phải có thực theo một cách nào đó. Đây là yêu cầu của thuyết lượng tử, một lý thuyết đã được kiểm chứng.

Hai loại lý thuyết đa vũ trụ, các "thế giới khác" – như đa vũ trụ lạm phát và "nhiều thế giới" có các điểm khác biệt. Nếu như các "thế giới khác"cho rằng có các bản sao thực sự của một người tồn tại đâu đó trong không thời gian hoặc ở các chiều không gian khác thì "nhiều thế giới" lại là sự chồng chập của nhiều vũ trụ và hai trạng thái, hay hai bản sao của cùng một người là vô hình và không thể tiếp xúc với nhau.

Kiểm chứng các lý thuyết

Con người không thể kiểm chứng các lý thuyết đa vũ trụ thông qua các giác quan, không thể nhìn thấy các thế giới khác trực tiếp. Tuy nhiên vẫn có thể có cách tìm kiếm các bằng chứng hỗ trợ cho các lý thuyết này.

Ví dụ, các bằng chứng rõ ràng về Big Bang có thể củng cố (không chứng minh) cho đa vũ trụ lạm phát. Một số nhà thiên văn học còn cho rằng có thể kiểm tra vũ trụ lạm phát trực tiếp hơn. Một vụ va chạm giữa hai "bong bóng" vũ trụ lạm phát sẽ làm phát sinh bức xạ nền vũ trụ, có thể phát hiện được nếu ở khoảng cách đủ gần.

Tương tự, các thí nghiệm với máy gia tốc hạt LHC có thể tìm ra thêm các chiều không gian và các loại hạt mới, bằng chứng của đa vũ trụ màng. Nhiều người thì cho rằng một ý tưởng khoa học về đa vũ trụ chỉ cần hợp logic là đủ khi xác minh qua thực nghiệm hay quan sát là điều không thể làm được.

Cuối cùng, có thể kiểm chứng qua các dự đoán thống kê. Ví dụ như sử dụng thuyết lạm phát để dự đoán giá trị của các hằng số vật lý có thể có trong hầu hết các vũ trụ và xem chúng có gần với những hằng số ta có không, trên cơ sở không coi con người là đặc biệt trong đa vũ trụ.

"Rất khó để viết được một lý thuyết mô tả chính xác vũ trụ và chỉ vũ trụ mà ta nhìn thấy", nhà vật lý Max Tegmark nói. Hiện nay, các ý tưởng về vũ trụ khác vẫn đang nằm trên ranh giới giữa vật lý và siêu hình học.

Một vũ trụ tách làm đôi khi có một phép đo lượng tử. Ảnh: Carol and Mike Werner/Science Photo Library

Với sự thiếu hụt bằng chứng như hiện nay, xếp hạng về khả năng xảy ra của các lý thuyết về đa vũ trụ như sau:

Đa vũ trụ rời rạc: xác suất xảy ra cao nhất, nếu vũ trụ thực sự là vô hạn và đồng đều.

Đa vũ trụ lạm phát: nếu lý thuyết lạm phát là đúng, đây cách lý giải tốt nhất cho Big Bang.

Đa vũ trụ chọn lọc tự nhiên: ý tưởng tốt nhưng liên quan nhiều đến vật lý lý thuyết, suy đoán, chưa trả lời được nhiều câu hỏi.

Đa vũ trụ màng: nhiều suy đoán và lý thuyết hơn cả chọn lọc tự nhiên. Nó chỉ tồn tại nếu các chiều không gian khác là có thật. Hiện chưa có bằng chứng.

Đa vũ trụ lượng tử: lời giải thích đơn giản nhất cho thuyết lượng tử nhưng cũng rất mơ hồ và dẫn đến cách nhìn không rõ ràng, mạch lạc về tính cá nhân, cá tính của con người.