Định luật vật lý không luôn luôn đối xứng để sự sống tồn tại

Đối xứng là một ý tưởng cuốn hút và có trật tự để giải thích vũ trụ nhiều rắc rối của chúng ta. Tuy nhiên kể từ những năm 1960, một số dạng phá vỡ đối xứng đã đặt vấn đề là giải thích tại sao có vật chất hơn phản vật chất trong vũ trụ – tại sao lại có sự tồn tại của vật chất.

Nhưng để xác định nguyên nhân đằng sau sự tồn tại của vi phạm đối xứng này, ngay cả việc tìm bằng chứng của nó, đã là điều không thể.

Một bài báo mới xuất bản trên tạp chí Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, các nhà thiên văn học ĐH Florida đã phát hiện ra bằng chứng đầu tiên về sự vi phạm đối xứng cần thiết tại thời điểm khởi sinh vũ trụ ¹. Họ đã nghiên cứu hàng triệu tỉ tỉ bộ tứ thiên hà ba chiều khổng lồ trong vũ trụ và khám phá ra là vũ trụ tại một thời điểm đã ưa thích một tập hợp các hình dạng nhất định hơn các hình ảnh gương của nó.

Ý tưởng này, được biết là sự vi phạm đối xứng chẵn lẻ, chỉ ra là một giai đoạn vô cùng nhỏ trong lịch sử vũ trụ của chúng ta khi các định luật vật lý rất khác biệt so với ngày nay, có những hệ quả rất lớn với cách vũ trụ tiến hóa.

Phát hiện này, được hình thành trên cơ sở độ tin cậy rất cao về mặt thống kê, có hai hệ quả chính. Thứ nhất, sự vi phạm chẵn lẻ có thể không chỉ ảnh hưởng sâu sắc lên các thiên hà tương lai trong suốt một thời kỳ lạm phát cực đoan trong những khoảnh khác sớm nhất của vũ trụ, xác nhận một hợp phần trung tâm của thuyết Big Bang về nguồn gốc vũ trụ.

Vi phạm chẵn lẻ có thể cũng giúp trả lời câu hỏi mà có lẽ là câu hỏi quan trọng bậc nhất trong vũ trụ học: tại sao lại tồn tại những thứ thay vì không có gì? Bởi vì vi phạm chẵn lẻ được cho là có thể giải thích tại sao lại có nhiều vật chất hơn phản vật chất, một điều kiện thiết yếu để các thiên hà, ngôi sao, hành tinh và sự sống được hình thành theo cách của mình.

“Tôi đã từng rất quan tâm đến những câu hỏi lớn về vũ trụ này. Khởi điểm của vũ trụ là gì? Những quy tắc gì đặt nền móng cho sự tiến hóa trong đó? Tại sao có một số thứ này mà không phải hư không?”, Zachary Slepian, một giáo sư thiên văn học UF và là người dẫn hướng cho nghiên cứu mới, nói. “Công trình này giúp giải quyết những câu hỏi lớn đó”.

Slepian làm việc với các postdoc của UF và tác giả thứ nhất của nghiên cứu, Jiamin Hou, và nhà vật lý Robert Cahn của Phòng thí nghiệm quốc gia Mỹ Lawrence Berkeley để thực hiện phân tích. Họ xuất bản phát hiện của mình trên tạp chí Monthly Notices of the Royal Astronomical Society ². Họ cũng từng có đề xuất ý tưởng đầu tiên về việc kiếm tìm vi phạm chẵn lẻ bằng việc sử dụng bộ tứ thiên hà trong một bài báo mới xuất bản trên Physical Review Letters ³.

Đối xứng chẵn lẻ là ý tưởng cho rằng các định luật vật lý không thể ưa thích một hình dạng nào hơn hình ảnh gương của nó. Các nhà khoa học thông thường sử dụng từ “thuận tay” để miêu tả xu hướng đó, bởi vì tay phải và trái của chúng ta là những hình ảnh phản chiếu mà chúng ta đều quen thuộc. Không có cách nào để quay tay trái của mình trong ba chiều để làm cho nó giống như tay phải, điều đó có nghĩa là luôn luôn phân biệt được tay phải với tay trái.

Vi phạm chẵn lẻ cũng có nghĩa là vũ trụ này vốn có sự ưa thích một trong hai hình dạng tay phải hay tay trái. Để khám phá ra sự thuận tay của vũ trụ này, phòng thí nghiệm của Slepian đã hình dung ra tất cả những kết hợp có thể của bốn thiên hà được kết nối bằng những hàng tưởng tượng trong không gian. Điều này đã tạo ra một vật thể 3D gọi là một tứ diện (tetrahedron), giống như một kim tự tháp lệch – hình dạng đơn giản nhất có một hình ảnh gương. Họ xác định các tứ diện thiên hà thuận tay phải và thuận tay trái dựa trên cách các thiên hà được kết nối với những thiên hà gần mình nhất và xa nhất trong các hình dạng tưởng tượng.

Phương pháp này đòi hỏi phân tích hàng tỉ tỉ tứ diện tưởng tượng. “Cuối cùng chúng tôi nhận ra là mình cần một thứ toán học mới”, Slepian nói.

Vì vậy nhóm của Slepian phát triển một số công thức toán học phức tạp cho phép tính toán khả năng kết hợp này trong một thời kỳ. Việc này đòi hỏi một tài nguyên tính toán rất lớn. “Công nghệ độc nhất vô nhị của UF là chúng tôi có siêu máy tính HiPerGator cho phép chúng tôi chạy phân tích này hàng trăm lần với những thiết kế khác nhau để kiểm tra kết quả”, ông nói.

Các khía cạnh kỹ thuật của phân tích khiến cho khó có thể nói là liệu vũ trụ này thích các hình dạng “trái – phải” hay “phải trái” nhưng các nhà khoa học có thể thấy bằng chứng rõ ràng là vũ trụ này có một sự thiên vị. Họ đã tìm ra phát hiện của mình với một sự chắc chắn 7 sigma, một đo đạc để chứng minh kết quả này không chỉ dựa trên sự tình cờ. Trong vật lý, một kết quả với giá trị năm sigma hoặc cao hơn được coi là có tính tin cậy cao bởi một kết quả ngẫu nhiên là một cơ hội vô cùng nhỏ. Một phân tích tương tự, do một nhà khoa học trước là thành viên trong phòng thí nghiệm của Slepian, đã nhận diện được sự thiên vị hình dạng tương tự của vũ trụ, cho dù có ít độ tin cậy thống kê hơn do những khác biệt trong thiết kế nghiên cứu.

Dẫu các nhà khoa học tự tin với tín hiệu về sự vi phạm chẵn lẻ đó, vẫn còn bất định trong những đo lường có thể giải thích sự bất đối xứng. Tuy nhiên những ví dụ lớn hơn về các thiên hà do các kính thiên văn thế hệ mới thu thập được có thể cung cấp đủ dữ liệu để lấp đi những bất định đó trong một vài năm rới. Nhóm của Slepian tại UF sẽ thực hiện phân tích của mình dựa trên dữ liệu của Kính thiên văn quang phổ Vật chất tối.

Đây không phải là lần đầu tiên các nhà khoa học phát hiện ra sự vi phạm chẵn lẻ nhưng là bằng chứng đầu tiên của vi phạm chẵn lẻ có thể ảnh hưởng đến cụm các thiên hà ba chiều trong vũ trụ của chúng ta. Một trong những lực cơ bản, lực tương tác yếu, đã vi phạm chẵn lẻ. nhưng phạm vi của nó bị giới hạn và không thể ảnh hưởng ở quy mô các thiên hà. Sự ảnh hưởng thiên hà đòi hỏi một vi phạm chẵn lẻ xuất hiện đúng thời điểm của Big Bang, thời kỳ xuất hiện lạm phát.

“Kể từ đó vi phạm chẵn lẻ có thể không chỉ ảnh hưởng sâu sắc lên vũ trụ trong thời kỳ lạm phát, nếu những gì chúng tôi tìm ra là thật, nó còn đem lại bằng chứng thuyết phục cho lạm phát vũ trụ”, Slepian nói.

Hoặc có thể là sự vi phạm chẵn lẻ của lực tương tác yếu giải thích sự tồn tại của vật chất. Trong một vũ trụ đối xứng, Big Bang đã tạo ra một lượng vật chất cân bằng với phản vật chất, vốn có thể triệt tiêu nhau và dẫn đến vũ trụ trống rỗng sao và hành tinh. Do vũ trụ của chúng ta có phần lớn vật chất, các nhà vật lý đã đi tìm một số dấu hiệu của một phi đối xứng trong giai đoạn vũ trụ sớm.

Những phát hiện của phòng thí nghiệm của Slepian không thể giải thích được vì sao vũ trụ lại chỉ có vật chất. Việc giải thích “như thế nào” rõ ràng sẽ cần thứ vật lý nằm ngoài Mô hình chuẩn để có thể giải thích về vũ trụ hiện nay của chúng ta. Nhưng những kết quả mới đã đề xuất là thực sự có một sự bất đối xứng trong những khoảnh khắc sớm nhất của Big Bang.

Giờ đây, cuộc chạy đua bắt đầu với các nhà khoa học này để tạo ra một lý thuyết có thể giải thích sự thiên vị hình ảnh gương của vũ trụ và sự lấn át của vật chất.

Bội Linh  tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2023-05-laws-physics-symmetric.html
https://www.courthousenews.com/scientists-find-beer-byproduct-used-in-famous-danish-art/

—————————————————–

1. https://academic.oup.com/mnras/article-abstract/522/4/5701/7169316?redirectedFrom=fulltext&login=false

3. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.201002