Một nan đề của vũ trụ học

Cơ học lượng tử, lý thuyết chi phối thế giới vi mô, không cho phép sự tồn tại của hư vô. Năng lượng không bao giờ bằng một con số không tròn trĩnh, ở bất cứ thời điểm nào trong không thời gian – luôn có không gian cho dao động nhất định. Từ không gian đó, các hạt “ảo” có thể nảy sinh – cụ thể là một cặp hạt và phản hạt của nó, chúng hủy nhau và biến mất cũng nhanh như xuất hiện. Dù điều này thật kỳ lạ, các thí nghiệm đã quan sát những ảnh hưởng của các hạt ảo lên thế giới thực. Khi các máy gia tốc hạt bắt đầu đo khối lượng của hạt boson Z, kết quả hơi khác với khối lượng thuần túy của nó, vì đôi khi nó biến thành một quark đỉnh ảo – một trong nhiều quan sát chứng minh rằng các hạt ảo có tồn tại.

Kết quả của việc tất cả các hạt này sinh ra và biến mất là một “năng lượng chân không” liên tục lấp đầy không gian và làm giãn nở chính bản thân không gian. Hoạt động này là lời giải thích khả dĩ nhất cho năng lượng tối – nguyên nhân vũ trụ, thay vì tĩnh tại hay giãn nở với tốc độ ổn định, thì lại giãn nở mỗi lúc một nhanh.

Vấn đề là không có đủ năng lượng chân không. Khi các nhà khoa học bắt đầu nghĩ về ý tưởng này, họ tính toán rằng lượng năng lượng này phải lớn khổng lồ – nó đã khiến vũ trụ giãn nở mạnh mẽ và nhanh chóng đến mức mà không ngôi sao hay thiên hà nào có cơ hội thành hình. Và vì chuyện không xảy ra như vậy, nên năng lượng chân không trong vũ trụ phải rất nhỏ – nhỏ hơn mức lý thuyết lượng tử dự đoán 120 lần. Điều đó cũng giống như nói rằng một vật nặng 2,4kg bỗng chỉ thực sự nặng 0,02kg vậy. Sự thiếu nhất quán này đã khiến một số nhà khoa học gọi năng lượng chân không là “phỏng đoán lý thuyết tồi tệ nhất trong lịch sử vật lý”.

Năng lượng chân không được coi là thành phần chính trong “hằng số vũ trụ”, một đối tượng toán học trong các phương trình của thuyết tương đối rộng. Sự khác biệt lớn giữa mức năng lượng chân không dự đoán và mức đo được thường được gọi là vấn đề về hằng số vũ trụ. “Nó thường được coi là một trong những vấn đề khó xử, rối rắm, khó nhất của vật lý lý thuyết ngày nay,” Antonio, Paddila, một nhà vật lý ở Đại học Nottingham ở Anh, người đã dành 15 năm khám phá nó, cho hay. “Nó gợi ý rằng câu chuyện của chúng ta còn thiếu gì đó. Thật là phấn khích – làm sao có thể không muốn tìm kiếm điều đó cơ chứ ?”

Câu đố này đã quyến rũ một số bộ óc vĩ đại nhất trong vật lý và làm nảy sinh một biển ý tưởng để giải quyết nó. Năm ngoái, nhà vật lý Gregory Gabadadze tại Đại học New York đã dành hẳn một tiếng đồng hồ chỉ để tóm tắt tất cả các ý tưởng mà các nhà vật lý lý thuyết phát biểu từ xưa đến nay trong một bài giảng tại khoa Vật lý, Đại học Brown. Cuối bài giảng, một khán giả đã hỏi rằng có ý tưởng nào mà ông hứng thú không. “Không có ý tưởng nào,” Gabadadze đáp. Tất cả đều quá “kỳ dị”, ông nói, và đều đòi hỏi “phá vỡ các nguyên lý bất khả xâm phạm”.

Nhưng một số nhà vật lý lại cho rằng công trình lý thuyết mới đang đem lại điều thú vị cho tình cảnh bất định này. Nhưng những bước tiến gần đây trong các thử nghiệm chính xác trong phòng thí nghiệm để thăm dò hấp dẫn, cũng như sự ra đời của thiên văn học sóng hấp dẫn, hứa hẹn rằng cuối cùng chúng ta có thể thử nghiệm, hoặc loại bỏ một số giải pháp gợi ý giải quyết nan đề trên.

Sự ra đời của nan đề

Hằng số vũ trụ có một lịch sử thăng trầm. “Đó là thứ ta có thể gọi là phi-lời-giải cho phi-vấn-đề” – nhà vật lý Rafael Sorkin ở Viện Vật lý lý thuyết Pi, Ontario, nói. Ban đầu Albert Einstein đã chế ra nó năm 1917 như một “mẹo” toán học để ép các phương trình trường trong thuyết tương đối rộng của ông dự đoán một vũ trụ tĩnh, khi đó ông và hầu hết các nhà khoa học đều tin vũ trụ là như vậy. Nhưng năm 1929, nhà thiên văn Edwin Hubble đã đo tốc độ của nhiều thiên hà, và ông hoàn toàn ngạc nhiên khi thấy tất cả đều đang rời xa khỏi chúng ta – thực tế, thiên hà càng ở xa, thì càng rời đi nhanh hơn. Những phép đo của ông đã chỉ ra, không gian giãn nở ở khắp mọi nơi, và bất kể bạn nhìn vào đâu, dường như tất cả các thiên hà đều lùi ra xa, bởi vì khoảng cách giữa tất cả mọi thứ đều tăng liên tục. Đối diện với tin tức này, ít năm sau, Einstein quyết định bỏ hằng số vũ trụ ra khỏi các phương trình của mình, gọi đó là “sai lầm lớn nhất của tôi”, theo lời kể của nhà vật lý George Gamow.

Hằng số vũ trụ từng chỉ là một phụ chú trong lịch sử khoa học, nhưng nó đã âm thầm chờ được tỏa sáng. Những năm cuối thập niên 90, hai nhóm nghiên cứu thiên văn đã đua nhau đo mức độ chậm lại của sự giãn nở vũ trụ, được dự đoán gây ra do lực hấp dẫn có xu hướng kéo vật chất lại với nhau. Năm 1998 và 1999, họ công bố các kết quả của mình dựa trên những đo đạc về một số vụ nổ siêu tân tinh mà khoảng cách đến chúng ta có thể xác định cực kì chính xác. Những siêu tân tinh ở xa nhất hóa ra mờ hơn nhiều, và bởi vậy, chúng ở xa hơn ta tưởng. Sự giãn nở không hề chậm lại – mà hóa ra đang tăng tốc. Phát hiện báo động này đã mang lại giải Nobel cho ba người đứng đầu của hai nhóm nghiên cứu này và khiến nhà vũ trụ học Micheal Turner đưa ra thuật ngữ “năng lượng tối” để đặt tên cho lực bí ẩn đang gây ra sự tăng tốc này. Ngay lập tức các nhà khoa học đề xuất rằng nguồn gốc của năng lượng tối có thể là hằng số vũ trụ – hay nói cách khác là năng lượng chân không. “Có lẽ sai lầm của Einstein còn mang lại nhiều giá trị hơn những nỗ lực lớn nhất của người trần mắt thịt” Saul Perlmutter, một trong những người khám phá ra sự tăng tốc, viết sau đó.

Mặc dù hằng số vũ trụ cho phép các nhà khoa học một lần nữa cân bằng các phương trình trường của Einstein, khiến chúng dự đoán về một vũ trụ đang tăng tốc giãn nở giống như vũ trụ mà các nhà thiên văn học đã quan sát được, thì giá trị của hằng số này lại hết sức vô lý. Một vấn đề vốn khiến các nhà khoa học nhức óc giờ lại càng trở nên khó nhằn hơn. Trong những năm mà hằng số này đang “bơ vơ”, các nhà khoa học đã liên hệ nó từ lý thuyết tương đối rộng đến khái niệm năng lượng chân không của vật lý lượng tử. Nhưng nếu thế thì năng lượng chân không đáng lẽ phải cực lớn.

Một trong những người đầu tiên cảm thấy có gì đó lấn cấn là nhà vật lý Wolfgang Pauli. Trong những năm 1920 ông đã nhận ra rằng năng lượng này đáng ra phải mạnh đến mức vũ trụ đáng ra đã giãn nở vượt xa mức mà ánh sáng có thể truyền đi giữa hai vật bất kỳ trong đó. Nhưng nếu thế thì toàn bộ vũ trụ khả kiến của chúng ta khi nhìn từ trái đất, Pauli tính toán, “thậm chí còn không vươn xa đến được Mặt trăng”. Người ta kể lại rằng, ông rất thích thú với ước lượng của mình, dù ở thời điểm đó không ai nghiêm túc với nó. Người đầu tiên thực sự tính toán giá trị của hằng số vũ trụ dựa trên dự đoán của lý thuyết lượng tử đối với năng lượng chân không là nhà vật lý Yakov Zel’dovich, người vào năm 1967 đã khám phá ra rằng năng lượng này sẽ khiến hằng số vũ trụ lớn khủng khiếp. Nhưng lúc đó, các nhà khoa học đang nghĩ rằng vũ trụ đang giãn nở với tốc độ ổn định hoặc chầm chậm tăng dần, và hầu hết mọi người đều tin rằng hằng số vũ trụ có giá trị bằng 0. Bài toán hằng số vũ trụ ra đời là vì vậy.

30 năm sau, khi các nhà thiên văn học nhận ra rằng sự giãn nở của vũ trụ đang tăng tốc, vấn đề này vẫn chưa được giải quyết. Mức độ tăng tốc, mặc dù đã gây sốc ở thời điểm đó, vẫn không đáng kể so với giá trị mà lý thuyết lượng tử dự đoán. Có thể nói, việc khơi lại hằng số vũ trụ chỉ như đổ thêm dầu vào lửa. Cố gắng hình dung tại sao hằng số này lại đúng bằng 0 là một chuyện. Hiểu tại sao nó lại lớn hơn 0 đôi chút còn khó hơn nhiều. “Giá trị của nó rất kỳ lạ,” nhà vật lý lý thuyết Katherine Freese tại Đại học Texas, Austin, nói. “Thậm chí còn kỳ lạ hơn số 0”.

Không phải ai cũng đồng thuận rằng đây là một vấn đề cần giải quyết. Hằng số vũ trụ, về mặt kỹ thuật, chỉ là một hằng số của tự nhiên, một con số trong một phương trình mà có thể nhận bất cứ giá trị nào, theo lời Sabine Hossenfelder, nhà vật lý lý thuyết tại Viện Nghiên cứu Cấp C\cao Frankfurt, Đức. Giá trị hiện tại của hằng số vũ trụ qua chỉ là một trùng hợp về mặt số học. “Bạn lấy số nào cũng được và thế là xong,” Hossenfelder nói. “Tất cả các cuộc tranh luận về việc tại sao nó đang có giá trị như vậy không phải những câu hỏi có giá trị về mặt khoa học”, cô nói. Lý thuyết lượng tử không có gì bịa đặt khi dự đoán của nó không khớp với những đo đạc thiên văn, và nó vẫn cứ hữu dụng như vậy. “Tôi tin rằng hầu hết mọi người trong cộng đồng vũ trụ học và vật lý thiên văn tin rằng đó là vấn đề vì họ bị nghe như vậy trong suốt một thời gian dài”.

Nhưng rất nhiều nhà vật lý vẫn không muốn buông xuôi. Giá trị nhỏ bất ngờ của hằng số vũ trụ như một cái gai cần phải nhổ. “Nó khiến tôi rất đau đầu, và tôi cần tìm ra lời giải đáp.” – Gabadadaze nói.

Trăm lý thuyết đua nở

Mặc dù nhiều nhà vật lý cùng xắn tay vào giải quyết vấn đề, tốc độ tiến triển vẫn chậm đến phát mệt. “Đã 50 năm kể từ khi Zel’dovich thực sự chỉ ra vấn đề là gì, và rõ ràng chưa có lời giải đáp nào được chấp nhận hay được xác minh,” Padilla nói. “Các ý tưởng đến rồi đi, nhưng nhìn chung rất ít lý thuyết đứng được”.

Hầu hết các giải pháp đề xuất cho vấn đề hằng số vũ trụ rơi vào ba nhóm: thay đổi phương trình mô tả sự giãn nở của vũ trụ trong lý thuyết tương đối rộng, thay đổi các phương trình dự đoán mức năng lượng chân không trong lý thuyết lượng tử, hay tung một thứ gì đó hoàn toàn mới vào trong mớ hỗn độn.

Việc điều chỉnh lý thuyết tương đối rộng có thể thay đổi hay thậm chí loại bỏ vai trò toán học của hằng số vũ trụ. Chẳng hạn, Freese và các đồng nghiệp của cô, đi theo hướng giải thích sự tăng tốc giãn nở của vũ trụ mà không cần dùng hằng số này, bằng việc thay đổi cách tính toán của lý thuyết tương đối rộng khi áp dụng vào sự giãn nở của vũ trụ. “Vật chất và photon có thể là đủ, mà không cần có thêm bất cứ thành phần nào mới trong vũ trụ, nếu vai trò của chúng trong các phương trình là khác nhau,” cô nói. Mô hình của cô dựa trên ý tưởng rằng, các chiều dư ngoài ba chiều không gian và một chiều thời gian mà chúng ta quan sát được, có thể ẩn khỏi tầm nhìn của chúng ta.

Một góc nhìn khác về việc cập nhật lý thuyết tương đối rộng được gọi là lý thuyết cô lập, do Padilla và các đồng nghiệp của ông đề xuất. Họ chỉnh sửa lý thuyết của Einstein theo một cách thức cô lập hấp dẫn, để nó không phải chịu tác động của năng lượng chân không. “Tôi sẽ không giả vờ rằng đây là một mô hình đã được xác minh, nhưng chưa từng có ai có thể loại bỏ nó” Padilla nói thêm.

Tuy nhiên, nếu không phải là lý thuyết tương đối rộng, thì có thể vấn đề nằm ở lý thuyết lượng tử. Một số nhà lý thuyết đề xuất rằng phương pháp tính toán năng lượng chân không của lý thuyết trường lượng tử không còn hợp lý. Stefan Hollands, Đại học Leipzig, Đức và các đồng nghiệp cực lực phản đối việc áp dụng các phương trình lượng tử chính quy cho không thời gian cong, nói rằng chúng được thiết kế cho không gian phẳng. Nếu các nhà vật lý có thể tinh chỉnh chính xác chúng cho không gian cong, vấn đề hằng số vũ trụ sẽ biến mất, họ lập luận.

Nhưng lời giải có thể đòi hỏi nhiều hơn là điều chỉnh toán học các phương trình truyền thống. Một ý tưởng không chính thống gần đây được Steve Carlip ở Đại học California, Davis, đề xuất, rằng không thời gian về cơ bản được cấu tạo từ các “bọt”. Trong bức tranh này, độ cong của không gian sẽ thăng giáng liên tục ở mức cực kì nhỏ, vượt xa khỏi bất cứ thứ gì chúng ta có thể hi vọng đo được. Thứ tôpô phức tạp này sẽ loại bỏ hầu hết ảnh hưởng của hằng số vũ trụ, khiến nó có giá trị rất nhỏ ở thang địa phương. “Đó là một kiểu ý tưởng kỳ dị,” Carlip nói. “Nó là một phép đo tuyệt vọng, nhưng các nỗ lực xử lý hằng số vũ trụ khác cũng như vậy, và đó là những thời điểm tuyệt vọng”.

Sorkin, người cho rằng lý thuyết bọt thời gian của Carlip “đang đi đúng hướng”, cũng tham gia lĩnh vực này theo cách của riêng mình. Ông tiếp cận vấn đề theo cách thống nhất cơ học lượng tử và hấp dẫn gọi là lý thuyết tập hợp nhân quả. Theo mô hình này, không thời gian về cơ bản là rời rạc – có nghĩa rằng thay vì giãn nở liên tục, trơn, nó được chia thành các khối đơn vị không thời gian và thời gian riêng, nhỏ li ti, mô tả các khối cơ bản của không thời gian như thể nguyên tử là các khối cơ bản của vật chất. Nếu đúng như vậy, việc tính toán hằng số vũ trụ sẽ bao hàm việc chia cho số lượng đơn vị không thời gian trong vũ trụ, dẫn tới một giá trị gần với kết quả quan sát được của các nhà thiên văn hơn rất nhiều.

Một trong những giải pháp hứa hẹn nhất – cũng như bị phản đối nhiều nhất, với một số người – cho vấn đề hằng số vũ trụ được gọi là nguyên lý vị nhân. Lối tư duy này chấp nhận rằng hằng số vũ trụ trong vũ trụ của chúng ta mang một giá trị không thể tính được, nhưng giải thích nó bằng cách phát biểu rằng chúng ta sống trong một đa vũ trụ. Nếu vũ trụ của chúng ta là một bong bóng trong biển vũ trụ, và mỗi bong bóng đều có các định luật vật lý khác nhau và các hằng số khác nhau, thì chắc chắn sẽ có một bong bóng với giá trị mà chúng ta đang quan sát được. Hầu hết những bong bóng khác không có một vũ trụ với các thiên hà, ngôi sao, hành tinh hay sự sống, nên thực tế rằng chúng ta thấy mình trong một ngoại lệ là hoàn toàn có khả năng. Bởi vì lý thuyết dây đòi hỏi một đa vũ trụ, các nhà lý thuyết dây có xu hướng coi vấn đề hằng số vũ trụ về cơ bản được giải quyết bằng lập luận như vậy. Tuy nhiên các nhà vật lý khác lại cho triết lý này là một kiểu đối phó. “Như thế chẳng qua là từ bỏ vấn đề,” Sorkin nói.

Tất cả những chiến lược này có xu hướng liên quan đến những sửa đổi sâu sắc nền vật lý đã được thiết lập vững chắc. “Ý tưởng nào cũng đều dẫn đến một cải tiến mạnh mẽ các nguyên lý cơ bản, hoặc về không thời gian, hoặc về số chiều của vũ trụ,” Gabadadze nói. “Theo nghĩa nào đó thì chúng đều trái khoáy.” Không lý thuyết đơn lẻ nào vượt hẳn lên. “Đến thời điểm này thì đây là vấn đề của sở thích, (ai thấy mình hợp với lý thuyết nào thì chọn cái đó)” Carlip nói. “Có lẽ câu trả lời nằm ở điều gì đó mà không ai từng nghĩ đến”.

Bất biến hay quintessence (Tinh túy)

Hằng số vũ trụ vẫn là lời giải thích tốt nhất cho vật chất tối – lực bí ẩn khiến sự giãn nở của vũ trụ tăng tốc. Nhưng nếu vật chất tối lại thực sự không liên quan chút nào tới hằng số vũ trụ hay năng lượng chân không thì sao? Nếu năng lượng chân không của vũ trụ bằng cách nào đó lại bị hủy hoàn toàn và hằng số vũ trụ bằng 0 thì sao? Trong trường hợp này, năng lượng tối có thể là tác phẩm của thứ gì đó gọi là quintessence.

Các nhà vật lý Robert Caldwell, Paul Steinhardt, và Rahul Dave đưa ra khái niệm quintessence vào năm 1998, như một lời giải thích khác cho sự tăng tốc độ giãn nở của vũ trụ. Quintessence sẽ là một dạng năng lượng nào đó tràn ngập không gian với áp suất âm. Trái ngược với hằng số vũ trụ, quintessence có thể thay đổi theo thời gian. Một phiên bản quintessence gọi là năng lượng ma, thừa nhận sự tồn tại của một năng lượng mà mật độ của nó tăng theo tuổi của vũ trụ, cuối cùng dẫn tới một “vụ xé lớn”, khi không gian bị xé toạc bởi sự giãn nở điên cuồng cho tới khi khoảng cách giữa các hạt trở nên vô hạn.

“Đã 50 năm kể từ khi Zel’dovich thực sự chỉ ra vấn đề là gì, và rõ ràng chưa có lời giải đáp nào được chấp nhận hay được xác minh,” Padilla nói. “Các ý tưởng đến rồi đi, nhưng nhìn chung rất ít lý thuyết đứng được”.

Để kiểm tra xem liệu năng lượng tối do quintessence hay hằng số vũ trụ gây ra, các nhà khoa học cần phải xác định xem liệu cường độ năng lượng tối có thay đổi theo thời gian hay không. Nhiều dự án khác nhau đã thu thập dữ liệu về mức độ giãn nở của không gian ở những kỷ nguyên khác nhau của vũ trụ. Một ví dụ là Dark Energy Survey, một nỗ lực trong vòng sáu năm, lập bản đồ các thiên hà ở những khoảng cách khác nhau tới Trái đất của chúng ta trên khắp một khu vực rộng lớn của bầu trời, sử dụng kính thiên văn Victor M. Blanco ở Chilê. Dữ liệu đã có, nhưng các nhà khoa học vẫn đang phân tích chúng – cho tới nay tất cả những dấu hiệu đều hướng tới việc năng lượng tối là bất biến. Một cách khác để khám phá xem liệu quintessence có thật hay không là tìm kiếm bằng chứng cho thấy thứ năng lượng này đã thay đổi các hằng số cơ bản của tự nhiên theo thời gian. Chưa có dấu hiệu nào cho thấy các hằng số có thể thay đổi.

Trong vòng vài thập kỷ tới, các thí nghiệm sẽ cho các nhà khoa học một ý tưởng tốt hơn rằng liệu hằng số vũ trụ (và năng lượng chân không đằng sau nó) có phải nguồn gốc của năng lượng tối hay không. Dự án Khảo sát Di sản của Không gian và Thời gian của Đài thiên văn Vera C. Rubin, dự định bắt đầu vào năm 2022 với một kính thiên văn đang được xây dựng ở Chile, sẽ cải thiện đáng kể độ chính xác của các phép đo của lịch sử giãn nở của vũ trụ. Sớm thôi, các nhà khoa học sẽ có khả năng phát biểu tường minh hơn rất nhiều về sự tồn tại của quintessence trong dữ liệu hay liệu có một lực bất biến đang hoạt động.

Những rung động của không thời gian và các sao neutron

Nếu như cho tới nay mọi bằng chứng có vẻ chỉ ra, năng lượng tối quả thực là kết quả của hằng số vũ trụ, vẫn có hi vọng nhất định trong việc kiểm chứng một loạt các lý giải mà các nhà khoa học đề xuất về giá trị nhỏ bất ngờ của nó. Những thí nghiệm và quan sát thiên văn sắp tới có thể cung cấp một cách thức để sắp xếp núi lý thuyết, loại bỏ một số này, và có thể, cung cấp bằng chứng một số khác.

Năm năm trước, các nhà khoa học đã có một thấu kính hoàn toàn mới để nghiên cứu vũ trụ khi họ bắt đầu phát hiện ra sóng hấp dẫn, những rung động trong không thời gian do sự va chạm của những vật thể có khối lượng khổng lồ như các lỗ đen và sao neutron. Những đài quan sát sóng hấp dẫn như LIGO ở Mỹ và Virgo ở châu Âu giờ đây thường xuyên phát hiện ra các sóng do những biến động lớn trong vũ trụ gây ra, và những sóng này có thể hữu ích trong việc dò tìm bản chất của năng lượng chân không. Một số nỗ lực giải quyết vấn đề hằng số vũ trụ dựa vào những thay đổi trong lý thuyết tương đối rộng khiến lực hấp dẫn di chuyển chậm hơn đôi chút so với tốc độ của ánh sáng. Thực tế rằng các sóng hấp dẫn dường như xuất hiện đồng thời với ánh sáng từ chính sự kiện, đã dập tắt ý tưởng này, loại bỏ một số lý thuyết. “10 năm trước chúng ta có một mô hình gọi là Fab Four, với mục đích giải quyết vấn đề hằng số vũ trụ,” Padilla nói. “Tôi đã bắt đầu nghi ngờ nó, nhưng dữ liệu về sóng hấp dẫn đã phủ nhận nó luôn.”

Các sóng hấp dẫn cũng tiết lộ hoạt động kỳ dị bên trong những ngôi sao neutron. Những tàn dư gọn ghẽ của các vụ nổ siêu tân tinh đặc tới mức các nguyên tử suy sụp, proton và electron của chúng va mạnh vào nhau để tạo thành một vật thể hầu như thuần túy chỉ có neutron. Trạng thái kỳ dị này gây ra những hiện tượng lạ lùng – chẳng hạn, lõi của sao neutron có thể chứa một trạng thái mới của vật chất có thể khiến mức năng lượng chân không trong lòng nó thay đổi đột ngột. Các đài quan sát sóng hấp dẫn có thể đủ nhạy với những ảnh hưởng hấp dẫn của mức năng lượng chân không dư ở đây, có tiềm năng hé lộ những bí ẩn về bản chất của năng lượng chân không.

Và trong khi các thí nghiệm vật lý thiên văn tìm kiếm manh mối ở thang kích thước vũ trụ, các thí nghiệm gần gũi với Trái đất hơn có thể cũng giúp các nhà nghiên cứu lựa chọn trong các giả thuyết về hằng số vũ trụ. Những thiết lập trong phòng thí nghiệm nhằm thăm dò vũ trụ ở những khoảng cách nhỏ nhất có thể đủ nhạy trước một số thay đổi của lý thuyết tương đối rộng mà các nhà vật lý đang đề xuất.

Chẳng hạn như công trình của nhóm Eöt-Wash ở Đại học Washington, nơi các nhà khoa học sử dụng một thí nghiệm cân xoắn cực kỳ nhạy để thực hiện những thử nghiệm chính xác về lực hấp dẫn. Dụng cụ của họ là một cân xoắn: một đĩa kim loại với các lỗ thủng treo trên một dây mảnh, với một đĩa tương tự ngay bên dưới nó, chuyển động đều. Hai đĩa cách nhau một khoảng bằng bề rộng của một tờ giấy, và khi đĩa bên dưới quay, lực hấp dẫn của nó khiến đĩa bên trên xoắn qua lại.

Thí nghiệm cực kỳ nhạy này cho phép các nhà nghiên cứu theo dõi cách hoạt động của lực hấp dẫn ở thang kích thước cỡ nanô mét. Nếu lực hấp dẫn yếu đi ở những khoảng cách nhỏ như vậy, như một số ý tưởng đề xuất – hay nếu có thể thấy rõ những chiều dư, nhỏ của không gian ở đó – nhóm Eöt-Wash sẽ phát hiện ra. Cho tới giờ, trong các thí nghiệm của họ, lực hấp dẫn vẫn tuân theo các định luật của Newton và Einstein một cách chính xác và chưa quan sát được chiều dư nào, nhưng các nhà khoa học tiếp tục điều chỉnh cân của họ để thăm dò ở các khoảng cách ngày một nhỏ hơn. Ngay cả nếu nhóm này không phát hiện ra những sai lệch ảnh hưởng đến năng lượng chân không, điều đó cũng không nhất thiết là kết luận: có thể rằng những thay đổi như vậy chỉ xảy ra ở những khoảng cách ngoài tầm với của chúng ta.

“Chúng tôi sẽ tiếp tục thử,” Gabadadze nói về những nỗ lực để kiểm chứng những giả thuyết về hằng số vũ trụ với các thí nghiệm. “Mọi thế hệ các nhà vật lý từ khoảng những năm 1960 đã thấy những lời giải thích mới xuất hiện. Có lẽ một ngày nào đó một trong số chúng sẽ có những dự đoán khả kiến có thể được kiểm chứng, nhưng hiện tại, chúng ta vẫn chưa thấy.” Mặc cho độ khó của vấn đề, ông và các nhà vật lý khác vẫn hi vọng vào một lời giải đáp trong tương lai gần. Có lẽ những nỗ lực để hiểu vấn đề hằng số vật lý sẽ hé lộ những sự thực sâu sắc hơn về vật lý lượng tử và thuyết tương đối rộng. Hay có thể các nhà khoa học sẽ khám phá ra một cách sửa đổi đơn giản hơn. Và ngay cả khi họ đang cố gắng theo đuổi một lời giải có thể không bao giờ thành hình, rất nhiều nhà vật lý vẫn đang say sưa với cuộc tìm kiếm. □

Hoàng Lam dịch

Nguồn: https://www.scientificamerican.com/article/the-cosmological-constant-is-physics-most-embarrassing-problem/