Thuyết tương đối rộng: Sự hấp dẫn lượng tử

Thuyết tương đối rộng chỉ là một trong những cột trụ của vật lí học hiện đại. Cột trụ kia là cơ học lượng tử, lí thuyết mô tả cái xảy ra ở cấp độ nguyên tử và hạ nguyên tử.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Thuyết tương đối rộng: Sự hấp dẫn lượng tử Thuyết tương đối rộng: Sự hấp dẫn lượng tử Thuyết tương đối rộng chỉ là một trong những cột trụ của vật lí học hiện đại.Cột trụ kia là cơ học lượng tử, lí thuyết mô tả cái xảy ra ở cấp độ nguyên tử và hạnguyên tử. Hiện thân hiện đại của nó, lí thuyết trường lượng tử, đã đặc biệt thànhcông ở việc mô tả và tiên đoán hành trạng của các hạt và các lực cơ bản. Thách thức chính hiện nay là kết hợp hai quan điểm đó thành một lí thuyếtthống nhất, gọi là lí thuyết hấp dẫn lượng tử. Một lí thuyết như vậy sẽ cần thiết choviệc giải thích những thời khắc đầu tiên của Big Bang, khi vũ trụ đậm đặc, nóng vànhỏ bé, hoặc cái xảy ra ở gần kì dị tại nhân của các lỗ đen, nơi các hiệu ứng vật lílượng tử có thể cạnh tranh với các hiệu ứng của thuyết tương đối rộng. Một lời giải cho sự hấp dẫn lượng tử là các dây ở xung quanh chúng ta? (Ảnh: Michael Banks/Getty) Mặc dù cho đến nay vẫn chưa có lí thuyết cuối cùng của sự hấp dẫn lượng tử,nhưng đã có một vài lí thuyết ứng cử viên đang được khảo sát sôi nổi. Một là líthuyết dây, mô tả các thành phần cơ bản của vật chất không phải dạng những hạtkiểu chất điểm mà là các dây vi mô đang dao động. Tùy thuộc vào chúng dao độngnhư thế nào, các dây đó sẽ được cảm nhận là những hạt khác nhau – bao gồm cảgraviton, hạt được cho là mang lực hấp dẫn. Một khả năng nữa là không-thời gian không trơn mà cấu thành từ nhữngviên gạch cấu trúc rời rạc tương tác lẫn nhau. Hệ quả là nếu chúng ta có thể khảosát kĩ lưỡng cấu trúc tinh vi của nó, thì nó có thể trông giống như một cái bọtkhông-thời gian rỗng. Trong những lí thuyết như vậy, cái chúng ta cảm nhận làkhông-thời gian uốn cong và cuộn nhẵn lại trong sự có mặt của vật chất chỉ là mộthiện tượng nổi lên che giấy hành trạng cơ bản hơn ở cấp độ nhỏ. Việc đi tìm lí thuyết hấp dẫn lượng tử được người ta cho là thách thức lớnnhất mà vật lí học hiện đại đang đối mặt. Một trong các khó khăn là nó chỉ thật sựtự hiển hiện ở những mức năng lượng cao cực độ, nằm ngoài tầm với thực nghiệmcủa chúng ta. Các nhà vật lí hiện đang đối mặt trước nhiệm vụ nghĩ ra các thínghiệm và các quan sát thiên văn có thể kiểm tra các lí thuyết ứng cử viên của sựhấp dẫn lượng tử trong thế giới thực. Thuyết tương đối rộng: Vũ trụ tối Vũ trụ giãn nở mà thuyết tương đối rộng tiên đoán đã được củng cố chắcchắn trong khoa học hiện đại. Khi khả năng của chúng ta quan sát các thiên hà ở xavà lập bản đồ vũ trụ được cải thiện, thì bức tranh của chúng ta về vũ trụ đã làm hélộ một số đặc điểm còn kì lạ hơn nữa. Trước hết, các nhà thiên văn học đã có thể đo các thiên hà xoắn ốc xa xôiquay tròn nhanh như thế nào, và điều này cho thấy vùng ngoài của các thiên hàđang quay quá nhanh để được quản thúc bởi khối lượng của các ngôi sao và chấtkhí tại tâm của chúng. Cần có thêm vật chất trong các thiên hà để tạo ra đủ sự hấpdẫn ngăn không cho các thiên hà bay toạc ra. Lời giải thích được nhiều người biết tới là các thiên hà có chứa những lượnglớn những dạng khác của vật chất – gọi là “vật chất tối” vì nó phát ra hay phản xạánh sáng. vật chất tối được cho là co cụm lại xung quanh các thiên hà và các đámthiên hà trong những quả cầu khổng lồ gọi là quầng vật chất tối. Quầng vật chất tốicó thể đủ đặc để làm biến dạng đáng kể không-thời gian và bẻ cong đường đi củabất kì tia sáng nào đi qua gần nó. Sự hội tụ hấp dẫn này đã được quan sát thấy ởmột số đám thiên hà, và là một trong những mảnh bằng chứng mạnh mẽ nhất chosự tồn tại của vật chất tối. Nhóm thiên hà gọi là đám Bullet mang lại bằng chứng cho vật chất tối. (Ảnh: NASA/CXC/CfA/M.Markevitch et al/STScI/Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al/ESO WFI) Nhưng chưa hết. Các nhà vũ trụ học đã có thể tính ra vũ trụ đã giãn nở baonhanh tại những thời điểm khác nhau trong lịch sử của nó. Điều này được thựchiện bằng cách đo khoảng cách đến các ngôi sao đang phát nổ gọi là sao siêu mới,và chúng đang lùi xa ra bao nhanh do sự giãn nở của không-thời gian. Các kết quảđột phá từ những quan sát này, chỉ mới xuất hiện hơn một thập kỉ nay, là sự giãnnở của vũ trụ dường như đang tăng tốc. Một lời giải thích cho sự giãn nở đang tăng tốc này là vũ trụ tràn ngập mộtdạng năng lượng kì lạ gọi là năng lượng tối. Không giống như vật chất bình thườngvà vật chất tối, chúng bẻ cong không-thời gian theo kiểu hút khối lượng lại vớinhau, năng lượng tối đẩy không gian ra xa nhau, khiến nó giãn nở ngày càng nhanhhơn nữa theo thời gian. Nếu chúng ta cân đong toàn bộ các dạng vật chất và năng lượng trong vũ trụ,thì chúng ta đi đến một kết luận bất ngờ: chỉ 4% vũ trụ là ở dạng vật chất màchúng ta quen thuộc. Khoảng 24% là vật chất tối và 72% là năng lượng tối. Kết quả này phát sinh từ sự se duyên của thuyết tương đối rộng và thiên vănhọc hiện đại và nó đã trở thành một tiêu điểm nghiên cứu sôi nổi của vật lí học. Cácnhà thực nghiệm và các nhà lí thuyết đang dốc sức đi tìm câu trả lời cho câu hỏinóng bỏng này: vật chất tối và năng lượng tối thật ra là gì? Và tại sao chúng lại cónhững tính chất kì lạ như vậy? ...