"Cổng Thiên Đường"

Kvant 2010, số 5 tr. 7-15 Thẻ 1GHQ

Bản dịch tự động sơ bộ, chất lượng thấp: có thể còn lỗi và câu chữ chưa tự nhiên. Bản này sẽ được thay bằng bản dịch tốt hơn. Bản gốc →

QUAN SÁT CỦA CHÚNG TÔI

“CỔNG TRỜI”

“Cổng mây” là tên của tác phẩm điêu khắc được lắp đặt ở Chicago, trung tâm Công viên Thiên niên kỷ. Người dân thành phố gọi tác phẩm điêu khắc là “Bob” hay “Drop” - và đúng là nó trông giống như một giọt nước

hầu hết. “Drop” hình elip được làm bằng các tấm thép không gỉ và được đánh bóng mịn như gương. Nó nằm trên những mái vòm cao bốn mét, là một loại cổng. Tác giả của Cổng Trời là nhà điêu khắc người Anh Anish Kapoor. Anh ấy nói rằng anh ấy muốn kết hợp bầu trời và đường chân trời Chicago trong tác phẩm của mình, “để ai đó có thể nhìn thấy trong tác phẩm điêu khắc của tôi hình ảnh phản chiếu của những đám mây bồng bềnh, và người khác sẽ thấy trong đó hình ảnh phản chiếu của những tòa nhà cao nhất thế giới. Và bên cạnh đó, vì tác phẩm điêu khắc được làm theo hình cánh cổng nên mọi người đều có thể bước vào căn phòng lớn bên trong và quan sát hình ảnh phản chiếu trong gương của mình trong đó giống như cách họ quan sát hình ảnh phản chiếu của thành phố ở phần bên ngoài của tác phẩm điêu khắc.” Chúng tôi bao gồm các bức ảnh về tác phẩm điêu khắc “Cánh cổng thiên đường” do tác giả thường xuyên của chúng tôi G. Galperin chụp. Đối với chúng tôi, có vẻ như chúng bổ sung một cách hoàn hảo cho bài viết của W. Arnold về sự phản xạ trong gương hình trụ.

KVANT 2010/№5

Vào năm kỷ niệm «Kvant», một sự kiện quan trọng đã xảy ra với bạn bè của chúng tôi: vào tháng 10, số thứ 1000 (thứ một nghìn!) của tạp chí khoa học nổi tiếng tuyệt vời “Kiến thức là sức mạnh” được xuất bản. Những lời chúc mừng lẫn nhau thường đi kèm với quà tặng và chúng tôi quyết định trao đổi các tài liệu đã xuất bản, mỗi tài liệu đều điều chỉnh chúng cho phù hợp với khán giả của chúng tôi. Chúng tôi xin giới thiệu với các bạn phiên bản bài báo của học giả Valery Anatolyevich Rubkov, đã được sửa lại cho tạp chí «Kvant».

Năng lượng tối trong vũ trụ

V. RUBAKOV

CÁC NHÀ VẬT LÝ YÊU TỪ ĐỎ. TRONG MÔI TRƯỜNG CỦA HỌ, lâu nay người ta thường đặt những cái tên “không khoa học” cho các thực thể mới được phát hiện. Lấy ví dụ các quark “lạ” hoặc “duyên”. Vì vậy, năng lượng tối không phải là từ đồng nghĩa với lực tối, mà là một thuật ngữ được đặt ra để chỉ một đặc tính bất thường của Vũ trụ của chúng ta. Việc phát hiện ra năng lượng tối được thực hiện bằng các phương pháp thiên văn và hoàn toàn gây ngạc nhiên cho hầu hết các nhà vật lý. Năng lượng tối có lẽ là bí ẩn chính của khoa học tự nhiên hiện đại. Rất có thể lời giải của nó sẽ trở thành sự kiện quan trọng nhất trong vật lý thế kỷ 21, có quy mô tương đương với những khám phá lớn nhất trong quá khứ gần đây, chẳng hạn như việc phát hiện ra hiện tượng giãn nở của Vũ trụ. Thậm chí có khả năng xảy ra sự phát triển triệt để như vậy của lý thuyết đến mức ngang bằng với việc tạo ra thuyết tương đối tổng quát, việc khám phá ra độ cong của không-thời gian và mối liên hệ của độ cong này với lực hấp dẫn. Bây giờ chúng ta đang ở giai đoạn đầu của cuộc hành trình, và nói về năng lượng tối là cơ hội để nhìn vào “phòng thí nghiệm” của các nhà vật lý vào thời điểm công việc của họ đang phát triển mạnh mẽ.

Một chút lịch sử

“Sẽ không đủ”

Thực tế là “có điều gì đó không ổn” trong Vũ trụ của chúng ta đã trở nên rõ ràng đối với các nhà vũ trụ học vào đầu những năm 90 của thế kỷ trước. Để giải thích điều chúng ta đang nói đến, hãy bắt đầu bằng việc nhớ lại sự giãn nở của Vũ trụ của chúng ta. Các thiên hà ở xa nhau sẽ phân tán và thiên hà càng ở xa thì nó càng di chuyển ra xa chúng ta nhanh hơn. Về mặt định lượng, tốc độ giãn nở được đặc trưng bởi tham số Hubble (không đổi) - hệ số tỉ lệ giữa tốc độ di chuyển và khoảng cách. Giá trị của thông số Hubble trong Vũ trụ hiện đại khá tốt

đo được: tốc độ giãn nở của Vũ trụ ngày nay đến mức các thiên hà ở xa Trái đất ở khoảng cách 1 tỷ năm ánh sáng đang thoát ra khỏi chúng ta với tốc độ 22.000 km mỗi giây. Tham số Hubble phụ thuộc vào thời gian; Do đó, trong quá khứ xa xôi, Vũ trụ giãn nở nhanh hơn nhiều so với hiện tại và theo đó, thông số Hubble lớn hơn nhiều.

Hình 1. Vũ trụ mở rộng. Các thiên hà ở xa hơn đang di chuyển ra xa chúng ta nhanh hơn và có vẻ đỏ hơn do hiệu ứng Doppler. Các phép đo khoảng cách đến các thiên hà xa xôi cùng với các phép đo vận tốc của chúng giúp xác định giá trị của tham số Hubble, đặc trưng cho tốc độ giãn nở của Vũ trụ

Trong lý thuyết hấp dẫn hiện đại - lý thuyết tương đối rộng - tham số Hubble có liên quan duy nhất đến hai đặc điểm khác của Vũ trụ: thứ nhất, với tổng mật độ năng lượng của mọi dạng vật chất, chân không, v.v., và thứ hai, với độ cong của không gian ba chiều. Nói chung, không gian ba chiều của chúng ta không nhất thiết phải là Euclide; ví dụ, hình học của nó có thể tương tự như hình học của một hình cầu; tổng các góc của một tam giác có thể không

TỐI TĂM

NĂNG LƯỢNG

bằng $180^\circ$ . Trong trường hợp này, “độ đàn hồi” của không gian, xét từ quan điểm giãn nở của Vũ trụ, đóng vai trò tương tự như mật độ năng lượng. Vì vậy, trong khuôn khổ của thuyết tương đối rộng, tham số Hubble xác định tổng mật độ năng lượng tổng thể trong Vũ trụ và sự đóng góp liên quan đến tính phi Euclide có thể có của không gian ba chiều. Vào đầu những năm 90, mật độ năng lượng của vật chất “bình thường” trong Vũ trụ hiện đại cũng được ước tính với độ chính xác cao. Điều bình thường là nó trải qua những tương tác hấp dẫn giống như vật chất thông thường. Như vậy, định luật vạn vật hấp dẫn của Newton có giá trị đối với vật chất bình thường. Tuy nhiên, vấn đề trở nên phức tạp bởi thực tế là hầu hết vật chất bình thường không phải là chất mà chúng ta đã biết (nguyên tử và ion), mà là cái gọi là vật chất tối. Vật chất tối rõ ràng bao gồm các hạt cơ bản mới chưa được phát hiện trong các thí nghiệm trên mặt đất. Không giống như nhiều hạt đã biết, chúng không mang điện tích và do đó không phát ra ánh sáng; vật chất bao gồm chúng thực sự tối tăm. Điểm giống với vật chất thông thường là lực hấp dẫn khiến vật chất tối tập trung thành các khối – thiên hà và quần tụ thiên hà. Bản thân nó thu hút vật chất và ánh sáng - chính nhờ tác dụng của lực hấp dẫn mà năng lượng tối được phát hiện ra. Hơn nữa, các phép đo lực hấp dẫn trong các cụm thiên hà giúp xác định được khối lượng vật chất tối trong các cụm này và cuối cùng là trong toàn bộ Vũ trụ. Đây là cách tìm ra mật độ năng lượng tổng của vật chất bình thường (công thức nổi tiếng $E = mc^{2} ).$ có giá trị cho nó

Hình 2. Phân bố khối lượng lớn trong một cụm thiên hà. Điểm sáng là các thiên hà. Khối lượng tập trung chủ yếu ở vật chất tối, được phân bổ đều hơn trong toàn bộ cụm (sự phân bổ này thường được thể hiện bằng màu xanh lam)

TRONG

Và chuyện gì đã xảy ra? Hóa ra rõ ràng là không có đủ vật chất thông thường để giải thích tốc độ giãn nở đo được của Vũ trụ. Hơn nữa, nó rất quan trọng: “sự thiếu hụt” là khoảng 2/3 (theo ước tính hiện đại là khoảng 72%). Có hai cách giải thích cho thực tế này: hoặc không gian ba chiều bị cong và sự đóng góp còn thiếu của tham số Hubble có liên quan đến “độ đàn hồi” của không gian, hoặc có một dạng năng lượng mới trong Vũ trụ, dạng năng lượng này sau này được gọi là năng lượng tối. Một khó khăn khác với mô hình vũ trụ cũ tốt là thời đại của Vũ trụ hiện đại. Mô hình này cho giá trị độ tuổi khoảng 9 tỷ năm. Đồng thời, tuổi của các cụm sao cũ (và hiện được ước tính) là 13–14 tỷ năm. Vấn đề! Phải nói rằng mô hình có không gian cong, trong đó có độ tuổi khoảng 11 tỷ năm, đã không giải quyết được hoàn toàn vấn đề (trong mô hình có năng lượng tối là khoảng 14 tỷ năm, mọi thứ đều ổn). Tuy nhiên, rất ít người coi khó khăn này là nghiêm túc và đa số kỳ vọng rằng nó sẽ “tự giải quyết bằng cách nào đó”.

Bạn ném nó đi đâu…

Từ quan điểm lý thuyết, cả hai khả năng – không gian phi Euclide và năng lượng tối – đều trông cực kỳ khó tin. Hãy bắt đầu với độ cong của không gian ba chiều. Khi Vũ trụ giãn nở, không gian trở nên phẳng hơn và độ cong của nó giảm đi. Nếu độ cong bây giờ khác 0 thì trước đây nó lớn hơn ngày nay. Tuy nhiên, mật độ năng lượng (khối lượng) của vật chất còn giảm nhanh hơn khi Vũ trụ giãn nở. Điều này có nghĩa là trước đây sự đóng góp tương đối của độ cong vào tham số Hubble là rất nhỏ, và sự đóng góp chính, với một biên độ lớn, là sự đóng góp của vật chất. Để 2/3 sự giãn nở của Vũ trụ ngày nay được đảm bảo bởi độ cong, cần phải “điều chỉnh” giá trị bán kính cong của không gian trong quá khứ với độ chính xác đáng kinh ngạc - một giây sau Vụ nổ lớn, nó phải bằng một phần tỷ kích thước của Vũ trụ quan sát được khi đó, không hơn không kém! Nếu không có sự phù hợp như vậy, độ cong ngày nay sẽ lớn hơn nhiều bậc hoặc nhỏ hơn nhiều bậc độ lớn cần thiết để giải thích các quan sát. Ngay cả khi chúng ta bỏ qua giả thuyết rằng sự đóng góp còn thiếu cho tham số Hubble hiện đại là do độ cong của không gian, thì vấn đề về độ cong vẫn còn tồn tại: trong mọi trường hợp, độ cong phải cực kỳ nhỏ trong giai đoạn đầu, nếu không thì ngày nay nó sẽ quá lớn. Vấn đề này là một trong những vấn đề chính dẫn đến ý tưởng về giai đoạn lạm phát trong quá trình tiến hóa của Vũ trụ. Theo lý thuyết lạm phát (do A. Starobinsky đề xuất và A. Gut độc lập và được hình thành nhờ công trình của A. Linde, A. Albrecht và P. Steinhardt), Vũ trụ ở giai đoạn đầu của quá trình tiến hóa đã trải qua giai đoạn giãn nở cực kỳ nhanh chóng theo cấp số nhân.

KVANT 2010/№5

nia (phình to, lạm phát). Vào cuối giai đoạn này, Vũ trụ nóng lên đến nhiệt độ rất cao và kỷ nguyên của Vụ nổ lớn nóng bỏng bắt đầu. Mặc dù giai đoạn lạm phát có lẽ chỉ kéo dài một phần giây, nhưng trong thời gian này, Vũ trụ giãn nở đến mức kích thước của nó trở nên lớn hơn nhiều so với kích thước của phần chúng ta thấy ngày nay. Điều quan trọng đối với chúng ta là do sự giãn nở của không gian, bán kính cong của nó giảm xuống gần như bằng không. Như vậy, lý thuyết lạm phát dẫn tới dự đoán rằng không gian của Vũ trụ hiện đại là không gian Euclide với độ chính xác cao nhất. Tất nhiên, điều này đi ngược lại giả thuyết cho rằng Vũ trụ ngày nay đang giãn nở 2/3 do độ cong. Với năng lượng tối, tình hình cũng tương tự, chỉ tệ hơn. Chúng ta sẽ thảo luận về nhiều giả thuyết khác nhau về bản chất của năng lượng tối dưới đây, nhưng ở đây chúng ta sẽ giới hạn ở nhận xét sau. Bất kể năng lượng tối là gì, mật độ của nó có thể được đặc trưng bởi một chiều năng lượng duy nhất. Để nhất quán với dữ liệu quan sát, giá trị của tham số thang năng lượng tối này phải xấp xỉ bằng 0,002 electronvolt. Đồng thời, các tương tác cơ bản đã biết - mạnh, yếu, điện từ và hấp dẫn - được đặc trưng bởi thang năng lượng của chúng. Nhỏ nhất trong số này liên quan đến tương tác mạnh (hạt nhân) và vào khoảng 200 triệu volt. Hóa ra là sự mâu thuẫn 100 tỷ lần! Điều tồi tệ nhất là sự khác biệt này và lượng năng lượng tối nói chung cực kỳ nhỏ rất khó tìm ra lời giải thích. Do những khó khăn trong việc diễn giải năng lượng tối, quan điểm phổ biến hơn trong một thời gian khá dài là độ cong không gian là nguyên nhân gây ra tốc độ giãn nở hiện tại của Vũ trụ. Nhiều nhà vật lý (mặc dù không có nghĩa là tất cả) không thể coi trọng khả năng năng lượng tối thực sự tồn tại và coi độ cong của không gian là “mức độ tệ hại ít hơn”. Câu hỏi, như thường lệ, đã được giải quyết bằng thí nghiệm.

Vũ trụ đang giãn nở với tốc độ ngày càng nhanh

Bước ngoặt xảy ra vào năm 1998–1999, khi hai nhóm đến từ Hoa Kỳ (một do A. Reiss và B. Schmidt dẫn đầu, còn nhóm kia do S. Perlmutter dẫn đầu) báo cáo kết quả quan sát siêu tân tinh loại 1a ở xa. Từ những quan sát này cho thấy Vũ trụ của chúng ta đang giãn nở với tốc độ ngày càng nhanh. Tính chất này hoàn toàn phù hợp với quan điểm về năng lượng tối, trong khi bản chất phi Euclid của không gian không dẫn tới sự giãn nở tăng tốc. Do đó, một lựa chọn rõ ràng đã được đưa ra nghiêng về năng lượng tối, và giả thuyết về không gian ba chiều phi Euclid đã bị bác bỏ (chúng ta sẽ quay lại vấn đề này một cách ngắn gọn). Một vài lời về siêu tân tinh loại 1a. Đây là những vụ nổ nhiệt hạch chấm dứt sự sống của những người không

những loại sao nào. Vẫn chưa có mô tả lý thuyết chi tiết về những vụ nổ này, nhưng dựa trên quan sát các siêu tân tinh ở gần, các mô hình thực nghiệm đã được thiết lập giúp có thể xác định độ sáng tuyệt đối của chúng, tức là năng lượng mà chúng phát ra trong một chớp sáng khá ngắn. Nói cách khác, siêu tân tinh loại 1a là “ngọn nến tiêu chuẩn”: biết độ sáng tuyệt đối và đo độ sáng biểu kiến (dòng năng lượng đến Trái đất), bạn có thể xác định khoảng cách đến từng chúng - khoảng cách càng lớn thì độ sáng biểu kiến càng thấp. Đồng thời, có thể thiết lập tốc độ mà mỗi siêu tân tinh đang di chuyển ra xa chúng ta (sử dụng hiệu ứng Doppler). Siêu tân tinh là những vật thể rất sáng và có thể được nhìn thấy ở khoảng cách rất xa. Nói cách khác, siêu tân tinh ở xa mà chúng ta quan sát hiện đã phát nổ cách đây rất lâu, và do đó tốc độ thoát ra của chúng được xác định bởi tốc độ giãn nở của Vũ trụ khi đó, trong quá khứ xa xôi. Do đó, các quan sát siêu tân tinh loại 1a giúp có thể xác định tốc độ giãn nở ở giai đoạn tương đối sớm trong quá trình tiến hóa của Vũ trụ (7 tỷ năm trước và thậm chí sớm hơn một chút) và theo dõi sự phụ thuộc của tốc độ này vào thời gian. Đây là điều khiến người ta có thể khẳng định rằng Vũ trụ đang giãn nở với tốc độ ngày càng nhanh. Hiện nay có thêm một số kết quả quan sát không hề liên quan đến siêu tân tinh và chỉ ra một cách độc lập sự giãn nở tăng tốc của Vũ trụ. Ví dụ, sự giãn nở vũ trụ tương đối nhanh sẽ ngăn cản sự hình thành các vật thể mới hình thành - những cụm thiên hà lớn. Các thiên hà tập hợp thành các cụm dưới tác dụng của lực hấp dẫn mà chúng hút nhau. Ngược lại, sự giãn nở chung của không gian buộc các thiên hà phải di chuyển ra xa nhau và do đó ngăn cản chúng đông đúc. Rõ ràng là tốc độ kéo dài càng cao thì hiệu ứng thứ hai càng mạnh. Với tốc độ giãn nở hiện đại đã biết (tham số Hubble), tốc độ giãn nở trong quá khứ chậm hơn trong một Vũ trụ đang tăng tốc so với một Vũ trụ giãn nở đang giảm tốc và lẽ ra phải có nhiều cụm hình thành hơn. Việc đếm số lượng các cụm lớn ở các khoảng cách khác nhau tính từ chúng ta (và do đó, được hình thành ở các thời điểm khác nhau) cho thấy các cụm thực sự được hình thành rất tự nguyện, hoàn toàn phù hợp với ý tưởng về sự giãn nở tăng tốc của Vũ trụ và mâu thuẫn với mô hình Vũ trụ đang chậm lại không có năng lượng tối nhưng có độ cong không gian. Chúng ta cũng hãy đề cập đến việc nghiên cứu các đặc điểm về sự phân bố của các thiên hà trong không gian - cái gọi là dao động âm thanh baryon.

Không gian – Euclide

Bằng chứng cuối cùng cho thấy bản chất phi Euclide của không gian ba chiều, nếu nó tồn tại, không đóng bất kỳ vai trò quan trọng nào trong sự giãn nở của Vũ trụ, thu được bằng cách đo các tính chất của bức xạ nền vi sóng vũ trụ. Bức xạ CMB, xuyên thấu

TỐI TĂM

NĂNG LƯỢNG

việc gọi Vũ trụ của chúng ta ngày nay được phát ra ở giai đoạn khá sớm của quá trình tiến hóa vũ trụ. Thực tế là Vũ trụ trong quá khứ đặc hơn và nóng hơn nhiều so với hiện tại. Trong quá trình mở rộng, nó trở nên loãng hơn và nguội đi; Nhiệt độ hiện tại của bức xạ nền vi sóng vũ trụ là 2,726 kelvin. Trong giai đoạn đầu, vật chất trong Vũ trụ nóng ở trạng thái plasma - tự proton, riêng electron. Một môi trường như vậy cản trở bức xạ điện từ; các photon liên tục bị tán xạ, hấp thụ và phát ra bởi các electron. Khi Vũ trụ nguội đi đến 3000 độ, các electron và proton nhanh chóng kết hợp thành các nguyên tử hydro và chất này trở nên trong suốt đối với các photon. Kỷ nguyên chuyển đổi vật chất từ plasma sang trạng thái khí là kỷ nguyên phát xạ cuối cùng của các photon còn sót lại. Lúc này, tuổi của Vũ trụ là 370 nghìn năm (thời hiện đại là 13,7 tỷ năm). Kể từ đó, các photon đã lan truyền tự do khắp Vũ trụ, bước sóng của chúng tăng dần do sự giãn nở của không gian, và ngày nay những photon bị loại bỏ này là sóng vô tuyến.

TRONG

VŨ TRỤ

Hình 4. Cân bằng năng lượng trong Vũ trụ hiện đại

nhiệt độ khác nhau. Nói cách khác, nhiệt độ của photon phụ thuộc vào hướng trên thiên cầu mà từ đó chúng đến với chúng ta. Hiệu ứng yếu: chênh lệch nhiệt độ tương đối theo các hướng khác nhau là khoảng 1/10000. Tuy nhiên, hiệu ứng này đã được đo lường một cách đáng tin cậy. Hơn nữa, vào đầu thế kỷ 20–21, lần đầu tiên góc nhìn thấy được “thước tiêu chuẩn” đã được đo. Rõ ràng là góc này phụ thuộc vào hình học của không gian: nếu tổng các góc của một tam giác vượt quá $180^\circ$ thì góc này cũng lớn hơn. Kết quả là người ta thấy rằng không gian ba chiều của chúng ta là Euclide với độ chính xác cao. Các phép đo tiếp theo đã xác nhận kết luận này. Từ quan điểm về sự giãn nở của Vũ trụ, các kết quả hiện tại có nghĩa là độ cong của không gian đóng góp không đáng kể (dưới 1%) vào tham số Hubble. Tốc độ giãn nở của Vũ trụ ngày nay là 70% do vật chất tối.

Họ không biết gì về cô ấy nữa

Hình 3. Ở nhiệt độ 3000 độ, vật chất trong Vũ trụ chuyển từ trạng thái plasma sang trạng thái khí và trở nên trong suốt đối với các photon. Sự tái hợp xảy ra khi tuổi của Vũ trụ là 370 nghìn năm. Các photon được hiển thị dưới dạng sơ đồ màu vàng; thời gian được hiển thị trên trục hoành.

Trong thời kỳ phát xạ photon tái phát, Vũ trụ không thực sự đồng nhất. Sự không đồng nhất tồn tại khi đó là phôi thai của các cấu trúc - những ngôi sao, thiên hà, cụm thiên hà đầu tiên. Vào thời điểm đó, sự không đồng nhất của plasma, như thường lệ đối với môi trường dày đặc, là sóng âm. Điều quan trọng là vào thời đại đó, Vũ trụ có thang khoảng cách đặc trưng, ngày nay được thể hiện ở tính chất của các photon bị loại bỏ phát ra vào thời điểm đó. Các sóng âm có chiều dài dài và theo đó, trong một khoảng thời gian ngắn vẫn chưa có thời gian phát triển bởi kỷ nguyên bức xạ của các photon còn sót lại, và các sóng có độ dài “chính xác” vừa bước vào giai đoạn nén tối đa. Bước sóng chính xác này tượng trưng cho “thước chuẩn” của thời đại phát xạ photon CMB; kích thước của nó được tính toán một cách đáng tin cậy trong lý thuyết Big Bang nóng bỏng. Tính không đồng nhất của Vũ trụ trong thời kỳ phát xạ cuối cùng của các photon tàn dư được thể hiện ở chỗ các photon phát ra ở những nơi khác nhau có một chút

Những tính chất nào của năng lượng tối được biết đến ngày nay? Có rất ít tài sản như vậy, chỉ có ba. Nhưng những gì được biết có thể gây ra sự ngạc nhiên. Đầu tiên là, không giống như vật chất bình thường, năng lượng tối không tụ lại và không tập hợp thành các vật thể như thiên hà hoặc cụm của chúng. Theo những gì chúng ta biết hiện nay, năng lượng tối được “lan tỏa” đồng đều khắp Vũ trụ. Tuyên bố này, giống như bất kỳ tuyên bố nào dựa trên quan sát hoặc thí nghiệm, đều đúng ở một mức độ nhất định. Không thể loại trừ hoàn toàn rằng ở đâu đó trong Vũ trụ, mật độ năng lượng tối cao hơn một chút và ở đâu đó nhỏ hơn mật độ trung bình một chút, ở đâu đó năng lượng tối đậm đặc hơn một chút và ở đâu đó hiếm hơn một chút. Tuy nhiên, theo quan sát, những sai lệch như vậy so với tính đồng nhất, nếu chúng tồn tại, sẽ có độ lớn rất nhỏ. Chúng ta đã nói về tính chất thứ hai: năng lượng tối làm cho Vũ trụ giãn nở với gia tốc. Theo cách này, năng lượng tối cũng khác biệt rõ rệt so với vật chất thông thường. Đối với vật chất thông thường, ý tưởng thông thường về cách lực hấp dẫn “hoạt động” là hợp lệ: các hạt vật chất được hình thành, chẳng hạn như kết quả của một vụ nổ và tán xạ từ tâm, dần dần làm chậm sự tán xạ của chúng do lực hấp dẫn vào tâm. Nếu không có năng lượng tối thì Vũ trụ cũng sẽ như vậy:

KVANT 2010/№5

tốc độ di chuyển của các thiên hà sẽ giảm dần theo thời gian. Năng lượng tối có tác dụng ngược lại - các thiên hà đang di chuyển ngày càng nhanh hơn. Hai đặc tính được mô tả chỉ ra rằng năng lượng tối, theo một nghĩa nào đó, chịu phản hấp dẫn; vì nó có lực đẩy hấp dẫn thay vì lực hút hấp dẫn. Do đó, sự giãn nở của Vũ trụ ngày càng tăng tốc và do đó, năng lượng tối được phân bổ đều trong không gian. Những khu vực có mật độ vật chất thông thường tăng lên do lực hấp dẫn sẽ thu thập vật chất từ không gian xung quanh, bản thân những khu vực này bị nén lại và tạo thành những khối dày đặc; Đây là cách những ngôi sao đầu tiên được hình thành, sau đó là các thiên hà và cụm thiên hà. Đối với chất chống hấp dẫn thì điều ngược lại: các vùng có mật độ tăng lên (nếu có) bị kéo giãn do lực đẩy hấp dẫn, các tính không đồng nhất được làm phẳng đi và không hình thành các khối. Đặc tính thứ ba của năng lượng tối là mật độ của nó không phụ thuộc vào thời gian. Cũng đáng ngạc nhiên: Vũ trụ đang giãn nở, thể tích ngày càng tăng nhưng mật độ năng lượng vẫn không đổi. Ở đây dường như có sự mâu thuẫn với định luật bảo toàn năng lượng. Trong 8 tỷ năm qua, Vũ trụ đã giãn nở hai lần, thể tích của nó tăng gấp 8 lần và năng lượng trong thể tích này cũng tăng lên cùng một lượng. Sự không bảo toàn năng lượng là hiển nhiên. Tất nhiên, điều này đặc biệt áp dụng cho năng lượng tối: số lượng hạt vật chất bình thường trong thể tích giãn nở không thay đổi, tổng năng lượng nghỉ của chúng cũng không thay đổi và mật độ năng lượng nghỉ đã giảm 8 lần. Trên thực tế, sự gia tăng năng lượng khi Vũ trụ giãn nở không mâu thuẫn với các định luật vật lý. Năng lượng tối được thiết kế theo cách mà không gian đang giãn nở tác động lên nó, điều này dẫn đến sự gia tăng năng lượng của chất này trong thể tích không gian đang giãn nở. Đúng vậy, bản thân sự giãn nở của không gian là do năng lượng tối gây ra, nên tình huống này gợi nhớ đến việc Nam tước Munchausen nắm tóc kéo mình ra khỏi đầm lầy. Tuy nhiên, không có gì mâu thuẫn: trong bối cảnh vũ trụ học không thể đưa ra khái niệm năng lượng toàn phần, trong đó bao gồm cả năng lượng của chính trường hấp dẫn. Vì vậy cũng không có định luật bảo toàn năng lượng nào cấm sự tăng giảm năng lượng của bất kỳ dạng vật chất nào. Tuyên bố về tính không đổi của mật độ năng lượng tối cũng dựa trên các quan sát thiên văn, và do đó cũng đúng với một độ chính xác nhất định. Để mô tả độ chính xác này, giả sử rằng trong 8 tỷ năm qua, mật độ năng lượng tối đã thay đổi không quá hệ số 1,4, do đó năng lượng trong thể tích giãn nở đã tăng theo hệ số 6–11. Ngày nay chúng ta có thể nói điều này một cách tự tin. Lưu ý rằng đặc tính thứ hai và thứ ba của năng lượng tối - khả năng dẫn đến sự giãn nở nhanh chóng của Vũ trụ và sự không đổi của nó theo thời gian (hay nói chung hơn là sự phụ thuộc rất chậm vào thời gian) - trên thực tế có liên quan chặt chẽ với nhau. Sự kết nối như vậy

suy ra từ các phương trình của thuyết tương đối rộng. Trong khuôn khổ lý thuyết này, sự giãn nở tăng tốc của Vũ trụ xảy ra chính xác khi mật độ năng lượng trong nó không thay đổi chút nào hoặc thay đổi rất chậm. Do đó, phản hấp dẫn của năng lượng tối và mối quan hệ phức tạp của nó với định luật bảo toàn năng lượng là hai mặt của cùng một đồng tiền. Về cơ bản, điều này làm cạn kiệt thông tin đáng tin cậy về năng lượng tối. Sau đó, khu vực giả thuyết bắt đầu. Trước khi nói về chúng, chúng ta hãy thảo luận ngắn gọn về một vấn đề chung.

Tại sao bây giờ?

Nếu trong Vũ trụ hiện đại, năng lượng tối đóng góp lớn nhất vào tổng mật độ năng lượng, thì trong quá khứ điều này đã không xảy ra. Giả sử 8 tỷ năm trước, vật chất thông thường đặc hơn 8 lần và mật độ năng lượng tối bằng (hoặc gần giống) như bây giờ. Từ đó, dễ dàng kết luận rằng vào thời điểm đó tỷ lệ giữa năng lượng nghỉ của vật chất bình thường và năng lượng tối nghiêng về phía trước: năng lượng tối là khoảng 15% chứ không phải 72% như ngày nay. Do vật chất thông thường đóng vai trò chính vào thời điểm đó nên sự giãn nở của Vũ trụ chậm lại. Thậm chí trước đó, ảnh hưởng của năng lượng tối đến sự giãn nở còn rất yếu. Điều đáng chú ý là hình ảnh này được xác nhận bằng dữ liệu về siêu tân tinh loại 1a. Điểm xa nhất trong số chúng đã phát nổ cách đây hơn 8 tỷ năm và các phép đo tốc độ của chúng cho thấy sự giãn nở của Vũ trụ thực sự đang chậm lại khi đó. Các quan sát vũ trụ khác cũng cho thấy năng lượng tối không quan trọng trong giai đoạn đầu của quá trình tiến hóa của vũ trụ. Một loạt kết quả như vậy đáng được nhắc tới. Trong khoảng thời gian từ một giây đến vài phút sau Vụ nổ lớn, khi nhiệt độ trong Vũ trụ thay đổi từ 10 tỷ đến hàng trăm triệu độ, các phản ứng nhiệt hạch đang diễn ra tích cực trong plasma vũ trụ. Kết quả là deuterium và các đồng vị của helium và lithium được hình thành. Ở một số nơi trong Vũ trụ, thành phần cơ bản này của vật chất hầu như không thay đổi và người ta có thể đo được nó. Mặt khác, nó có thể được tính toán một cách đáng tin cậy, và kết quả tất nhiên phụ thuộc vào tốc độ giãn nở của Vũ trụ trong kỷ nguyên xa xôi đó. Vì vậy, kết quả tính toán phù hợp với quan sát, nếu chúng ta giả định rằng năng lượng tối khi đó không đóng vai trò gì. Chính xác hơn, sự đóng góp của năng lượng tối (cũng như các dạng năng lượng mới, giả thuyết khác) vào tổng mật độ năng lượng trong các phản ứng nhiệt hạch bị giới hạn ở khoảng 15%. Độ chính xác có vẻ không cao lắm nhưng chúng ta không được quên rằng chúng ta đang nói về những giây đầu tiên sau Vụ nổ lớn! Vì vậy, ảnh hưởng của năng lượng tối và sự gia tốc giãn nở của Vũ trụ là những hiện tượng rất gần đây theo tiêu chuẩn vũ trụ: sự gia tốc chỉ bắt đầu cách đây 6,5 tỷ năm. Mặt khác, do mật độ của vật chất thông thường giảm theo thời gian nhưng mật độ của năng lượng tối thì không, nên bóng tối

TỐI TĂM

NĂNG LƯỢNG

Hình 5. Các giai đoạn tiến hóa đã biết của Vũ trụ: nhiệt độ được biểu thị ở bên trái, tuổi của Vũ trụ được biểu thị ở bên phải

năng lượng sẽ sớm (một lần nữa theo tiêu chuẩn vũ trụ) hoàn toàn chiếm ưu thế. Điều này có nghĩa là giai đoạn tiến hóa vũ trụ hiện nay là giai đoạn chuyển tiếp khi năng lượng tối đã đóng một vai trò đáng chú ý, nhưng sự giãn nở của Vũ trụ không chỉ được xác định bởi nó mà còn bởi vật chất thông thường. Đây có phải là đặc điểm của thời đại chúng ta là sự trùng hợp ngẫu nhiên hay đằng sau nó có một đặc tính sâu xa nào đó của Vũ trụ của chúng ta? Câu hỏi này là tại sao bây giờ? – hiện tại vẫn mở.

Ứng viên cho vai trò mang năng lượng tối

Năng lượng chân không là một hằng số vũ trụ

Nếu không có lực hấp dẫn thì giá trị tuyệt đối của năng lượng sẽ không có ý nghĩa vật lý. Trong tất cả các lý thuyết mô tả tự nhiên, ngoại trừ lý thuyết về tương tác hấp dẫn, chỉ có sự khác biệt về năng lượng của một số trạng thái nhất định là có ý nghĩa. Do đó, khi nói về năng lượng liên kết của một nguyên tử hydro, chúng ta muốn nói đến sự khác biệt giữa hai đại lượng: một mặt là tổng năng lượng nghỉ của một proton và electron tự do, và mặt khác là năng lượng nghỉ của nguyên tử. Chính sự chênh lệch năng lượng này được giải phóng (chuyển sang photon sinh ra) khi một electron và một proton kết hợp để tạo thành một nguyên tử. Theo cách tương tự, khi nói năng lượng nghỉ của một proton, chúng ta thực sự muốn nói đến sự khác biệt giữa năng lượng của trạng thái trong đó có proton và trạng thái không có proton - chân không. Nếu không có tương tác hấp dẫn thì nói về năng lượng chân không sẽ là vô nghĩa; đơn giản là không có gì có thể so sánh được với nó. Tình hình sẽ hoàn toàn khác nếu chúng ta đặc biệt quan tâm đến tương tác hấp dẫn. Năng lượng chân không, giống như bất kỳ năng lượng nào khác, “có trọng lượng” và trọng lực. Chân không là trạng thái có năng lượng thấp nhất (do đó, năng lượng không thể bị lấy đi khỏi nó), nhưng năng lượng này không nhất thiết phải bằng 0; từ quan điểm lý thuyết, nó có thể là tích cực và tiêu cực. Liệu nó có thể được tính toán “từ những nguyên tắc đầu tiên” hay không là một câu hỏi lớn. Nhưng trong mọi trường hợp, năng lượng chân không, nếu nó dương, có chính xác những đặc tính mà năng lượng tối cần phải có. Thật vậy, chân không ở mọi nơi đều giống nhau (ít nhất là ở phần nhìn thấy được của Vũ trụ). Giả sử ngược lại sẽ dẫn đến mâu thuẫn, ví dụ như với các quan sát

TRONG

VŨ TRỤ

sự thay đổi của bức xạ nền vi sóng vũ trụ: trong các chân không khác nhau, tính chất của plasma vũ trụ trong thời đại phát xạ photon cuối cùng sẽ rất khác nhau và nhiệt độ của các photon phát ra cũng sẽ rất khác nhau. Sẽ có những mâu thuẫn không thể vượt qua khác với các quan sát. Vì vậy, chân không ở mọi nơi đều giống nhau. Mật độ năng lượng của nó cũng như nhau. Chân không không thể “đặc” ở đâu đó và “mỏng hơn” ở đâu đó, nếu không nó sẽ không phải là chân không. Do đó, theo yêu cầu đối với năng lượng tối, năng lượng chân không được phân bố đều khắp Vũ trụ. Hơn nữa, với sự giãn nở tương đối chậm của Vũ trụ (và đây chính xác là cách mọi thứ đang diễn ra và đã diễn ra trong quá khứ có thể thấy trước), chân không vẫn giữ nguyên. Các tính chất của chân không được xác định bởi tính chất vật lý của khoảng cách và thời gian cực ngắn, và sự giãn nở chậm của Vũ trụ không ảnh hưởng đến chúng. Do đó, một lần nữa, theo yêu cầu, mật độ năng lượng chân không không phụ thuộc vào thời gian. Như chúng ta đã nói, trong thuyết tương đối rộng, tính chất cuối cùng tự động có nghĩa là năng lượng chân không dẫn đến sự giãn nở tăng tốc của Vũ trụ. Vì vậy, chân không thực sự là một ứng cử viên phù hợp cho vai trò mang năng lượng tối. Chúng tôi nhấn mạnh rằng sự vắng mặt của sự phụ thuộc của mật độ năng lượng vào vị trí trong không gian và thời gian là một tính chất chính xác, không gần đúng của chân không, giúp phân biệt nó với các ứng cử viên khác cho vai trò của năng lượng tối. Mật độ năng lượng chân không là một hằng số phổ quát (ít nhất là trong phần Vũ trụ mà chúng ta quan sát được). Tại sao ý tưởng coi năng lượng tối là năng lượng chân không không làm hài lòng nhiều nhà vật lý? Điều này là do giá trị nhỏ đến mức phi lý của mật độ năng lượng chân không, giá trị cần thiết cho sự thống nhất giữa lý thuyết và quan sát. Trong chân không, các hạt ảo luôn sinh ra và chết đi, trong đó có các chất ngưng tụ trường - nói chung, chân không giống một môi trường phức tạp hơn là một khoảng trống tuyệt đối. Đây không chỉ là suy đoán: các đặc điểm của chân không được phản ánh trong tính chất của các hạt cơ bản và tương tác của chúng và cuối cùng được xác định, mặc dù gián tiếp, từ nhiều thí nghiệm. Về nguyên tắc, năng lượng của chân không phải “biết” nó có cấu trúc như thế nào, cấu trúc của nó là gì và giá trị của các tham số đặc trưng cho nó là gì (ví dụ, trường ngưng tụ). Bây giờ hãy tưởng tượng một nhà lý thuyết đã nghiên cứu vật lý hạt nhưng chưa nghe nói gì về Vũ trụ. Hãy yêu cầu nhà lý thuyết này dự đoán mật độ năng lượng chân không. Dựa trên thang năng lượng đặc trưng của các tương tác cơ bản và thang độ dài tương ứng, anh ta sẽ đưa ra ước tính của mình - và sai lầm với số lần không thể tưởng tượng được. Chúng ta đã nói về điều này: thang năng lượng của các tương tác cơ bản ít nhất là 200 triệu electronvolt, và thang đo yêu cầu từ các quan sát tương ứng với năng lượng chân không (nếu năng lượng tối là năng lượng chân không) là 0,002 electronvolt.

KVANT 2010/№5

Nếu năng lượng tối là năng lượng chân không, thì việc cố gắng hiểu tại sao nó có giá trị nhỏ như vậy có thể được thực hiện bằng cách làm theo logic sau. Chúng ta hãy tưởng tượng rằng Vũ trụ cực kỳ lớn, nó lớn gấp nhiều lần phần chúng ta quan sát được. Chúng ta hãy giả sử thêm rằng ở những phần rất rộng lớn khác nhau của Vũ trụ, có thể tồn tại nhiều trạng thái chân không với mật độ năng lượng rất khác nhau. Nhân tiện, khả năng này không bị loại trừ về mặt lý thuyết. Các khu vực của Vũ trụ nơi có mật độ năng lượng chân không có giá trị tuyệt đối quá cao trông hoàn toàn khác với khu vực của chúng ta: nơi năng lượng chân không lớn và dương, không gian giãn nở nhanh đến mức các ngôi sao và thiên hà đơn giản là không có thời gian để hình thành; ở những vùng có năng lượng chân không âm lớn, sự giãn nở của không gian nhanh chóng nhường chỗ cho sự nén và những vùng này sụp đổ rất lâu trước khi hình thành sao. Trong cả hai trường hợp, sự tiến hóa vũ trụ đều không tương thích với sự tồn tại của những người quan sát như chúng ta. Và ngược lại, chúng ta chỉ có thể xuất hiện ở nơi có mật độ năng lượng chân không rất gần bằng 0 - và đó là nơi chúng ta xuất hiện. Ở đây nảy sinh sự tương tự với một thực tế khá rõ ràng khác: chúng ta tồn tại trên hành tinh Trái đất, ít nhiều phù hợp với sự sống, chứ không phải ở một nơi tùy tiện trong Vũ trụ, nơi không có điều kiện nào cho sự sống. Như họ nói, điều này, quan điểm nhân học về vấn đề năng lượng chân không đã được thể hiện cách đây hơn 20 năm (trong các tác phẩm của A. Linde và S. Weinberg). Bây giờ nó đã trở nên phổ biến trong một bộ phận đáng kể các nhà vật lý lý thuyết. Một phần khác coi đó là một cách để tránh câu hỏi lý do vật lý nào thực sự quyết định một năng lượng chân không quan sát được nhỏ như vậy và liệu bản chất của năng lượng tối có hoàn toàn khác hay không. Cách tiếp cận cân bằng nhất có lẽ là không loại trừ cách giải thích của con người như một đáp số hữu hạn có thể có, mà vẫn cố gắng tìm ra một giải pháp thay thế lời giải cho các vấn đề về năng lượng chân không và năng lượng tối.

Lĩnh vực dễ dàng

Một giải pháp thay thế cho chân không với vai trò là vật mang năng lượng tối có thể là một lĩnh vực mới nào đó “lan rộng” trong Vũ trụ. Trong phiên bản này, năng lượng của trường mới là năng lượng tối. Trường này có lẽ là mới vì sự hiện diện của các trường đã biết (ví dụ, trường điện từ) ở khắp mọi nơi trong Vũ trụ sẽ ảnh hưởng quá nhiều đến hành vi của vật chất và dẫn đến những hiệu ứng lẽ ra đã được phát hiện từ lâu. Ngoài ra, các trường đã biết là năng lượng của chúng không có các đặc tính của năng lượng tối được liệt kê ở trên. Trường mới giả định phải có thang năng lượng 0,002 electronvolt. Mặc dù đây là một quy mô rất nhỏ, nhưng xét về những tương tác đã biết, nó có vẻ không hoàn toàn không hợp lý. Thật vậy, chúng ta đã biết rằng quy mô của các tương tác khác nhau rất khác nhau. Vì vậy, quy mô mạnh mẽ được đề cập

tương tác (200 triệu volt điện tử) nhỏ hơn $10^{19}$ lần so với thang đo của lực hấp dẫn. Tất nhiên, sự khác biệt to lớn như vậy đòi hỏi phải có lời giải thích, nhưng đây là một vấn đề riêng biệt. Trong mọi trường hợp, sự tồn tại của các thang năng lượng khác nhau trong tự nhiên là một thực tế và việc đưa ra một thang năng lượng nhỏ mới dường như không phải là một trở ngại không thể vượt qua. Nói chung, lĩnh vực mới thay đổi trong quá trình tiến hóa của Vũ trụ. Mật độ năng lượng của nó cũng thay đổi. Để sự thay đổi này không diễn ra quá nhanh, lượng tử của trường mới - các hạt mới - phải có khối lượng cực kỳ nhỏ; họ nói lĩnh vực này sẽ dễ dàng. Cuối cùng, một trường mới là một lực mới (cũng như trường hấp dẫn tương ứng với lực hấp dẫn, và trường điện từ tương ứng với lực điện và lực từ). Trường ánh sáng có khối lượng cực thấp là một lực có tầm xa tương tự như trọng lực. Để tránh mâu thuẫn với các thí nghiệm kiểm tra thuyết tương đối rộng, tương tác của trường này với vật chất thông thường phải rất yếu, yếu hơn lực hấp dẫn. Tất cả những đặc tính này có vẻ không hấp dẫn đối với nhà lý thuyết, nhưng chúng có thể chấp nhận được. Điều quan trọng là giả thuyết về một lĩnh vực mới, ít nhất về nguyên tắc, cho phép xác minh bằng thực nghiệm. Đầu tiên, những phép đo chính xác hơn về tốc độ giãn nở của Vũ trụ ở giai đoạn hiện tại và trong quá khứ có thể tiết lộ rằng mật độ năng lượng tối thay đổi theo thời gian. Điều này chắc chắn sẽ bác bỏ giả thuyết về bản chất chân không của năng lượng tối và ngược lại, sẽ đóng vai trò là dấu hiệu cho thấy sự tồn tại của một trường ánh sáng mới trong Vũ trụ. Thứ hai, trong tương lai chúng ta có thể hi vọng khám phá ra sự phân bố không đồng nhất của năng lượng tối trong không gian. Đây sẽ là bằng chứng dứt khoát rằng năng lượng tối là năng lượng trường mới chứ không phải bất cứ thứ gì khác. Mặt khác, ngày nay không có cách nào hữu hình để ghi lại một trường ánh sáng mới trong các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm (tại máy gia tốc, v.v.). Nguyên nhân là do sự tương tác cực kỳ yếu của trường này với vật chất. Tuy nhiên, sự bi quan như vậy có thể chỉ là tạm thời: chúng ta biết quá ít về lĩnh vực mới để loại trừ hoàn toàn khả năng nghiên cứu thực nghiệm trực tiếp của nó trong tương lai. Không bao giờ nói không bao giờ. Các nhà vật lý đang thảo luận về các loại trường ánh sáng giả thuyết khác nhau mà năng lượng của chúng có thể đóng vai trò là năng lượng tối. Nói một cách đơn giản nhất, từ quan điểm lý thuyết, phiên bản, mật độ năng lượng của trường mới giảm dần theo thời gian. Đối với trường thuộc loại này, thuật ngữ “tinh hoa” được sử dụng (đôi khi thuật ngữ “vũ trụ” cũng được sử dụng). Tuy nhiên, không thể loại trừ khả năng ngược lại, khi mật độ năng lượng tăng theo thời gian; trường thuộc loại này được gọi là “ảo”. Phantom sẽ là một lĩnh vực rất kỳ lạ; Không có gì như thế này từng được tìm thấy trong tự nhiên. Sự khác biệt giữa tinh hoa và ảo ảnh, như chúng ta sẽ thảo luận dưới đây, rất quan trọng xét từ quan điểm về tương lai xa của Vũ trụ.

TỐI TĂM

NĂNG LƯỢNG

Trọng lực mới

Cuối cùng, một lời giải thích khả dĩ khác cho năng lượng tối là thực sự không có năng lượng tối. Năng lượng tối phải được viện dẫn để giải thích các đặc điểm của sự giãn nở của Vũ trụ trong trường hợp sự tiến hóa vũ trụ được mô tả bằng thuyết tương đối rộng. Nếu lý thuyết này không thể áp dụng được trên thang thời gian và độ dài vũ trụ hiện đại thì không cần đến năng lượng tối. Tất nhiên, quan điểm này về năng lượng tối không thể bỏ qua thực tế là thuyết tương đối rộng đã được kiểm tra kỹ lưỡng ở những thang khoảng cách nhỏ hơn. Vì vậy, cần phải tạo ra một lý thuyết mới về lực hấp dẫn, lý thuyết này sẽ chuyển thành thuyết tương đối rộng ở khoảng cách tương đối ngắn, nhưng sẽ mô tả khác đi sự tiến hóa của Vũ trụ ở các giai đoạn sau, gần với chúng ta. Đây là một bài toán khó, đặc biệt nếu xét đến yêu cầu tự thống nhất, nhất quán nội tại của lý thuyết. Tuy nhiên, những nỗ lực như vậy đang được thực hiện và một số trong số đó có vẻ khá hứa hẹn. Một khả năng là ngừng coi hằng số hấp dẫn phổ quát của Newton là một hằng số và cho phép nó biến đổi trong không gian và thời gian, tuân theo các phương trình nhất định. Thật không may, những phiên bản đẹp đẽ nhất của lý thuyết nhận ra khả năng này đã bị các thí nghiệm kiểm tra thuyết tương đối rộng bác bỏ. Nếu bạn không theo đuổi cái đẹp, thì các mô hình giải thích sự giãn nở nhanh chóng của Vũ trụ và phù hợp với mọi điều đã biết về lực hấp dẫn có thể được xây dựng dọc theo con đường này. Những mô hình như vậy, như một quy luật, dự đoán những sai lệch so với lý thuyết tương đối rộng, mặc dù nhỏ nhưng trong tương lai có thể được phát hiện bằng thực nghiệm. Chúng ta cũng hãy lưu ý ý tưởng rằng không gian của chúng ta có thể có nhiều hơn ba chiều, trong khi các chiều bổ sung không tự biểu hiện ở những khoảng cách thông thường. Đồng thời, ở khoảng cách vũ trụ hàng tỷ năm ánh sáng, các đường sức hấp dẫn có thể “lan rộng” ra các chiều bổ sung, đó là lý do tại sao lực hấp dẫn sẽ không còn được mô tả bằng định luật Newton nữa. Quy luật giãn nở của Vũ trụ cũng có thể thay đổi. Một lý thuyết hoàn toàn thỏa đáng giải thích sự giãn nở nhanh chóng của Vũ trụ theo cách này vẫn chưa được xây dựng; Trong các mô hình được đề xuất cho đến nay, ý tưởng này mới chỉ được thực hiện một phần. Tuy nhiên, điều đáng chú ý là những mô hình này dẫn đến những dự đoán có thể kiểm chứng được bằng thực nghiệm. Trong số đó có khả năng thay đổi định luật hấp dẫn của Newton ở khoảng cách ngắn; những hiệu chỉnh nhỏ nhưng có thể phát hiện được đối với thuyết tương đối tổng quát trong hệ mặt trời, v.v. Vì vậy, những đặc điểm được phát hiện gần đây về sự giãn nở của Vũ trụ đã đặt ra một câu hỏi mới: chúng là do năng lượng của chân không, năng lượng của trường ánh sáng mới hay lực hấp dẫn mới ở khoảng cách siêu dài? Nghiên cứu lý thuyết về những khả năng này đang được tiến hành đầy đủ.

TRONG

VŨ TRỤ

re và đáp số, như thường lệ trong vật lý, cuối cùng sẽ được đưa ra bởi các thí nghiệm mới.

Năng lượng tối và tương lai của vũ trụ

Với việc phát hiện ra năng lượng tối, những ý tưởng về tương lai xa của Vũ trụ của chúng ta sẽ như thế nào đã thay đổi đáng kể. Trước phát hiện này, câu hỏi về tương lai rõ ràng gắn liền với câu hỏi về độ cong của không gian ba chiều. Nếu, như nhiều người tin trước đây, độ cong của không gian bằng 2/3 xác định tốc độ giãn nở hiện tại của Vũ trụ và không có năng lượng tối, thì Vũ trụ sẽ giãn nở vô hạn, dần dần chậm lại. Bây giờ rõ ràng là tương lai được xác định bởi các đặc tính của năng lượng tối. Vì hiện tại chúng ta biết rất ít những đặc tính này nên chúng ta chưa thể dự đoán được tương lai. Bạn chỉ có thể xem xét các lựa chọn khác nhau. Thật khó để nói điều gì xảy ra trong các lý thuyết với lực hấp dẫn mới, nhưng bây giờ chúng ta có thể thảo luận những kịch bản khác. Nếu năng lượng tối không đổi theo thời gian, như trường hợp năng lượng chân không, thì Vũ trụ sẽ luôn trải qua quá trình giãn nở tăng tốc. Hầu hết các thiên hà cuối cùng sẽ di chuyển ra xa thiên hà của chúng ta đến một khoảng cách rất xa, và Thiên hà của chúng ta, cùng với một số thiên hà lân cận của nó, sẽ trở thành một hòn đảo trong khoảng không. Nếu năng lượng tối là tinh túy thì trong tương lai xa quá trình giãn nở tăng tốc có thể dừng lại và thậm chí được thay thế bằng sự nén. Trong trường hợp thứ hai, vật chất trong Vũ trụ sẽ trở lại trạng thái nóng và đậm đặc, và một “Vụ nổ lớn ngược” sẽ xảy ra ngược thời gian. Một số phận thậm chí còn kịch tính hơn đang chờ đợi Vũ trụ nếu năng lượng tối là một bóng ma, và mật độ năng lượng của nó tăng lên vô hạn. Sự giãn nở của Vũ trụ sẽ ngày càng nhanh, nó sẽ tăng tốc đến mức các thiên hà sẽ bị xé ra khỏi các cụm, các ngôi sao từ các thiên hà, các hành tinh từ hệ mặt trời. Sẽ đến mức các electron sẽ tách ra khỏi nguyên tử và hạt nhân nguyên tử sẽ tách thành proton và neutron. Như họ nói, sẽ có một sự đột phá lớn. Tuy nhiên, một kịch bản như vậy dường như không có nhiều khả năng xảy ra. Rất có thể, mật độ năng lượng của bóng ma sẽ vẫn bị hạn chế. Nhưng ngay cả khi đó, Vũ trụ vẫn có thể phải đối mặt với một tương lai bất thường. Thực tế là trong nhiều lý thuyết, hành vi của bóng ma - sự gia tăng mật độ năng lượng theo thời gian - đi kèm với sự bất ổn của trường ảo. Trong trường hợp này, trường ảo trong Vũ trụ sẽ trở nên rất không đồng nhất, mật độ năng lượng của nó ở các phần khác nhau của Vũ trụ sẽ khác nhau, một số phần sẽ nhanh chóng giãn nở và một số có thể bị sụp đổ. Số phận của Thiên hà của chúng ta sẽ phụ thuộc vào khu vực nó rơi vào. Tuy nhiên, tất cả những điều này đều liên quan đến tương lai, thậm chí còn xa xôi nếu xét theo tiêu chuẩn vũ trụ. Trong 20 tỷ năm tới, Vũ trụ sẽ gần như giữ nguyên như hiện nay. Chúng ta có thời gian để hiểu các đặc tính của năng lượng tối và từ đó dự đoán tương lai chắc chắn hơn và thậm chí có thể tác động đến nó.