Báo hay cho người bận rộn

Những bí ẩn lớn nhất của vật lý hiện đại

0

Những bí ẩn lớn nhất của vật lý hiện đại

9-bi-n-lon-nhat-cua-vat-ly-hien-dai-page-2

                                           Vật chất và phản vật chất

Vật chất và phản vật chất

Câu hỏi tại sao lại có quá nhiều vật chất so với các phản vật chất – mang điện tích và spin trái ngược, chính xác phải là tại sao mọi thứ lại tồn tại? Nếu vũ trụ có sự cân bằng đối xứng giữa hai loại, ở thời điểm Big Bang, một lượng bằng nhau của vật chất và phản vật chất phải được sinh ra.

Nhưng nếu điều đó xảy ra, chúng sẽ nhanh chóng triệu tiêu lẫn nhau: proton triệt tiêu phản proton, electron triệt tiêu phản electron (positron)… Cuối cùng, vũ trụ sẽ không có vật chất, chỉ còn lại các photon ánh sáng.

Vì một vài lý do nào đó, có nhiều vật chất không bị triệt tiêu và vũ trụ hình thành như ngày nay. Bí ẩn này vẫn chưa có lời giải. Một thí nghiệm chi tiết nhất vào tháng 8/2015 đã đi tới kết luận vật chất và phản vật chất giống như hình ảnh phản chiếu qua gương của nhau, càng không thể lý giải được tại sao vật chất trong vũ trụ lại phổ biến hơn rất nhiều.

Kết thúc của vũ trụ

Kết thúc của vũ trụ phụ thuộc vào một yếu tố không rõ giá trị: Ω, thước đo mật độ vật chất và năng lượng của cả vũ trụ. Nếu Ω lớn hơn 1, không thời gian sẽ “đóng” giống như bề mặt một quả cầu khổng lồ. Nếu không có năng lượng tối, vũ trụ sẽ ngừng mở rộng, bắt đầu thu nhỏ lại và sụp đổ. Sự kiện này được gọi là “vụ co lớn – Big Crunch”, quá trình khởi đầu cho một vụ nổ lớn – Big Bang khác. Nếu vũ trụ là kín nhưng năng lượng tối tồn tại, quả cầu vũ trụ sẽ mở rộng mãi mãi.

9-bi-n-lon-nhat-cua-vat-ly-hien-dai-page-2-1

Mô phỏng kết thúc của vũ trụ. Ảnh: Shutterstock

Ngược lại, nếu Ω nhỏ hơn 1, dạng hình học của không gian sẽ “mở” như bề mặt của một cái yên ngựa. Trong trường hợp này, vũ trụ sẽ kết thúc bằng một “vụ đóng băng lớn – Big Freeze”, hậu quả của “vụ xé lớn – Big Rip”: đầu tiên, gia tốc vùng ngoài vũ trụ sẽ “xé” các thiên hà và các ngôi sao ra, để lại vật chất lạnh lẽo. Tiếp theo, gia tốc vẫn tiếp tục tăng mạnh tới mức thắng được các lực liên kết giữ các nguyên tử với nhau, tất cả đều bị phân rã.

Nếu Ω bằng 1, vũ trụ sẽ phẳng, mở rộng như một mặt phẳng về mọi hướng. Nếu không có năng lượng tối, nó sẽ mở rộng với tốc độ giảm dần, cuối cùng là dừng lại. Nếu có năng lượng tối, vũ trụ phẳng sẽ mở rộng và cuối cùng trải qua “vụ xé lớn”.

Tóm lại, dù có thế nào thì vũ trụ cũng đang chết dần. Đây là kết luận từ tiểu luận của nhà vật lý thiên văn Paul Sutter vào tháng 12/2015.

Cơ học lượng tử là luật trong thế giới kỳ lạ của những electron, photon và các hạt cơ bản khác. Chúng biểu hiện không giống hạt mà giống như sóng tỏa đi khắp nơi.

9-bi-n-lon-nhat-cua-vat-ly-hien-dai-page-2-2

Các hạt vi mô biểu hiện giống như sóng. Ảnh: John D. Norton

Mỗi hạt được đặc trưng bởi một hàm sóng, hay đúng hơn là một phân bố xác suất, cho biết các thông tin về vị trí, vận tốc và các tính chất khác có vẻ như thế nào, nhưng không chính xác là các tính chất đó. Mỗi hạt có một dải giá trị cho các tính chất như vâỵ, cho tới khi tiến hành một phép đo. Khi đó, hàm sóng của hạt sẽ “sụp đổ” để cho một giá trị duy nhất.

Nhưng làm thế nào và tại sao tiến hành đo đạc lại làm hàm sóng sụp đổ, tạo ra một thực tế cụ thể mà ta quan sát? Đây được gọi là vấn đề đo lường, có vẻ huyền bí, nhưng hiểu biết của con người về bản chất của hiện thực có thể là chìa khóa cho câu trả lời.

Thuyết dây có đúng không?

Khi các nhà vật lý cho rằng tất cả các hạt cơ bản thực chất là các vòng một chiều, hoặc “dây”, mỗi dây dao động ở một tần số khác nhau, vật lý trở nên dễ hiểu hơn nhiều.

Thuyết dây cho phép giải quyết mâu thuẫn giữa cơ học lượng tử và thuyết tương đối tổng quát, và có thể thống nhất 4 lực cơ bản của tự nhiên (hấp dẫn, điện từ, tương tác mạnh, tương tác yếu) làm một.

Tuy nhiên, vấn đề là thuyết dây chỉ đúng nếu không gian có 10 hoặc 11 chiều: 3 chiều không gian rộng, 6 hoặc 7 chiều không gian hẹp và 1 chiều thời gian. Các chiều không gian hẹp – giống như các dây dao động, có kích thước khoảng một phần tỷ của một phần nghìn tỷ kích thước của một hạt nhân nguyên tử. Không có cách nào phát hiện một thứ nhỏ như vậy nên không thể dùng thực nghiệm để chứng thực hay bác bỏ thuyết dây.

9-bi-n-lon-nhat-cua-vat-ly-hien-dai-page-2-3

Đa tạp Calabi-Yau trong thuyết dâ. Ảnh: Creative Commons | Lunch

Có trật tự trong hỗn loạn không?

Các nhà vật lý không thể giải chính xác hệ phương trình mô tả biểu hiện của các chất lỏng, từ nước tới không khí và cả các chất lỏng, khí khác. Thực tế là không ai biết liệu có nghiệm chung cho cái gọi là các phương trình Navier-Stokes hay không. Nếu có, thì nó có mô tả được biểu hiện của chất lỏng ở bất cứ đâu, hay bao hàm được cả các “điểm kỳ dị” không?

Kết quả là, tính hỗn loạn của tự nhiên chưa được hiểu tường tận. Các nhà toán học và vật lý tự hỏi, thời tiết chỉ là khó nắm bắt hay thực sự không thể nắm bắt, dự đoán? Các nhiễu loạn là vượt qua khả năng mô tả của toán học, hay tất cả sẽ được giải đáp nếu sử dụng đúng phương pháp tính toán?

Nguyễn Thành Minh, VnExpress

Có thể bạn sẽ thích

Bình Luận

Your email address will not be published.