Chủ Nhật, 10 tháng 5, 2015

Đi tìm lời giải thích bí ẩn năng lượng tối làm tăng tốc giãn nở vũ trụ

Chia sẻ bài viết này
How do we think about something we can’t see and don’t experience in our everyday lives, but seems to be pushing our universe apart ever faster? (NASA, ESA, G. Illingworth, D. Magee, and P. Oesch (University of California, Santa Cruz), R. Bouwens (Leiden University), and the HUDF09 Team, CC BY 4.0)
Làm thế nào chúng ta lại nghĩ đến một loại vật chất mà chúng ta không nhìn thấy cũng không cảm nhận được trong đời sống hàng ngày nhưng dường như đang làm vũ trụ giãn nở nhanh hơn bao giờ hết? (NASA, ESA, G. Illingworth, D. Magee, và P. Oesch (Đại học California, Santa Cruz), R. Bouwens (Đại học Leiden), và nhóm nghiên cứu HUDF09, CC BY 4.0)
Bản chất của năng lượng tối là một trong những vấn đề trọng tâm và hóc búa nhất của giới khoa học. Nhưng chính xác năng lượng tối là gì và tại sao chúng ta tin rằng nó thực sự tồn tại?
Bạn hãy thử suy ngẫm một chút về một hiện tượng rất quen thuộc: điều gì sẽ xảy ra khi bạn ném một quả bóng vào không trung? Nó sẽ từ từ chậm lại dưới ảnh hưởng của lực hấp dẫn, cuối cùng nó sẽ ngừng lại giữa không trung và rơi trở lại mặt đất. Tất nhiên, nếu lực ném quả bóng đủ lớn (khoảng 25.000 dặm một giờ), nó sẽ thoát hoàn toàn khỏi sức hút của Trái Đất và bắn vào không gian, và không bao giờ quay trở lại. Nhưng ngay cả trong trường hợp đó, lực hấp dẫn sẽ tiếp tục kéo quả bóng một cách yếu ớt, làm vận tốc của nó chậm lại khi nó thoát khỏi sức hút của Trái Đất.
Mô hình này cho thấy các ‘mặt cắt’ không gian tại những mốc thời gian khác nhau khi vũ trụ giãn nở. (Ævar Arnfjord Bjarmason, CC BY-SA)
Nhưng hãy thử tưởng tượng một cái gì đó hoàn toàn khác. Giả sử như bạn ném một quả bóng vào không trung, và thay vì bị hút trở lại mặt đất, quả bóng bị chính Trái Đất đẩy ra và lao nhanh, và nhanh hơn nữa lên bầu trời. Thật ngạc nhiên phải không? Nhưng các nhà thiên văn học đã quan sát được hiện tượng này đang thực sự xảy ra cho toàn bộ vũ trụ!
Gần một thế kỷ qua, các nhà khoa học đã nhận ra rằng vũ trụ đang giãn nở với tất cả các thiên hà đang ngày càng tách xa ra khỏi nhau. Mãi cho đến gần đây, các nhà khoa học tin vẫn rằng chỉ có hai khả năng có thể xảy ra cho vũ trụ trong tương lai. Nó có thể giãn nở mãi mãi (như quả bóng mà bạn ném lên với vận tốc 25.000 dặm một giờ), nhưng sự giãn nở sẽ chậm lại khi lực hấp dẫn kéo tất cả các thiên hà lại với nhau. Hoặc có thể cuối cùng lực hấp dẫn sẽ chiến thắng và quá trình giãn nở vũ trụ sẽ ngưng lại, cuối cùng nó sẽ co lại và sụp đổ, giống như quả bóng của bạn rơi mạnh xuống mặt đất.
Vì vậy, hãy tưởng tượng các nhà khoa học đã ngạc nhiên đến mức nào khi vào năm 1998, hai nhóm các nhà thiên văn học đã phát hiện ra rằng cả hai hiện tượng trên đều sẽ không xảy ra. Các nhà thiên văn học đã đo tốc độ giãn nở của vũ trụ khi nó còn trẻ hơn nhiều so với ngày nay. Nhưng làm thế nào họ có thể làm điều này mà không cần xây dựng một cỗ máy thời gian?
May mắn thay, kính thiên văn chính là một cỗ máy thời gian. Khi bạn nhìn lên những ngôi sao trên bầu trời đêm, điều bạn nhìn thấy không phải là các ngôi sao đó ở thời điểm hiện tại mà bạn đang nhìn thấy ánh sáng phát ra từ các ngôi sao từ rất lâu rồi — thường là cách đây hàng trăm năm. Bằng cách nhìn vào các siêu tân tinh xa xôi, thường là những ngôi sao sáng rực rỡ, các nhà thiên văn có thể nhìn lại hàng trăm triệu năm trước. Sau đó, họ có thể đo tốc độ giãn nở trong quá khứ bằng cách so sánh khoảng cách đến các siêu tân tinh xa xôi với vận tốc mà chúng đang bay ra xa khỏi chúng ta. Và bằng cách so sánh tốc độ giãn nở của vũ trụ vào hàng trăm triệu năm trước đây với tỷ lệ giãn nở ngày hôm nay, các nhà thiên văn học phát hiện ra rằng vũ trụ đang tăng tốc giãn nở thay vì chậm lại như chúng ta từng dự đoán.
Thay vì kéo các thiên hà trong vũ trụ lại với nhau, lực hấp dẫn dường như đang đẩy chúng ra xa nhau. Nhưng làm thế nào lực hấp dẫn có thể có tác dụng ngược lại, khi trải nghiệm hàng ngày của chúng ta cho thấy nó đang hút mọi thứ lại với nhau? Thuyết tương đối của Einstein trên thực tế dự đoán rằng lực hấp dẫn có thể đẩy cũng như hút, nhưng chỉ trong những hoàn cảnh rất đặc biệt.
Điều gì đang đẩy các thiên hà ra khỏi nhau trong bức ảnh chụp bởi kính viễn vọng Hubble? (NASA và A. Riess (STScI), CC BY)
Lực phản hấp dẫn này được quy cho một dạng năng lượng mới, được đặt tên là “năng lượng tối”, với các đặc tính rất kỳ lạ. Không giống như các vật chất thông thường, năng lượng tối có áp suất âm và chính áp suất âm này làm cho lực hấp dẫn có tác dụng ‘đẩy’. (Đối với vật chất thông thường, lực hấp dẫn luôn là lực hút). Có vẻ như năng lượng tối tồn tại xuyên suốt toàn bộ vũ trụ, và nó tương tác với vật chất thông thường chỉ thông qua tác dụng của lực hấp dẫn, nên nó gần như không thể thử nghiệm được trong phòng thí nghiệm.
Các nhà khoa học từng nghĩ rằng sự giãn nở của vũ trụ được mô tả bởi các đường cong màu vàng, xanh lá cây, hoặc xanh dương. Nhưng bất ngờ là nó lại là đường cong màu đỏ.
Có hai hình thức đơn giản nhất của năng lượng tối: một hằng số vũ trụ học hoặc năng lượng chân không. Năng lượng chân không có một thuộc tính khác lạ. Hãy tưởng tượng vũ trụ giống như một cái hộp giấy đang phồng ra. Tổng số vật chất trong hộp vẫn như thế nhưng cái hộp thì không ngừng phồng ra, tức là thể tích của hộp tăng lên, vì vậy mật độ vật chất trong hộp giảm xuống. Trên thực tế, mật độ của tất cả mọi vật chất đều giảm xuống khi vũ trụ nở ra, ngoại trừ năng lượng chân không — mật độ của nó vẫn như thế. (Vâng, điều đó nghe thật kỳ lạ. Nó giống như kéo dài kẹo dẻo taffy và phát hiện ra rằng nó không mỏng đi chút nào).
Các nhà thiên văn tiếp tục thăm dò bầu trời, tìm kiếm các chi tiết rõ nét hơn để xây dựng thêm những phỏng đoán về năng lượng tối. (Reidar Hahn, CC BY)
Vì năng lượng tối không thể bị cô lập hoặc thăm dò trong phòng thí nghiệm, làm sao chúng ta có thể hy vọng sẽ hiểu được chính xác nó được tạo nên từ cái gì? Những giả thuyết khác nhau về năng lượng tối có những dự đoán hơi khác nhau về cách vũ trụ giãn nở theo thời gian, vì vậy hy vọng lớn nhất về việc thăm dò năng lượng tối có vẻ như sẽ nhờ đến các phép đo chính xác hơn về sự tăng tốc của vũ trụ, dựa vào khám phá đầu tiên hồi 17 năm về trước (thí nghiệm năm 1998 kể trên). Các nhóm nghiên cứu khoa học khác nhau hiện đang thực hiện một loạt các phương thức đo đạc. Ví dụ như cuộc khảo sát Năng lượng tối đang lập ra bản đồ về sự phân bố của các thiên hà trong vũ trụ để giúp giải đáp câu đố này.
Còn một khả năng nữa: có thể các nhà khoa học đã đi nhầm đường. Có lẽ năng lượng tối không có thực, và chúng ta có được những số liệu cho thấy thuyết tương đối của Einstein là sai và cần phải thay đổi. Đây sẽ là một công việc đầy khó khăn bởi vì khi chúng ta thử nghiệm lý thuyết của Einstein trong Hệ Mặt Trời thì thu được kết quả vô cùng chính xác. (Hãy đối mặt với điều này, Einstein thực sự hiểu những gì ông đang làm). Cho đến nay, chưa ai có thể cải tiến thuyết tương đối Einstein để dự đoán đúng về sự giãn nở của vũ trụ nhưng vẫn phù hợp với lý thuyết của Einstein bên trong Hệ Mặt Trời. Tôi dừng lại ở đây để các bạn suy ngẫm về điều này.
http://vietdaikynguyen.com/v3/53534-explainer-the-mysterious-dark-energy-that-speeds-the-universes-rate-of-expansion/