Một số nhà vật lý tin rằng vũ trụ chúng ta đang sống là một hình 3 chiều khổng lồ 

Bình luận Văn Thiện • 01:24, 13/08/20

Một số nhà vật lý thực sự tin rằng vũ trụ chúng ta đang sống không phải là một dạng mô phỏng như trong phim Ma trận (The Matrix), mà có thể là một hình 3 chiều được chiếu xạ từ một ảnh 2 chiều giống như nguyên lý toàn ảnh.

Có thể lý giải như sau: Một bề mặt 2 chiều xa xôi nào đó chứa tất cả dữ liệu cần thiết để mô tả đầy đủ thế giới của chúng ta và dữ liệu này được chiếu lên 3 chiều. Giống như các nhân vật trên màn hình TV, họ sống trên một bề mặt phẳng nhưng trông như thể nó có chiều sâu.

Nghe có vẻ vô lý. Nhưng khi các nhà vật lý cho rằng nếu khả năng này đúng, thì tất cả các loại vấn đề lớn của vật lý - chẳng hạn như bản chất của lỗ đen và sự dung hòa giữa lực hấp dẫn và cơ học lượng tử - trở nên dễ giải quyết hơn nhiều. Nói tóm lại, các định luật vật lý dường như có ý nghĩa hơn khi được viết dưới dạng 2 chiều hơn là 3 chiều.

Leonard Susskind, nhà vật lý tại Đại học Stanford, người đầu tiên chính thức xác định ý tưởng cách đây nhiều thập kỷ cho biết: “Nguyên lý toàn ảnh không được coi là một suy đoán ngông cuồng giữa hầu hết các nhà vật lý lý thuyết. Nó đã trở thành một công cụ làm việc hàng ngày để giải quyết các vấn đề trong vật lý”.

Nhưng có một sự khác biệt quan trọng cần được nhắc đến ở đây. Không có bằng chứng trực tiếp nào cho thấy vũ trụ của chúng ta thực sự là một hình toàn ảnh 2 chiều. Tức là, khả năng cao vũ trụ của chúng ta là một hình toàn ảnh 3 chiều. Và cho đến nay, không phải tất cả các nhà vật lý đều tin rằng chúng ta có cách hữu hiệu để kiểm tra ý tưởng bằng thực nghiệm.

Ý tưởng cho rằng vũ trụ có thể là một ảnh 3 chiều đến từ đâu?

Ý tưởng ban đầu xuất phát từ một cặp nghịch lý liên quan đến các lỗ đen.

1) Vấn đề mất thông tin lỗ đen

Năm 1974, nhà vật lý nổi tiếng Stephen Hawking phát hiện ra rằng trái với những gì lâu nay vẫn nghĩ, các lỗ đen thực sự phát ra một lượng bức xạ nhỏ theo thời gian. Cuối cùng, khi năng lượng này thoát ra khỏi chân trời sự kiện - rìa ngoài của lỗ đen - thì lỗ đen sẽ hoàn toàn biến mất.

Hình minh họa bức xạ thoát ra từ lỗ đen. (Ảnh: Communicate Science)
Hình minh họa bức xạ thoát ra từ lỗ đen. (Ảnh: Communicate Science)

Tuy nhiên, ý tưởng này dẫn đến vấn đề mất thông tin lỗ đen. Người ta từ lâu đã cho rằng thông tin vật lý không thể bị phá hủy: Tất cả các hạt hoặc vẫn giữ nguyên dạng ban đầu của chúng hoặc nếu chúng thay đổi, sự thay đổi đó sẽ tác động đến các hạt khác, do đó, tập hợp trạng thái ban đầu của các hạt đầu tiên có thể được suy ra ở thời điểm cuối.

Tương tự, hãy nghĩ về một chồng tài liệu được nạp qua máy hủy tài liệu. Mặc dù chúng được cắt thành những mảnh nhỏ, nhưng thông tin trên mảnh giấy vẫn tồn tại. Nó đã bị cắt thành những mảnh nhỏ, nhưng nó không biến mất, và có đủ thời gian, các tài liệu có thể được tập hợp lại để bạn biết những gì được viết trên chúng lúc ban đầu. Về bản chất, điều tương tự cũng được cho là đúng với các hạt.

Nhưng có một vấn đề: Nếu một lỗ đen biến mất, thì thông tin có trong bất kỳ vật thể nào có thể bị hút vào đó dường như cũng biến mất.

Một giải pháp được đề xuất bởi Susskind và nhà vật lý Hà Lan Gerard 't Hooft vào giữa những năm 90, đó là khi một vật thể bị kéo vào một lỗ đen, nó sẽ để lại một số loại dấu vết 2D được mã hóa trên đường chân trời sự kiện. Sau đó, khi bức xạ thoát khỏi lỗ đen, nó sẽ xuất ra dấu ấn của dữ liệu này. Bằng cách này, thông tin không thực sự bị phá hủy.

Và các tính toán của họ đã chỉ ra rằng chỉ trên bề mặt 2D của một lỗ đen, bạn có thể lưu trữ đủ thông tin để mô tả hoàn toàn bất kỳ vật thể 3D nào bên trong nó.

Susskind nói: “Sự tương tự mà cả hai chúng tôi đều nghĩ về một hình ảnh 3 chiều - một đoạn phim 2 chiều có thể mã hóa tất cả thông tin trong một vùng không gian 3 chiều.

2) Bài toán entropy

Cũng có một vấn đề liên quan là tính toán lượng entropy trong một lỗ đen - tức là độ hỗn loạn và ngẫu nhiên giữa các hạt của nó. Vào những năm 70, Jacob Bekenstein đã tính toán rằng entropy của lỗ đen là giới hạn và giới hạn này tỷ lệ với diện tích 2D của chân trời sự kiện của lỗ đen.

Juan Maldacena, một nhà vật lý người Argentina tham gia nghiên cứu nguyên lý toàn ảnh cho biết: “Đối với các hệ vật chất thông thường, entropy tỷ lệ với thể tích chứ không phải diện tích”. Cuối cùng, ông và những người khác cũng thấy rằng điều này cũng chỉ ra ý tưởng rằng thứ trông giống như một vật thể 3D - một lỗ đen - có thể được hiểu rõ nhất chỉ khi sử dụng 2 chiều.

Làm thế nào ý tưởng vũ trụ toàn ảnh này đi từ lỗ đen đến toàn bộ vũ trụ?

Không có bằng chứng nào cho thấy lỗ đen là hình ảnh 3 chiều. Nhưng ngay từ đầu, Susskind nói, các nhà vật lý đã nhận ra rằng việc nhìn toàn bộ vũ trụ như một vật thể 2 chiều có thể giúp giải quyết một số vấn đề sâu hơn trong vật lý lý thuyết. Và toán học cũng hoạt động tốt cho dù bạn đang nói về một lỗ đen, một hành tinh hay toàn bộ vũ trụ.

Năm 1998, Maldacena chứng minh rằng một vũ trụ giả định có thể là một hình 3 chiều. Vũ trụ này của ông nằm trong không gian gọi là không gian anti-de Sitter (có hình dạng cong trái ngược với vũ trụ của chúng ta, được cho là phẳng):

Không gian Anti-de Sitter (trái) tự uốn cong. Vũ trụ của chúng ta (bên phải) được cho là phẳng. (Ảnh: Physics Mill)
Không gian Anti-de Sitter (trái) tự uốn cong. Vũ trụ của chúng ta (bên phải) được cho là phẳng. (Ảnh: Physics Mill)

Hơn nữa, bằng cách quan sát vũ trụ này theo 2 chiều, ông đã tìm ra cách tạo ra ý tưởng ngày càng phổ biến về lý thuyết dây - một khuôn khổ rộng rãi trong đó các yếu tố cơ bản của vũ trụ là các dây một chiều, chứ không phải là các hạt.

Và quan trọng hơn nữa, bằng cách làm như vậy, ông đã thống nhất hai khái niệm cực kỳ quan trọng, khác nhau trong vật lý học dưới một khung lý thuyết. Maldacena nói: “Nguyên lý toàn ảnh kết nối lý thuyết về lực hấp dẫn với các lý thuyết vật lý hạt”.

Việc kết hợp 2 lý thuyết cơ bản này thành một lý thuyết thống nhất duy nhất (thường được gọi là hấp dẫn lượng tử) vẫn là một trong những thánh địa vật lý. Vì vậy, nguyên lý toàn ảnh làm cho nó có thể tồn tại trong vũ trụ giả định này là một thành tựu lớn.

Tất nhiên, tất cả những điều này vẫn hoàn toàn khác với việc nói rằng vũ trụ thực tế của chúng ta - không phải giả thuyết kỳ lạ này - là một hình 3 chiều.

Nhưng liệu vũ trụ của chúng ta có thể thực sự là một hình 3 chiều - hay ý tưởng chỉ áp dụng cho những vũ trụ giả định?

Đó vẫn là một vấn đề tranh luận tích cực. Nhưng có một số công trình lý thuyết gần đây cho thấy nguyên lý toàn ảnh cũng có thể hoạt động đối với vũ trụ của chúng ta - bao gồm cả một bài báo nổi tiếng của các nhà vật lý người Áo và Ấn Độ.

Giống như Maldacena, họ cũng tìm cách sử dụng nguyên lý toàn để tìm ra sự tương đồng giữa các lĩnh vực khác nhau của vật lý lượng tử và lý thuyết hấp dẫn. Trong vũ trụ của chúng ta, hai lý thuyết này thường không phù hợp với nhau: Chúng dự đoán các kết quả khác nhau liên quan đến hành vi của hạt nào đó.

Nhưng trong bài báo mới, các nhà vật lý đã tính toán xem những lý thuyết này sẽ dự đoán mức độ vướng víu lượng tử như thế nào - hiện tượng lượng tử kỳ lạ trong đó trạng thái của 2 hạt nhỏ bé có thể trở nên tương quan để một sự thay đổi đối với hạt này có thể ảnh hưởng đến hạt kia, ngay cả khi chúng ở rất xa. Họ phát hiện ra rằng bằng cách xem một mô hình cụ thể của vũ trụ phẳng dưới dạng hình ảnh 3 chiều, họ thực sự có thể thu được kết quả của cả 2 lý thuyết để khớp với nhau.

Tuy nhiên, mặc dù điều này gần với vũ trụ của chúng ta hơn một chút so với vũ trụ mà Maldacena giả định, nó chỉ là một loại không gian phẳng cụ thể và các tính toán của họ không tính đến thời gian - chỉ là 3 chiều không gian khác. Hơn nữa, ngay cả khi điều này áp dụng trực tiếp vào vũ trụ của chúng ta, nó sẽ chỉ cho thấy rằng nó  thể là một hình 3 chiều. Nó không phải là bằng chứng mạnh.

Làm thế nào chúng ta có thể chứng minh rằng vũ trụ là một hình 3 chiều?

Loại chứng minh tốt nhất sẽ bắt đầu với một số dự đoán có thể kiểm tra được bằng lý thuyết toàn ảnh. Sau đó, các nhà vật lý thực nghiệm có thể thu thập bằng chứng để xem liệu nó có khớp với dự đoán hay không. Ví dụ, lý thuyết về Vụ nổ lớn dự đoán rằng chúng ta có thể tìm thấy một số dạng năng lượng còn sót lại phát ra khắp vũ trụ do kết quả của giai đoạn vũ trụ lạm phát cách đây 13,8 tỷ năm - và vào những năm 1960, các nhà thiên văn đã tìm thấy chính xác điều đó, dưới dạng nền vi sóng vũ trụ (CMB).

Hiện tại, không có thử nghiệm được chấp nhận rộng rãi nào cung cấp bằng chứng chắc chắn cho ý tưởng này. Tuy nhiên, một số nhà vật lý tin rằng nguyên lý toàn ảnh dự đoán có giới hạn về lượng thông tin không thời gian có thể chứa, vì không thời gian dường như 3D của chúng ta được mã hóa bởi lượng thông tin 2D hữu hạn.

Giao thoa kế Holometer của Fermilab, được sử dụng trong các thử nghiệm mà một số người cho rằng có thể tìm thấy bằng chứng cho nguyên lý toàn ảnh. (Ảnh: Fermilab)
Giao thoa kế Holometer của Fermilab, được sử dụng trong các thử nghiệm mà một số người cho rằng có thể tìm thấy bằng chứng cho nguyên lý toàn ảnh. (Ảnh: Fermilab)

Nhà nghiên cứu Craig Hogan của Fermilab và những người khác đang sử dụng một công cụ gọi là Holomoter để tìm kiếm bằng chứng về vũ trụ toàn ảnh. Thiết bị này dựa vào các tia laser mạnh mẽ để dò xem liệu - ở cấp độ siêu nhỏ, dưới kính hiển vi - có giới hạn cơ bản về lượng thông tin trong chính không thời gian hay không. Nếu có, họ nói, đó có thể là bằng chứng cho thấy chúng ta đang sống trong một hình ảnh 3 chiều.

Tuy nhiên, các nhà vật lý khác, bao gồm cả Susskind, bác bỏ tiền đề của thí nghiệm này và nói rằng nó không thể cung cấp bất kỳ bằng chứng nào cho nguyên lý toàn ảnh.

Văn Thiện

Theo vox