Trong 'Chiều tối', các nhà vật lý tìm kiếm vật chất còn thiếu | Tạp chí Quanta

Khi hiểu được kết cấu của vũ trụ, hầu hết những gì các nhà khoa học nghĩ là tồn tại đều được đưa vào một miền tối tăm, âm u. Vật chất thông thường, thứ chúng ta có thể nhìn thấy và chạm vào, chỉ chiếm 5% vũ trụ. Các nhà vũ trụ học cho biết phần còn lại là năng lượng tối và vật chất tối, những chất bí ẩn được dán nhãn “tối” một phần phản ánh sự thiếu hiểu biết của chúng ta về bản chất thực sự của chúng.

Mặc dù không có ý tưởng đơn lẻ nào có thể giải thích được mọi điều chúng ta hy vọng biết về vũ trụ, nhưng một ý tưởng được đưa ra cách đây hai năm có thể trả lời một số câu hỏi lớn. Được gọi là kịch bản chiều tối, nó đưa ra một công thức cụ thể cho vật chất tối và nó gợi ý mối liên hệ mật thiết giữa vật chất tối và năng lượng tối. Kịch bản này cũng có thể cho chúng ta biết tại sao lực hấp dẫn – lực tác động lên vũ trụ ở quy mô lớn nhất – lại yếu đến vậy so với các lực khác.

Kịch bản đề xuất một chiều chưa từng thấy tồn tại trong lĩnh vực vốn đã phức tạp của lý thuyết dây, cố gắng thống nhất cơ học lượng tử và lý thuyết hấp dẫn của Einstein. Ngoài bốn chiều quen thuộc – ba chiều không gian vô cùng lớn cộng với một chiều thời gian – lý thuyết dây cho thấy còn có sáu chiều không gian cực kỳ nhỏ.

Trong vũ trụ của chiều tối, một trong những chiều bổ sung đó lớn hơn đáng kể so với các chiều khác. Thay vì nhỏ hơn 100 triệu nghìn tỷ lần so với đường kính của một proton, nó có chiều ngang khoảng 1 micron - phút theo tiêu chuẩn hàng ngày, nhưng rất lớn so với các loại khác. Các hạt khổng lồ mang lực hấp dẫn được tạo ra trong chiều tối này và chúng tạo nên vật chất tối mà các nhà khoa học cho rằng chiếm khoảng 25% vũ trụ của chúng ta và tạo thành chất keo giữ các thiên hà lại với nhau. (Các ước tính hiện tại cho rằng 70% còn lại bao gồm năng lượng tối, nguyên nhân thúc đẩy sự giãn nở của vũ trụ.)

Kịch bản này “cho phép chúng tôi tạo ra mối liên hệ giữa lý thuyết dây, lực hấp dẫn lượng tử, vật lý hạt và vũ trụ học, [trong khi] giải quyết một số bí ẩn liên quan đến chúng,” cho biết Ignatios Antoniadis, một nhà vật lý tại Đại học Sorbonne, người đang tích cực nghiên cứu đề xuất chiều tối.

Mặc dù chưa có bằng chứng nào cho thấy chiều tối tồn tại, nhưng kịch bản này đưa ra những dự đoán có thể kiểm chứng được cho cả quan sát vũ trụ và vật lý trên bàn. Điều đó có nghĩa là chúng ta có thể không phải đợi lâu để xem liệu giả thuyết này có đứng vững dưới sự giám sát thực nghiệm hay không - hay bị đưa vào danh sách những ý tưởng trêu ngươi chưa bao giờ thực hiện được lời hứa ban đầu của chúng.

“Chiều tối được hình dung ở đây,” nhà vật lý cho biết Rajesh Gopakumar, giám đốc Trung tâm Khoa học Lý thuyết Quốc tế ở Bengaluru, “có ưu điểm là có khả năng bị loại trừ khá dễ dàng khi các thí nghiệm sắp tới ngày càng sắc nét hơn”.

Bói được chiều không gian tối

Chiều tối được lấy cảm hứng từ một bí ẩn lâu đời liên quan đến hằng số vũ trụ - một thuật ngữ, được đặt tên bằng chữ cái Hy Lạp lambda, mà Albert Einstein đã đưa vào các phương trình hấp dẫn của ông vào năm 1917. Nhiều người cùng thời với ông cũng tin vào một vũ trụ tĩnh tại , Einstein đã thêm thuật ngữ này để giữ cho các phương trình mô tả một vũ trụ đang giãn nở. Nhưng vào những năm 1920, các nhà thiên văn học đã phát hiện ra rằng vũ trụ thực sự đang phồng lên, và vào năm 1998, họ quan sát thấy nó đang phát triển với tốc độ nhanh chóng, được thúc đẩy bởi cái mà ngày nay thường được gọi là năng lượng tối – năng lượng này cũng có thể được biểu thị bằng phương trình bằng lambda.

Kể từ đó, các nhà khoa học đã phải vật lộn với một đặc điểm nổi bật của lambda: Giá trị ước tính của nó là 10^-122 theo đơn vị Planck là “thông số đo được nhỏ nhất trong vật lý”, cho biết Cumrun Vafa, một nhà vật lý tại Đại học Harvard. Vào năm 2022, trong khi xem xét sự nhỏ bé gần như không thể đo lường được đó của hai thành viên trong nhóm nghiên cứu của ông — Miguel Montero, hiện tại Viện Vật lý Lý thuyết Madrid, và Irene Valenzuela, hiện đang ở CERN - Vafa đã có một cái nhìn sâu sắc: Một lambda cực nhỏ như vậy thực sự là một tham số cực đoan, có nghĩa là nó có thể được xem xét trong khuôn khổ công trình trước đây của Vafa về lý thuyết dây.

Trước đó, ông và những người khác đã đưa ra một phỏng đoán giải thích điều gì xảy ra khi một tham số vật lý quan trọng đạt giá trị cực trị. Được gọi là phỏng đoán khoảng cách, nó đề cập đến “khoảng cách” theo nghĩa trừu tượng: Khi một tham số di chuyển về phía rìa xa của khả năng, do đó giả sử một giá trị cực trị, sẽ có tác động trở lại đối với các tham số khác.

Do đó, trong các phương trình của lý thuyết dây, các giá trị quan trọng – chẳng hạn như khối lượng hạt, lambda hoặc các hằng số ghép xác định cường độ tương tác – không cố định. Thay đổi một cái chắc chắn sẽ ảnh hưởng đến những cái khác.

Ví dụ, một lambda cực kỳ nhỏ, như đã được quan sát, phải đi kèm với các hạt nhẹ hơn nhiều, tương tác yếu với khối lượng liên kết trực tiếp với giá trị lambda. “Chúng có thể là gì?” Vafa thắc mắc.

Khi ông và các đồng nghiệp suy nghĩ về câu hỏi đó, họ nhận ra rằng giả thuyết khoảng cách và lý thuyết dây kết hợp với nhau để mang lại thêm một hiểu biết quan trọng: Để những hạt nhẹ này xuất hiện khi lambda gần như bằng 0, một trong các chiều bổ sung của lý thuyết dây phải lớn hơn đáng kể so với chiều thứ hai của lý thuyết dây. những cái khác - có lẽ đủ lớn để chúng ta phát hiện sự hiện diện của nó và thậm chí đo lường nó. Họ đã đến chiều không gian tối tăm.

The Dark Tower

Để hiểu được nguồn gốc của các hạt ánh sáng được suy luận, chúng ta cần tua lại lịch sử vũ trụ về micro giây đầu tiên sau Vụ nổ lớn. Vào thời điểm này, vũ trụ bị chi phối bởi bức xạ - các photon và các hạt khác chuyển động gần với tốc độ ánh sáng. Những hạt này đã được Mô hình Chuẩn của vật lý hạt mô tả, nhưng trong kịch bản chiều tối, một họ hạt không thuộc Mô hình Chuẩn có thể xuất hiện khi những hạt quen thuộc va chạm với nhau.

“Thỉnh thoảng, những hạt bức xạ này va chạm với nhau, tạo ra cái mà chúng ta gọi là ‘hạt hấp dẫn tối’,” nói. Georges vâng lời, một nhà vật lý tại Đại học Oxford, người đã giúp tạo ra lý thuyết về graviton tối.

Thông thường, các nhà vật lý định nghĩa graviton là các hạt không khối lượng chuyển động với tốc độ ánh sáng và truyền lực hấp dẫn, tương tự như các photon không khối lượng truyền lực điện từ. Nhưng trong kịch bản này, như Obied giải thích, những va chạm ban đầu này đã tạo ra một loại graviton khác – thứ có khối lượng. Hơn thế nữa, họ còn tạo ra nhiều loại graviton khác nhau.

“Có một graviton không khối lượng, đó là graviton thông thường mà chúng ta biết,” Obied nói. “Và có vô số bản sao của graviton tối, tất cả đều có khối lượng lớn.” Nói một cách đại khái, khối lượng của các graviton tối được định đề là một số nguyên nhân một hằng số, M, giá trị của nó gắn liền với hằng số vũ trụ. Và có cả một “tháp” với nhiều khối lượng và mức năng lượng khác nhau.

Để hiểu được tất cả những điều này có thể hoạt động như thế nào, hãy tưởng tượng thế giới bốn chiều của chúng ta như bề mặt của một hình cầu. Chúng ta không bao giờ có thể rời khỏi bề mặt đó - dù tốt hay xấu - và điều đó cũng đúng với mọi hạt trong Mô hình Chuẩn.

Tuy nhiên, graviton có thể đi khắp mọi nơi, với cùng lý do là lực hấp dẫn tồn tại ở mọi nơi. Và đó là lúc chiều không gian tối xuất hiện.

Vafa cho biết, để hình dung ra chiều đó, hãy nghĩ đến mọi điểm trên bề mặt tưởng tượng của thế giới bốn chiều của chúng ta và gắn một vòng nhỏ vào đó. Vòng lặp đó (ít nhất là về mặt sơ đồ) là chiều bổ sung. Nếu hai hạt trong Mô hình Chuẩn va chạm và tạo ra graviton, thì graviton “có thể rò rỉ vào vòng tròn ngoài chiều đó và truyền xung quanh nó như một làn sóng,” Vafa nói. (Cơ học lượng tử cho chúng ta biết rằng mọi hạt, bao gồm graviton và photon, có thể hành xử vừa giống hạt vừa giống sóng - một khái niệm 100 năm tuổi được gọi là lưỡng tính sóng-hạt.)

Khi graviton rò rỉ vào chiều tối, các sóng chúng tạo ra có thể có tần số khác nhau, mỗi tần số tương ứng với các mức năng lượng khác nhau. Và những graviton khổng lồ đó, di chuyển xung quanh vòng ngoài chiều, tạo ra một ảnh hưởng hấp dẫn đáng kể tại điểm mà vòng lặp gắn với quả cầu.

“Có lẽ đây là vật chất tối?” Vafa trầm ngâm. Suy cho cùng, các graviton mà họ đã tạo ra tương tác yếu nhưng vẫn có khả năng tập hợp một số lực hấp dẫn. Ông lưu ý, một giá trị của ý tưởng này là graviton đã là một phần của vật lý trong 90 năm, lần đầu tiên được đề xuất là chất mang lực hấp dẫn. (Cần lưu ý rằng graviton là các hạt giả thuyết và chưa được phát hiện trực tiếp.) Để giải thích vật chất tối, “chúng ta không cần phải đưa vào một hạt mới,” ông nói.

Graviton có thể rò rỉ vào miền ngoài chiều là “ứng cử viên tự nhiên cho vật chất tối”, cho biết Georgi Dvali, giám đốc Viện Vật lý Max Planck, người không trực tiếp nghiên cứu ý tưởng về chiều tối.

Một chiều lớn như chiều tối được ấn định sẽ có chỗ cho các bước sóng dài, ngụ ý các hạt tần số thấp, năng lượng thấp, khối lượng thấp. Nhưng nếu một graviton tối rò rỉ vào một trong những chiều cực nhỏ của lý thuyết dây, thì bước sóng của nó sẽ cực kỳ ngắn và khối lượng cũng như năng lượng của nó rất cao. Các hạt siêu lớn như thế này sẽ không ổn định và tồn tại rất ngắn. Chúng “sẽ biến mất từ ​​lâu,” Dvali nói, “không có khả năng đóng vai trò là vật chất tối trong vũ trụ hiện tại.”

Lực hấp dẫn và chất mang của nó, graviton, thấm vào mọi chiều của lý thuyết dây. Nhưng chiều tối lớn hơn rất nhiều - theo nhiều bậc độ lớn - so với các chiều bổ sung khác nên cường độ hấp dẫn sẽ bị loãng đi, khiến nó có vẻ yếu đi trong thế giới bốn chiều của chúng ta, nếu nó thấm đáng kể vào chiều tối rộng rãi hơn . “Điều này giải thích sự khác biệt phi thường [về sức mạnh] giữa trọng lực và các lực khác,” Dvali nói, lưu ý rằng hiệu ứng tương tự này sẽ được thấy ở các kịch bản ngoài chiều khác.

Cho rằng kịch bản chiều tối có thể dự đoán những thứ như vật chất tối, nó có thể được đưa vào thử nghiệm thực nghiệm. Valenzuela, đồng tác giả của cuốn sách, cho biết: “Nếu tôi đưa cho bạn một số mối tương quan mà bạn không bao giờ có thể kiểm tra, bạn không bao giờ có thể chứng minh tôi sai”. giấy có kích thước tối ban đầu. “Sẽ thú vị hơn nhiều khi dự đoán điều gì đó mà bạn thực sự có thể chứng minh hoặc bác bỏ.”

Câu đố về bóng tối

Các nhà thiên văn học đã biết vật chất tối tồn tại – ít nhất là ở một dạng nào đó – kể từ năm 1978, khi nhà thiên văn học Vera Rubin chứng minh rằng các thiên hà đang quay nhanh đến mức các ngôi sao ở rìa ngoài cùng của chúng sẽ bị văng ra xa nếu không có các hồ chứa khổng lồ của một số vật chất không thể nhìn thấy được. chất giữ họ lại. Tuy nhiên, việc xác định chất đó tỏ ra rất khó khăn. Bất chấp gần 40 năm nỗ lực thử nghiệm để phát hiện vật chất tối, người ta vẫn chưa tìm thấy hạt nào như vậy.

Nếu vật chất tối hóa ra là graviton tối, tương tác cực kỳ yếu, Vafa nói, điều đó sẽ không thay đổi. “Họ sẽ không bao giờ được tìm thấy trực tiếp.”

Nhưng có thể có những cơ hội để gián tiếp phát hiện ra dấu hiệu của những graviton đó.

Một chiến lược mà Vafa và các cộng tác viên của ông đang theo đuổi là vẽ ra các cuộc khảo sát vũ trụ quy mô lớn nhằm lập biểu đồ phân bố các thiên hà và vật chất. Obied cho biết, trong những phân bố đó, có thể có “những khác biệt nhỏ trong hành vi phân cụm”, điều đó báo hiệu sự hiện diện của graviton tối.

Khi các graviton tối nặng hơn phân rã, chúng tạo ra một cặp graviton tối nhẹ hơn với khối lượng tổng hợp nhỏ hơn một chút so với hạt mẹ của chúng. Khối lượng còn thiếu được chuyển thành động năng (theo công thức của Einstein, E = mc²), mang lại cho các graviton mới được tạo ra một chút tăng tốc - “vận tốc cú đá” được ước tính bằng khoảng một phần mười nghìn tốc độ ánh sáng.

Ngược lại, những vận tốc cú đá này có thể ảnh hưởng đến cách các thiên hà hình thành. Theo mô hình vũ trụ tiêu chuẩn, các thiên hà bắt đầu bằng một khối vật chất có lực hấp dẫn thu hút nhiều vật chất hơn. Nhưng graviton với một vận tốc phóng vừa đủ có thể thoát khỏi lực hấp dẫn này. Nếu đúng như vậy, thiên hà thu được sẽ có khối lượng nhỏ hơn một chút so với dự đoán của mô hình vũ trụ tiêu chuẩn. Các nhà thiên văn học có thể tìm kiếm sự khác biệt này.

Những quan sát gần đây về cấu trúc vũ trụ từ Khảo sát cấp độ Kilo cho đến nay vẫn nhất quán với chiều tối: Một phân tích dữ liệu từ cuộc khảo sát đó đặt giới hạn trên về vận tốc cú đá rất gần với giá trị mà Obied và các đồng tác giả dự đoán. Một thử nghiệm nghiêm ngặt hơn sẽ đến từ kính viễn vọng không gian Euclid, được phóng vào tháng 7 năm ngoái.

Trong khi đó, các nhà vật lý cũng đang lên kế hoạch thử nghiệm ý tưởng chiều tối trong phòng thí nghiệm. Nếu lực hấp dẫn đang rò rỉ vào một chiều tối có đường kính 1 micron, thì về nguyên tắc, người ta có thể tìm kiếm bất kỳ sai lệch nào so với lực hấp dẫn dự kiến ​​giữa hai vật thể cách nhau cùng khoảng cách đó. Đây không phải là một thử nghiệm dễ dàng để thực hiện, nói Armin Shayeghi, một nhà vật lý tại Viện Hàn lâm Khoa học Áo đang tiến hành thử nghiệm. Nhưng “có một lý do đơn giản giải thích tại sao chúng ta phải thực hiện thí nghiệm này,” ông nói thêm: Chúng ta sẽ không biết lực hấp dẫn hoạt động như thế nào ở những khoảng cách gần như vậy cho đến khi chúng ta quan sát.

Sản phẩm phép đo gần nhất cho đến nay - được thực hiện vào năm 2020 tại Đại học Washington - liên quan đến việc phân tách 52 micron giữa hai vật thể thử nghiệm. Nhóm người Áo đang hy vọng cuối cùng sẽ đạt được phạm vi 1 micron như dự đoán cho chiều tối.

Trong khi các nhà vật lý nhận thấy đề xuất chiều tối hấp dẫn, một số người lại nghi ngờ liệu nó có thành công hay không. “Tìm kiếm các chiều bổ sung thông qua các thí nghiệm chính xác hơn là một điều rất thú vị,” nói. Juan Maldacena, một nhà vật lý tại Viện Nghiên cứu Cao cấp, “mặc dù tôi nghĩ rằng xác suất tìm thấy chúng là thấp”.

Joseph Conlon, một nhà vật lý tại Oxford, chia sẻ quan điểm hoài nghi đó: “Có rất nhiều ý tưởng sẽ quan trọng nếu đúng, nhưng có lẽ không phải vậy. Đây là một trong chúng. Những phỏng đoán mà nó dựa vào có phần tham vọng và tôi nghĩ bằng chứng hiện tại cho chúng khá yếu.”

Tất nhiên, sức nặng của bằng chứng có thể thay đổi, đó là lý do tại sao chúng tôi tiến hành thí nghiệm ngay từ đầu. Đề xuất chiều tối, nếu được hỗ trợ bởi các thử nghiệm sắp tới, có khả năng đưa chúng ta đến gần hơn để hiểu vật chất tối là gì, nó liên kết như thế nào với cả năng lượng tối và lực hấp dẫn, cũng như tại sao lực hấp dẫn có vẻ yếu so với các lực đã biết khác. “Các nhà lý thuyết luôn cố gắng thực hiện việc ‘liên kết với nhau’ này. Chiều tối là một trong những ý tưởng hứa hẹn nhất mà tôi từng nghe theo hướng này,” Gopakumar nói.

Nhưng thật trớ trêu, có một điều mà giả thuyết chiều tối không thể giải thích được là tại sao hằng số vũ trụ lại nhỏ đến mức đáng kinh ngạc - một thực tế khó hiểu về cơ bản đã khởi xướng toàn bộ dòng nghiên cứu này. Vafa thừa nhận: “Đúng là chương trình này không giải thích được thực tế đó. “Nhưng những gì chúng ta có thể nói, rút ​​ra từ kịch bản này, là nếu lambda nhỏ - và bạn nêu ra hậu quả của điều đó - thì cả một loạt những điều tuyệt vời có thể xảy ra.”