Liệu có bản sao nào tồn tại trong Đa Vũ Trụ?

Trong Vũ Trụ quan sát được của chúng ta, chỉ có một Trái Đất và một tôi. Nhưng trong một Đa Vũ Trụ bao la, nhiều điều hơn nữa có thể xảy ra.

Ở đây, trong Vũ Trụ mà chúng ta biết, một khi một kết quả đã xảy ra, thì không có cách nào quay lại. Một khi bạn mở một túi khoai tây chiên, bạn không bao giờ có thể trả nó về trạng thái chưa mở được nữa – các phân tử không khí bên trong và bên ngoài đã trộn lẫn với nhau, ngay cả khi bạn đóng kín túi lại. Một khi bạn đốn một cái cây, bạn không thể đưa cái cây đó trở lại trạng thái ban đầu trước khi bị đốn. Ngay cả ở cấp độ lượng tử, một khi bạn đo spin của một hạt, bạn không thể đưa nó trở lại trạng thái trước khi đo.

Chúng ta chỉ có một Vũ Trụ mà chúng ta đang sống, và trong khi các sự kiện tương lai chưa có kết quả nhất định, thì tất cả các sự kiện trong quá khứ đều đã có.

Nếu tồn tại các bản sao của Vũ Trụ

Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu ngoài kia tồn tại các bản sao của Vũ Trụ của chúng ta, vượt xa giới hạn của những gì có thể quan sát hoặc đo lường được, và chúng hoàn toàn giống với Vũ Trụ của chúng ta? Liệu có thể xảy ra các kết quả khác nhau trong các Vũ Trụ đó không? Và điều đó có ý nghĩa gì đối với các hệ thống khác nhau như: các hạt lượng tử, cây cối và túi khoai tây chiên, hay thậm chí cả con người?

Đây chính là câu hỏi mà Danny Porter muốn biết, khi anh ấy viết:

Nếu Vũ Trụ là vô hạn, và lý thuyết dây gợi ý rằng các dây chỉ có thể dao động theo một số cách hữu hạn để tạo thành các hạt, thì liệu có khả năng một phiên bản của tôi có thể tồn tại ở một nơi nào đó trong Vũ Trụ không? Nếu một phiên bản khác của tôi tồn tại ở một vùng trong Vũ Trụ với các hằng số vật lý khác nhau, chẳng hạn như hằng số hấp dẫn thay đổi đáng kể, thì các biến đổi đó sẽ ảnh hưởng thế nào đến ngoại hình hay cấu trúc sinh học của tôi?

Đây là hai ý tưởng và khái niệm rất lớn, và chắc chắn đáng để nghiên cứu. Để trả lời, trước tiên chúng ta cần làm rõ:

– Một Vũ Trụ vô hạn,

– Lý thuyết dây,

– Các phiên bản khác nhau của chúng ta,

– Và các hằng số cơ bản khác nhau,

Thì liên quan đến nhau như thế nào?

Biểu diễn về các thế giới song song có thể tồn tại trong các vùng khác nhau của Đa Vũ Trụ. Khi thời gian trôi qua, ngày càng nhiều khả năng phát sinh, có nghĩa là số lượng Vũ Trụ cần tồn tại để chứa tất cả những khả năng này cũng phải tăng lên nhanh chóng.

Để hiểu rõ điều này, trước tiên chúng ta cần nắm được toàn bộ khái niệm về Đa Vũ Trụ và nhận ra rằng khi các nhà khoa học nói về nó, thực tế có hai ý nghĩa khác nhau.

Đầu tiên, chúng ta có Đa Vũ Trụ lượng tử. Ý tưởng này xuất phát từ quan niệm rằng mỗi khi hai hạt tương tác với nhau, không có một kết quả chắc chắn nào bắt buộc phải xảy ra, mà thay vào đó là một loạt các khả năng có thể xảy ra.

Đôi khi, những khả năng này là rời rạc: một electron có thể là spin up hoặc spin down khi bạn đo nó, và miễn là spin của nó chưa bị đo, nó có thể tồn tại ở trạng thái kết hợp của cả hai.

Lúc khác, các khả năng là liên tục: một electron và positron, khi chúng tương tác, sẽ hủy diệt lẫn nhau và tạo ra hai photon, mỗi photon có năng lượng 511 keV. Nhưng hai photon đó, mặc dù luôn di chuyển theo hướng ngược nhau để bảo toàn động lượng tuyến tính, không bị giới hạn về hướng định hướng của từng photon riêng lẻ. Chúng có thể di chuyển theo hướng x, hướng y, hướng z, hoặc bất kỳ tổ hợp nào của ba hướng đó.

Mỗi khi xảy ra một tương tác lượng tử, không có kết quả chắc chắn mà chúng ta có thể dự đoán. Chúng ta chỉ có thể dự đoán phổ của các kết quả có thể xảy ra, được trọng số bởi xác suất. Chỉ khi chúng ta thực hiện phép đo quan trọng đó, chúng ta mới xác định được kết quả nào thực sự đã xảy ra trong Vũ Trụ quan sát được của chúng ta.

Hình ảnh: Khi một cặp hạt – phản hạt gặp nhau, chúng hủy diệt và tạo ra hai photon. Nếu cặp hạt – phản hạt đứng yên, năng lượng photon sẽ được xác định bởi E = mc². Nhưng nếu chúng đang chuyển động, các photon tạo ra phải có nhiều năng lượng hơn để tổng năng lượng luôn được bảo toàn.

Trong cơ học lượng tử, chúng ta thường mô tả hành vi này theo xác suất thông qua phương trình sóng. Thay vì các hạt có các thuộc tính xác định (như vị trí) mà có thể biết ở mọi bước, chúng ta nhận ra rằng các hạt tồn tại trong cái gọi là trạng thái chồng chập. Trong trạng thái này, mỗi khả năng về giá trị của hạt được trọng số bởi xác suất nó có giá trị đó tại thời điểm đó.

Những thực thể này lan truyền như sóng và không mang giá trị xác định khi chúng không tương tác. Tuy nhiên, khi chúng ta thực hiện phép đo (hoặc buộc phải tương tác), chúng ta sẽ ngay lập tức xác định giá trị đó, và chỉ một khả năng duy nhất được hiện thực hóa bởi phép đo đó.

Đa vũ trụ lượng tử là gì?

Ý tưởng lớn về đa vũ trụ lượng tử là thay vì bức tranh vừa được mô tả ở trên, vốn phù hợp với cách giải thích Copenhagen tiêu chuẩn của cơ học lượng tử, bạn có thể xem xét một cách giải thích mà những gì chúng ta quan sát thấy xảy ra trong vũ trụ của mình như một đo lường với một kết quả cụ thể thực chất chỉ là một biểu hiện khả dĩ của tất cả các kết quả có thể xảy ra. Những kết quả này có thể đều đã xảy ra, nhưng trong các vũ trụ khác với vũ trụ của chúng ta. Về mặt toán học, những vũ trụ này phù hợp với một cấu trúc toán học gọi là không gian Hilbert. Nhưng nếu chúng ta muốn xem xét đa vũ trụ lượng tử, chúng ta có thể tưởng tượng rằng, ở một nơi nào đó xa bên ngoài ranh giới của vũ trụ quan sát được của chúng ta, những gì chúng ta gọi là các vũ trụ song song đó thực sự tồn tại, nơi mà tất cả các kết quả có thể khác đã xảy ra.

Nếu mỗi lần một quyết định lượng tử được đưa ra, dòng thời gian của chúng ta tách ra để cho phép hai (và chỉ hai) kết quả có thể xảy ra, thì số lượng khả năng tổng thể sẽ tăng lên vô cùng nhanh chóng, phụ thuộc vào các tổ hợp kết quả và thứ tự tương tác được cho phép. Những khả năng này không thể tất cả vừa khít trong vũ trụ vật lý quan sát được của chúng ta, nhưng cấu trúc toán học được gọi là không gian Hilbert có thể chứa tất cả chúng.

Đó là đa vũ trụ lượng tử, một khái niệm về đa vũ trụ. Nhưng còn có một khái niệm khác đến từ lĩnh vực vũ trụ học lạm phát.

Theo lý thuyết lạm phát vũ trụ, trước Big Bang, không gian không được lấp đầy bởi các hạt vật chất và bức xạ, mà thay vào đó là trống rỗng, chỉ chứa năng lượng vốn gắn liền với chính không gian: năng lượng trường vốn không thể tách rời khỏi cấu trúc của không gian. Trong điều kiện đó, không gian mở rộng theo tỷ lệ mà chúng ta gọi là tốc độ lũy thừa, nơi mà sau một khoảng thời gian ngắn, tất cả ba chiều đều tăng gấp đôi kích thước, và khi cùng khoảng thời gian đó trôi qua lần nữa, quy mô của không gian lại tăng gấp đôi một lần nữa, cứ thế tiếp tục. Điều này có thể khiến một vùng không gian nhỏ bé ban đầu lạm phát thành kích thước khổng lồ. Khi lạm phát kết thúc ở một vùng không gian cụ thể, năng lượng vốn thuộc về không gian đó được chuyển đổi thành vật chất và bức xạ, báo hiệu sự khởi đầu của Big Bang.

Lý thuyết lạm phát vũ trụ do đó mang đến cho chúng ta một đa vũ trụ lạm phát, hoặc một loại đa vũ trụ thứ hai. Mặc dù đa vũ trụ lượng tử đã tồn tại dưới một số hình thức nào đó từ năm 1957 và được phổ biến rộng rãi vào những năm 1970, nhưng chỉ với khái niệm lạm phát vũ trụ, những vũ trụ song song được cho là này cuối cùng mới có một nơi tiềm năng để tồn tại. Mặc dù không đúng khi nói rằng đa vũ trụ lạm phát đủ lớn để chứa tất cả các kết quả có thể của đa vũ trụ lượng tử (thực tế thì không), nhưng vẫn còn khả năng rằng:

– Lạm phát đã diễn ra trong một khoảng thời gian vô hạn trong quá khứ,

– Hoặc rằng vũ trụ, bao gồm cả phần trải qua lạm phát, vốn đã là vô hạn.

Điều này sẽ thực sự mang lại cho tất cả các kết quả lượng tử có thể xảy ra một nơi tiềm năng để tồn tại.

Ý nghĩa của lý thuyết dây

Vậy tất cả những điều này có liên quan gì đến lý thuyết dây?

Trong vũ trụ quan sát được của chúng ta, chúng ta thấy rằng các hằng số cơ bản giống nhau ở mọi nơi mà chúng ta quan sát, cũng như trong mọi khoảnh khắc của lịch sử vũ trụ. Các tham số cơ bản của vũ trụ chúng ta không thay đổi. Mặc dù chúng ta không hiểu điều gì quyết định những tham số này — chúng có thể là được ban tặng bởi Thượng Đế theo cách chúng ta không thể biết — nhưng chúng không được xác định bởi bất kỳ loại vật lý hay động lực học nào đã biết. Những hằng số này, vốn là nền tảng của thực tại chúng ta, đơn giản chỉ có các giá trị mà chúng có, và không có khả năng nào khác cho việc chúng có thể khác đi, cũng như không có lý do gì để mong đợi chúng sẽ khác đi bên ngoài vũ trụ quan sát được, dù trong các túi đa vũ trụ khác hay bất kỳ kịch bản nào bạn có thể tưởng tượng.

Nhưng nếu bạn mang các ý tưởng từ lý thuyết dây — kết hợp lý thuyết dây với lạm phát vũ trụ — những hằng số đó thực sự có thể khác nhau trong các túi đa vũ trụ khác.

Một số người có thể đã nghe qua các thuật ngữ như hệ sinh thái dây, (string theory landscape ) hoặc khái niệm rằng có khoảng 10^500 vũ trụ khả dĩ tồn tại theo lý thuyết dây. Điều này là do, trong lý thuyết dây, các hằng số cơ bản không chỉ là các tham số phải được đo lường để xác định chúng. Thay vào đó, những hằng số này được xác định bởi cái mà chúng ta gọi là giá trị kỳ vọng của các chân không dây: các giá trị mà một vũ trụ ổn định vào khi chuyển từ trạng thái năng lượng cao sang trạng thái năng lượng thấp hơn. Giống như một quả bóng lăn trên một cảnh quan đồi núi cuối cùng sẽ ổn định vào một trong các thung lũng, lý thuyết dây đưa ra rằng, từ một trạng thái năng lượng cao nơi quả bóng có thể ổn định vào nhiều thung lũng khác nhau (giống như vòng quay của bánh xe roulette), khi năng lượng của vũ trụ giảm, quả bóng sẽ nằm ở một thung lũng cụ thể.

Nếu bạn kết hợp lạm phát và lý thuyết dây, bạn có thể tưởng tượng một kịch bản nơi lạm phát mang lại cho bạn nhiều trạng thái năng lượng cao đa dạng, và rằng ở bất kỳ nơi nào mà lạm phát kết thúc và bạn nhận được một Big Bang nóng bùng ra, mỗi vũ trụ con đó sẽ có các giá trị riêng biệt cho các chân không dây khác nhau. Điều đó sẽ dẫn đến các hằng số cơ bản khác nhau trong mỗi túi đa vũ trụ, nơi mà các vũ trụ con đó sẽ phát triển theo các luật lệ và quy tắc riêng của chúng, thay vì các luật lệ và quy tắc mà chúng ta quen thuộc ở vũ trụ quan sát được của chính mình. Nếu có 10^500 chân không dây khả dĩ (mặc dù nhiều người đã tính toán rằng con số này lớn hơn rất nhiều), thì chỉ có 1 trên 10^500 vũ trụ con được tạo ra sẽ giống như vũ trụ của chúng ta.

Chúng ta có thể tưởng tượng một số lượng rất lớn các kết quả có thể xảy ra từ những điều kiện mà vũ trụ của chúng ta được sinh ra. Thực tế rằng tất cả 10^90 hạt trong vũ trụ của chúng ta đã phát triển với những tương tác mà chúng trải qua và dẫn đến những kết quả đã xảy ra trong suốt 13,8 tỷ năm qua đã tạo ra toàn bộ sự phức tạp của những trải nghiệm của chúng ta, bao gồm cả sự tồn tại của chính chúng ta. Có thể, nếu có đủ cơ hội, điều này sẽ xảy ra nhiều lần, dẫn đến một kịch bản mà chúng ta gọi là các vũ trụ song song vô hạn chứa đựng mọi kết quả có thể xảy ra, bao gồm cả những con đường mà vũ trụ của chúng ta không đi.

Sự thực hóa của đa vũ trụ lạm phát

Đa vũ trụ lạm phát được nghi ngờ mạnh mẽ là có thật về mặt vật lý, dựa trên các nền tảng đã biết của vật lý ngày nay. Chỉ cần kết hợp những gì được biết là đúng trong lý thuyết trường lượng tử hiện đại và lý thuyết lạm phát, cả hai đều được hỗ trợ bởi một loạt bằng chứng khoa học lớn, ý tưởng về những vùng không gian tách biệt, mỗi vùng có một Big Bang nóng riêng nhưng bị ngăn cách bởi những vùng lạm phát tiếp tục diễn ra, được chấp nhận rộng rãi như một hệ quả không thể tránh khỏi của vật lý mà chúng ta biết ngày nay.

Tuy nhiên, còn những suy đoán mà chúng ta xây dựng dựa trên đó thì sao?

Lý thuyết dây, mặc dù có rất nhiều người theo đuổi và rất hứa hẹn như một lý thuyết về trọng lực lượng tử, vẫn nằm chắc chắn trong danh mục suy đoán xét theo các lý thuyết hiện có. Không có dự đoán nào từ lý thuyết dây mà chúng ta có thể rút ra để khác biệt với các dự đoán từ những lý thuyết vật lý hiện đại tốt nhất mà không cần đến lý thuyết dây, và cũng không có cách nào để chúng ta kiểm tra hai dự đoán cạnh tranh này với nhau. Hơn nữa, ngay cả khi lý thuyết dây là đúng, và ngay cả khi ý tưởng về cảnh quan dây là đúng, không có gì đảm bảo rằng quá trình lạm phát vũ trụ đủ năng lượng để đặt lại các giá trị của các hằng số cơ bản. Trong một đa vũ trụ dây, rất có thể tất cả các vùng của đa vũ trụ, và mọi vũ trụ con ngoài kia, đều có cùng các giá trị cho các hằng số cơ bản mà vũ trụ của chúng ta sở hữu.

Cái nhìn toàn diện nhất về bức xạ nền vi sóng vũ trụ, là ánh sáng cổ nhất có thể quan sát được trong vũ trụ, cho chúng ta một hình ảnh về vũ trụ như thế nào chỉ 380.000 năm sau khi bắt đầu Big Bang nóng. Qua thời gian dài, như hàng trăm triệu năm, các mẫu dao động nóng và lạnh, đại diện cho sự khác biệt nhiệt độ chỉ vài chục đến hàng trăm microkelvin, sẽ thay đổi, khi các mẫu xa hơn từ vũ trụ hiện chưa quan sát được dần dần hiện ra qua thời gian. Nhiệt độ của bức xạ nền vi sóng tiếp tục giảm khi vũ trụ giãn nở, và trong quá khứ xa xôi, nó cao hơn nhiều.

Lý do cho điều này thường không được đánh giá cao. Trong lý thuyết lạm phát, có một thang năng lượng mà tại đó lạm phát xảy ra, và khi lạm phát kết thúc, năng lượng đó được chuyển hóa thành vật chất và bức xạ dưới dạng các hạt và phản hạt: các hạt được biết đến trong Mô hình chuẩn. Khi chúng ta kiểm tra các dao động trong bức xạ nền vi sóng vũ trụ, chúng cung cấp các ràng buộc về mức độ nóng mà vũ trụ đạt được trong giai đoạn sớm nhất của Big Bang nóng. Với dữ liệu từ WMAP, vệ tinh Planck, và một số dự án khác, chúng ta hiện biết rằng thang năng lượng này nằm dưới khoảng 10^16 GeV, hoặc ít hơn một phần nghìn năng lượng cần thiết để đạt tới thang Planck.

Thang năng lượng Planck là điểm so sánh quan trọng ở đây, bởi vì đó không chỉ là thang năng lượng mà tại đó các quy luật vật lý hiện tại của chúng ta bị phá vỡ (và một lý thuyết về trọng lực lượng tử sẽ cần thiết để hiểu được vật lý), mà đó còn được cho là nơi thang dây (string scale) xuất hiện. Nếu lạm phát xảy ra ở một thang năng lượng thấp hơn nhiều so với thang Planck, thì không có lý do nào để tin rằng lạm phát có khả năng:

– Xác định hoặc thay đổi các hằng số cơ bản,

– Đưa một vũ trụ con vào một giá trị khác của bất kỳ chân không dây nào so với bất kỳ vũ trụ con nào khác,

– Hoặc khám phá các khía cạnh khác nhau của cảnh quan dây.

Dựa trên những gì chúng ta có thể quan sát, chúng ta không có lý do thuyết phục nào để chắc chắn rằng lạm phát có khả năng ảnh hưởng đến các giá trị của các hằng số cơ bản. Đây chỉ đơn giản là một giả định không được hỗ trợ về thực tại, tương tự như hầu hết các khía cạnh của lý thuyết dây.

Sự khác biệt giữa một đại số Lie dựa trên nhóm E(8) (bên trái) và Mô hình chuẩn (bên phải). Đại số Lie định nghĩa Mô hình chuẩn về mặt toán học là một thực thể 12 chiều; nhóm E(8) về cơ bản là một thực thể 248 chiều. Có rất nhiều yếu tố cần loại bỏ để đưa Mô hình chuẩn quay lại từ lý thuyết dây như chúng ta biết; với ít tham số hơn và ít giả định hơn, vũ trụ hiện tại của chúng ta được mô tả đơn giản hơn nhiều bằng Mô hình chuẩn và thuyết tương đối rộng so với bất kỳ mô tả nào khác.

Tuy nhiên, điều quan trọng là nhận ra rằng lý thuyết dây là gì: một lý thuyết vô cùng phong phú với một tập hợp các mối quan hệ phức tạp hơn nhiều giữa các hạt, trường, tương tác, và bất kỳ thứ gì khác mà bạn có thể tưởng tượng so với vũ trụ mà chúng ta biết, yêu thích và đang sống trong đó. Lý thuyết dây là (ít nhất) một lý thuyết 10 chiều, thay vì vũ trụ 4 chiều mà chúng ta đang sống. Lý thuyết dây có hàng trăm mức tự do bổ sung, tương ứng với các tương tác, hạt và trường tiềm năng vượt xa những gì tồn tại trong vũ trụ của chúng ta; hầu hết những gì có thể không được phản ánh trong thực tế của chúng ta.

Đó là lý do tại sao tôi từng so sánh lý thuyết dây như một chiếc hộp phức tạp bị hỏng, nơi một thứ gì đó đưa một chiếc chìa khóa vào và vặn nó, và chỉ một mảnh nhỏ của chiếc hộp ban đầu còn lại để mô tả vũ trụ thực tế của chúng ta.

Trong hầu hết các trường hợp, thật khó để loại bỏ tất cả những khả năng bất thường sẽ khiến việc hình thành thậm chí một nguyên tử trong vũ trụ trở nên không thể. Trong hầu hết các trường hợp, vũ trụ xuất hiện trong lý thuyết dây hoặc sẽ tan rã quá nhanh để hai lượng tử có thể tương tác với nhau, hoặc sẽ sụp đổ lại quá nhanh khiến không gì phức tạp như một nguyên tử có thể hình thành. Với mỗi googol (10^100) vũ trụ có thể tồn tại theo lý thuyết dây, ít hơn một trong số đó thậm chí cho phép khả năng hình thành một nguyên tử. Đây thực sự là một trong những kịch bản tệ nhất có thể tưởng tượng được để tạo ra vũ trụ của chúng ta; bạn phải tưởng tượng ra một số lượng khổng lồ các vũ trụ thất bại để có được vũ trụ của chúng ta.

Từ bất kỳ trạng thái tiền tồn tại nào bắt đầu, lạm phát dự đoán rằng một loạt các vũ trụ độc lập sẽ được tạo ra khi lạm phát tiếp tục, với mỗi vũ trụ hoàn toàn tách biệt khỏi những vũ trụ khác, được ngăn cách bởi các không gian lạm phát thêm nữa. Một trong những bong bóng này, nơi lạm phát kết thúc, đã sinh ra vũ trụ của chúng ta khoảng 13,8 tỷ năm trước. Ngày nay, năng lượng tối chi phối vũ trụ và khiến không gian giãn nở theo cấp số mũ. Các kịch bản này có thể liên quan với nhau, nhưng chúng ta không biết lạm phát kéo dài bao lâu trước khi Nổ Lớn nóng xảy ra: chỉ có khả năng nói rằng ít nhất khoảng 10^-32 giây.

Và tuy nhiên, nếu đa vũ trụ lạm phát thực sự là vô hạn — hoặc về kích thước không gian hoặc về thời gian tồn tại — thì phải có những bản sao của toàn bộ vũ trụ của chúng ta đâu đó trong đó, bao gồm cả những bản sao của chúng ta giống hệt như hiện tại. Nếu lý thuyết dây, và ý tưởng rằng cảnh quan dây được lấp đầy hoàn toàn trong đa vũ trụ lạm phát, thực sự đúng, thì chúng ta có thể có những phiên bản gần như giống hệt của chính mình ngoài đó.

Tuy nhiên, mặc dù đa vũ trụ lạm phát cung cấp ngày càng nhiều không gian cho tất cả những khả năng này, những không gian đó tăng trưởng với tốc độ theo cấp số mũ, nhưng số lượng kết quả có thể xảy ra trong một vũ trụ đầy vật chất và bức xạ lại tăng nhanh hơn: theo một cách kết hợp. Những khả năng rời rạc và liên tục này cho mỗi quá trình lượng tử dẫn đến một sự gia tăng lớn hơn về những gì có thể so với tốc độ mà lạm phát tạo ra không gian tiềm năng cho những khả năng đó tồn tại. Theo thời gian, tỷ lệ các vũ trụ thừa nhận một bản sao của vũ trụ hiện tại của chúng ta ngày càng nhỏ hơn, luôn tiệm cận về không.

Mặc dù các vũ trụ song song là một thí nghiệm tư duy thú vị và là một lĩnh vực chơi đùa cho các nhà vật lý lý thuyết khám phá ý tưởng, không có bằng chứng nào cho thấy ý tưởng này có bất kỳ mối liên hệ nào với thực tại mà chúng ta đang sống. Trong khi lý thuyết cho phép chúng ta tưởng tượng những thế giới và vũ trụ có thể tồn tại, điều quan trọng là phải nhớ rằng hầu hết, và có lẽ là tất cả, đều là những thế giới và vũ trụ không bao giờ tồn tại.