Kết cấu không gian là một con Mèo Cheshire

Hầu hết các loại sóng cần một môi trường để truyền qua. Nhưng cách ánh sáng và sóng hấp dẫn lan truyền lại cho thấy rằng không gian không thể là một môi trường.

Sóng cần môi trường để lan truyền?

Alice nghĩ: Ồ! Tôi đã từng thấy một con mèo mà không có nụ cười, nhưng một nụ cười mà không có con mèo! Đó là điều kỳ lạ nhất mà tôi từng thấy trong đời mình. Trong trí tưởng tượng của Lewis Carroll, hình ảnh phổ biến ngày nay về một con mèo Cheshire đã xuất hiện: nơi nụ cười của con mèo có thể tồn tại độc lập mà không cần đến con mèo. Nghe có vẻ vô lý, nhưng trong thế giới vật lý, những khái niệm trực giác có vẻ phi lý đôi khi lại là cách giải thích duy nhất phù hợp với những gì vũ trụ mang lại.

Trong một thời gian dài, chúng ta hiểu sóng là những thực thể lan truyền qua một loại môi trường nào đó. Sóng nước cần một khối nước để truyền qua. Sóng địa chấn cần một hành tinh để truyền qua. Sóng âm cần một thứ gì đó (thường là không khí, nhưng đá, xương và các môi trường khác cũng hoạt động tốt) để truyền qua. Nếu bạn loại bỏ môi trường – không có nước, không có hành tinh, không có không khí hay vật liệu khác – sẽ không còn sóng nào cả.

Điều này được giữ vững cho đến những năm 1800, khi các nhà khoa học lần đầu tiên chứng minh bản chất giống sóng của ánh sáng. Mặc dù hầu hết đều cho rằng phải có một môi trường mà ánh sáng truyền qua, thậm chí đặt tên nó là ether phát quang, nhưng hết thí nghiệm này đến thí nghiệm khác đều không phát hiện được bất kỳ loại môi trường nào. Dù có vẻ vô lý, nhưng điều mà chúng ta gọi là không gian trống lại không có các đặc tính cơ bản của mọi môi trường mà sóng lan truyền qua, biến kết cấu không gian trở thành con mèo Cheshire của chính vũ trụ.

Sóng nước và sự truyền sóng

Khi bạn tạo ra một sự xáo trộn trong ao, chẳng hạn như thả một hòn đá vào một vùng nước yên tĩnh, nó sẽ tạo ra những gợn sóng lan tỏa ra ngoài theo vòng tròn. Vì sóng bị giới hạn trên bề mặt nước, biên độ của chúng sẽ giảm đi theo ~1/r, khi các sóng lan ra trên một mặt phẳng hai chiều.

Khi nghiên cứu cách sóng hoạt động, một trong những ví dụ đơn giản nhất mà bạn có thể tự mình thử là thả một hòn đá vào một vùng nước yên tĩnh, chẳng hạn như ao hoặc vũng nước. Khi hòn đá chạm vào nước, nó đẩy nước xuống và ra xa. Điều này dẫn đến việc hình thành một đỉnh sóng (hoặc điểm cao) trong một mẫu hình tròn xung quanh nơi hòn đá chạm vào nước, theo sau đó là một lòng sóng (hoặc điểm thấp) phía sau. Thông thường, một chuỗi các đỉnh và lòng sóng sẽ được tạo ra: những gì các nhà vật lý hiểu là sóng hoặc mẫu sóng.

Những sóng này là sự xáo trộn trong chính nước: nước đóng vai trò là môi trường cho sóng truyền qua, và sóng lan truyền với tốc độ nhất định, phụ thuộc vào các đặc tính của chính nước.

Nếu thay vì thả một hòn đá, bạn lấy một thanh dài, thẳng và thả nó xuống nước thì sao?

Điều này sẽ tạo ra những gì mà các nhà vật lý gọi là sóng phẳng, nơi thay vì sóng xuất hiện từ một điểm duy nhất (và lan tỏa ra theo vòng tròn trên bề mặt nước hai chiều), những sóng này sẽ lan truyền theo đường thẳng: với các đỉnh và lòng sóng di chuyển song song với thanh vừa thả xuống. Điều đáng chú ý là điều này đã được hiểu từ những năm 1600, khi Christiaan Huygens chứng minh sự tương đương giữa một số lượng lớn các sóng tròn (hãy tưởng tượng thay thanh dài bằng 1000 hòn đá nhỏ, xếp thành một hàng) và một sóng phẳng tuyến tính.

Miễn là bạn có một môi trường mà các xáo trộn không đồng đều có thể lan truyền qua, thì sóng dường như là hệ quả không thể tránh khỏi.

Cơ học sóng và sự áp dụng

Điều có vẻ là một sóng phẳng đơn giản, chẳng hạn như ánh sáng hoặc nước đi qua một rào chắn bị che một phần, được Christiaan Huygens khái niệm hóa một cách tài tình như một chuỗi sóng lan tỏa ra theo hình cầu, tất cả chồng lên nhau. Ý tưởng này về cơ học sóng không chỉ áp dụng cho sóng vô hướng như sóng nước, mà còn cho ánh sáng và các hạt.

Mặc dù chúng ta gặp nhiều loại sóng trong cuộc sống hàng ngày – sóng âm, sóng nước, sóng địa chấn – nhưng tất cả đều thuộc cùng một loại sóng: sóng truyền, là loại sóng lan truyền qua hoặc trên môi trường, trái ngược với sóng đứng.

Sóng nước lan truyền qua chính khối nước; sóng địa chấn trên hành tinh chúng ta truyền qua Trái Đất; sóng âm thường truyền qua không khí.

Cảm giác nghe được phát sinh khi không khí, chứa đầy các vùng nén (đỉnh) và loãng (lòng) về mật độ, tác động lên màng nhĩ của chúng ta, làm các sợi lông bên trong ốc tai rung lên, kích thích các dây thần kinh nhận biết âm thanh.

Sóng đứng và sóng truyền

Bạn có thể phản đối cách giải thích này về sóng, cho rằng sóng đứng – như sóng tạo ra bởi dây đàn guitar khi được gảy – cũng tồn tại. Thực tế, đúng là chúng tồn tại, nhưng chỉ khi vật dao động (trong trường hợp này là dây đàn) đủ cứng: dây đàn guitar phải được kéo căng giữa hai điểm cố định. Dây dao động qua lại, nhưng đó không phải là âm thanh bạn nghe thấy. Thay vào đó, âm thanh là kết quả của việc dao động của dây được khuếch đại (bởi hộp cộng hưởng của guitar thùng hoặc bởi các pickup, loa và ampli của guitar điện), tạo ra sóng truyền qua không khí. Cần có môi trường để các sóng truyền này lan truyền, nếu không sóng sẽ dừng lại khi chạm đến ranh giới của môi trường.

Hai loại sóng truyền: một sóng nén dọc (P-wave) ở bên trái và một sóng ngang (S-wave) ở bên phải. Trong khi sóng P có thể truyền qua chất rắn, lỏng và khí, sóng S chỉ có thể truyền qua chất rắn.

Một điểm lưu ý nữa về các loại sóng cổ điển này là chuyển động. Nếu bạn – người quan sát – đang chuyển động so với sóng mà bạn đang quan sát hoặc nhận, các đỉnh và đáy sóng sẽ đi qua bạn với tốc độ khác nhau so với khi bạn đứng yên: với tần số cao hơn (xảy ra thường xuyên hơn) nếu bạn di chuyển về phía sóng, và với tần số thấp hơn (xảy ra ít hơn) nếu bạn di chuyển xa khỏi sóng. Nếu bạn di chuyển nhanh bằng hoặc nhanh hơn sóng, bạn có thể vượt qua sóng hoàn toàn: nếu bạn di chuyển nhanh hơn sóng trong môi trường, nó sẽ không bao giờ bắt kịp bạn.

Tương tự, nếu môi trường tự nó chuyển động, nó cũng sẽ thay đổi tần số của sóng mà bạn quan sát. Quay lại ví dụ hòn đá thả xuống nước, lần này thay vì một ao hoặc vũng nước tĩnh, hãy tưởng tượng nước có dòng chảy, giống như một con sông. Lúc này, các gợn sóng vẫn lan tỏa theo vòng tròn qua nước, nhưng nước thì đang chuyển động. Nếu bạn trôi nổi trên nước và di chuyển theo dòng chảy, các gợn sóng sẽ đi qua bạn giống như trong trường hợp trước, khi bạn đứng yên: vì bạn cũng đang di chuyển cùng với môi trường. Tuy nhiên, nếu bạn đứng trên bờ, hoặc trên một tảng đá cố định, bạn sẽ thấy hiệu ứng của cả hai chuyển động – gợn sóng và dòng chảy của nước – chồng lên nhau khi sóng đi qua bạn. Sóng cần môi trường để tồn tại, và tính chất của môi trường, bao gồm cả chuyển động, ảnh hưởng đến cách chúng ta quan sát chúng.

Ánh sáng và tính chất sóng

Sơ đồ dưới đây từ công trình của Thomas Young vào đầu những năm 1800, là một trong những hình ảnh sớm nhất minh họa sự giao thoa cộng hưởng và triệt tiêu, xuất hiện từ hai nguồn sóng tại các điểm A và B. Đây là một thiết lập giống hệt thí nghiệm hai khe, áp dụng cả cho sóng nước truyền qua một bể chứa. Các vị trí C, D, E và F tương ứng với giao thoa triệt tiêu 100%.

Câu đố lớn đầu tiên xuất hiện: ánh sáng. Ngay từ những năm 1600, các nhà khoa học đã tranh luận về bản chất của ánh sáng: liệu nó có tính chất sóng, như Huygens ủng hộ, hay có tính chất hạt, như Newton lập luận. Chỉ khi các thí nghiệm với ánh sáng tiết lộ hiện tượng giao thoa và nhiễu xạ – những hiện tượng sẽ không tồn tại nếu ánh sáng chỉ là hạt – thì bản chất sóng của ánh sáng mới được công nhận.

Bằng chứng đầu tiên đến từ Thomas Young, người thực hiện thí nghiệm hai khe đầu tiên với ánh sáng. Bằng cách chiếu ánh sáng với tần số không đổi vào một rào chắn có hai khe hẹp cắt sát nhau, Young cho thấy rằng thay vì hai đường sáng xuất hiện ở phía đối diện rào chắn – điều xảy ra nếu ánh sáng là hạt, với mỗi đường tương ứng với ánh sáng đi thẳng qua một khe – ánh sáng tạo ra một loạt các vệt sáng và tối liên tiếp.

Đây là bằng chứng rõ ràng cho mẫu giao thoa, giống như Huygens đã chỉ ra với sóng nước do hòn đá thả xuống tạo ra. Điều này chỉ có thể xảy ra nếu ánh sáng là sóng, nhưng vẫn chưa đủ để thuyết phục tất cả mọi người.

Ánh sáng chỉ là một sóng điện từ, với các dao động điện và từ vuông pha và vuông góc với hướng lan truyền của ánh sáng. Bước sóng càng ngắn, photon càng nhiều năng lượng và càng dễ bị thay đổi tốc độ khi ánh sáng đi qua một môi trường. Điều này đã được biết đến sau các phương trình của Maxwell vào giữa và cuối những năm 1800.

Năm 1818, Viện Hàn lâm Khoa học Pháp tổ chức một cuộc thi viết luận về bản chất của ánh sáng. Một nhà vật lý trẻ tên Fresnel tham gia, bài luận của ông trình bày lý thuyết sóng về ánh sáng, sử dụng nguyên lý mặt sóng của Huygens và nguyên lý giao thoa của Young để đưa ra một mô tả định lượng hoàn chỉnh về ánh sáng, giải thích sự nhiễu xạ và nguyên lý chồng sóng.

Một trong những giám khảo là Simeon Poisson, người ủng hộ mạnh mẽ quan điểm của Newton, đã sử dụng lý thuyết của Fresnel để chứng minh rằng nó dẫn đến kết luận phi lý. Ông chỉ ra rằng nếu chiếu một chùm ánh sáng đơn sắc quanh một vật thể hình cầu, sẽ không chỉ có một vòng sáng và bóng tối hình tròn mà còn xuất hiện một điểm sáng ngay trung tâm bóng tối. Poisson lập luận rằng điều này vô lý, và lý thuyết sóng của Fresnel nên bị bác bỏ.

May mắn thay, François Arago, cũng là giám khảo, bị thu hút bởi lập luận của Poisson, nhưng không phải theo ý Poisson mong muốn. Thay vì bác bỏ Fresnel, Arago đã tự thực hiện thí nghiệm bằng các công cụ sẵn có. Một cách đáng kinh ngạc, điểm sáng này – giờ được gọi là Điểm Sáng Arago – thực sự tồn tại! Ánh sáng, rốt cuộc, là sóng.

Kết quả của một thí nghiệm, được trình bày bằng ánh sáng laser quanh một vật thể hình cầu, với dữ liệu quang học thực tế.

Lưu ý sự xác thực phi thường của dự đoán trong lý thuyết của Fresnel: rằng một điểm sáng ở trung tâm sẽ xuất hiện trong bóng tối do hình cầu tạo ra, xác nhận dự đoán phi lý của lý thuyết sóng ánh sáng. Lý luận đơn thuần sẽ không thể đưa chúng ta đến đây; chỉ khi François Arago thực hiện thí nghiệm quan trọng, chúng ta mới phát hiện ra sự thật khoa học cơ bản.

Phương tiện mà ánh sáng di chuyển qua là gì?

Mặc dù chúng ta chưa phát hiện ra nó, nhưng hầu hết các nhà khoa học đều biết rằng nó phải tồn tại và thậm chí đã nghĩ ra một cái tên cho nó: luminiferous aether, một phương tiện để ánh sáng truyền đi. Đến thập kỷ 1870, các phương trình Maxwell đã chỉ ra loại sóng của ánh sáng: đó là sóng điện từ, với các trường điện và từ dao động cùng pha. Nếu ánh sáng là một sóng di chuyển qua luminiferous aether, thì mặc dù tốc độ ánh sáng rất lớn (khoảng 300,000 km/s), chuyển động của Trái Đất quanh Mặt Trời (khoảng ~30 km/s) là một phần không nhỏ trong đó: khoảng 0.01%.

Nếu ánh sáng di chuyển qua một phương tiện, và Trái Đất đang chuyển động, thì chúng ta sẽ có thể phát hiện chuyển động đó bằng một thí nghiệm đủ nhạy.

Đó chính xác là những gì thí nghiệm Michelson-Morley đã làm vào thập kỷ 1880: thí nghiệm giống như với các sóng nước tạo ra trong một con sông, nhưng thay vì nước và một con sông chảy, thí nghiệm sử dụng ánh sáng và Trái Đất đang chuyển động.

Thật đáng ngạc nhiên, các thí nghiệm không phát hiện ra bất kỳ bằng chứng nào cho phương tiện này — hoặc bất kỳ phương tiện nào — cả. Ánh sáng không di chuyển chậm hơn hay nhanh hơn dù di chuyển theo, ngược lại, hay vuông góc với Trái Đất; nó luôn di chuyển với cùng một tốc độ (tốc độ ánh sáng) bất kể thí nghiệm nào được thực hiện.

Nếu bạn chia ánh sáng thành hai thành phần vuông góc và đưa chúng lại với nhau, chúng sẽ tạo ra một mô hình giao thoa. Nếu có một phương tiện mà ánh sáng di chuyển qua, mô hình giao thoa sẽ phụ thuộc vào cách mà thiết bị của bạn được định hướng so với chuyển động đó. Tuy nhiên, nếu tốc độ ánh sáng là một hằng số đối với tất cả các quan sát viên (một sự mâu thuẫn với dự đoán của Newton), thì ánh sáng sẽ đến từ các hướng vuông góc với nhau đến bộ phát hiện cùng lúc.

Điều này có nghĩa là gì?

Mãi cho đến khi Einstein xuất hiện vào năm 1905, vật lý mới có khoảnh khắc _Lindsay Lohan trong Mean Girls của mình, chỉ khác là thay vì giới hạn không tồn tại, khám phá vĩ đại của Einstein là xem xét khả năng có thể có rằng phương tiện không tồn tại! Đây là khám phá vĩ đại của thuyết tương đối đặc biệt: ánh sáng không di chuyển qua một phương tiện như các sóng khác, nơi chuyển động của phương tiện (hoặc chuyển động của người quan sát so với sóng ánh sáng) sẽ thay đổi tốc độ của sóng. Thay vào đó, tốc độ của ánh sáng chính nó là một tính chất hằng số, không thay đổi, và dù người quan sát di chuyển như thế nào, họ vẫn không thay đổi tốc độ ánh sáng.

Mười năm sau, vào năm 1915, Einstein đã đưa trọng lực vào lý thuyết tương đối, tạo ra thuyết tương đối tổng quát.

Tương tự như cách ánh sáng là sóng trong trường điện từ — mặc dù trường này có thể có bất kỳ giá trị nào, bao gồm cả không có giá trị, và dù không có phương tiện nào cần thiết để ánh sáng di chuyển — trường trọng lực cũng có thể có sóng trong đó: sóng trọng lực. Một lần nữa, khi sóng trọng lực lan truyền, chúng có thể di chuyển:

Qua bất kỳ trường trọng lực nào,
Bao gồm những nơi mà trường trọng lực bằng không,
Và luôn di chuyển với cùng tốc độ — tốc độ của trọng lực — bất kể chuyển động của nguồn hay người quan sát.

Giống như ánh sáng, không có bằng chứng về sự tồn tại của một phương tiện xuất hiện trong bất kỳ thí nghiệm hay quan sát nào, mặc dù chúng ta đã phát hiện trực tiếp hàng trăm sóng trọng lực.

Sóng trọng lực lan truyền theo một hướng, luân phiên mở rộng và nén không gian theo các hướng vuông góc với nhau, được xác định bởi phân cực của sóng trọng lực.

Sóng trọng lực, trong lý thuyết lượng tử về trọng lực, nên được tạo thành từ các quanta riêng biệt của trường trọng lực: graviton. Mặc dù chúng có thể lan rộng đều khắp không gian, chúng không cần phương tiện để di chuyển qua, và biên độ của chúng là yếu tố quan trọng cho các thiết bị phát hiện, không phải năng lượng của chúng.

Ở thế kỷ 21, hình ảnh tốt nhất của chúng ta về Vũ Trụ dựa trên các trường lượng tử.

Ngoài trường trọng lực (cho đến nay mô tả lượng tử của nó vẫn chưa đạt được) và trường điện từ, còn có trường hạt nhân yếu, trường hạt nhân mạnh, và trường Higgs, tất cả có vẻ có tính chất giống như Cheshire Cat: một trường không có phương tiện, giống như Cheshire Cat chỉ có một nụ cười mà không có con mèo. Thật thú vị, Einstein — người đầu tiên đưa chúng ta đến Cheshire Cat cho ánh sáng, dù chúng ta thích hay không — lại dần ghét nó. Sau khi đưa ra thuyết tương đối tổng quát, Einstein lại bắt đầu nhìn không gian-thời gian như một vải, hoặc nói cách khác, như một phương tiện.

Liệu ông ấy có đúng không?

Chúng ta vẫn chưa biết. Không gian trống (hoặc không gian-thời gian) chắc chắn là thực theo nghĩa nó tồn tại; đó là nơi mọi thứ trong Vũ Trụ tồn tại! Chúng ta chắc chắn rằng một phương tiện không cần thiết, và nếu không gian tự nó là một phương tiện, nó không có bất kỳ tính chất truyền thống nào mà chúng ta liên kết với bất kỳ phương tiện nào khác đã biết. Tất cả các sóng không có khối lượng — sóng ánh sáng, sóng trọng lực, thậm chí sóng gluon — đều di chuyển với cùng tốc độ, vì tốc độ ánh sáng và tốc độ trọng lực là bằng nhau, nhưng liệu đây có phải là một gợi ý về một phương tiện cơ bản hay chỉ là một sự thật của thực tại vẫn chưa xác định.

Có một gợi ý lớn chống lại quan điểm rằng có một phương tiện cơ bản để các sóng này lan truyền qua, tuy nhiên: những nỗ lực hợp nhất các trường và lực.

Vào đầu những năm 1920, Theodor Kaluza và Oskar Klein đã cố gắng hợp nhất lực hấp dẫn và điện từ bằng cách thêm một chiều không gian phụ. Và rồi, thuyết tương đối tổng quát của Einstein và phương trình của Maxwell về điện từ đều xuất hiện! Nhưng chúng được liên kết với nhau bởi một trường mới: radion. Tuy nhiên, không có bất kỳ đặc tính nào của radion được thí nghiệm hay quan sát chứng minh; tất cả phải bị loại bỏ, theo cách nào đó, để khôi phục lại Vũ Trụ mà chúng ta thấy.

Các mở rộng khác đối với vật lý lý thuyết — lực hấp dẫn Brans-Dicke, lý thuyết hợp nhất vĩ đại, siêu đối xứng, chiều không gian phụ, lý thuyết dây — đều gặp phải vấn đề tương tự.

Mặc dù ý tưởng về một phương tiện để sóng di chuyển qua có vẻ hấp dẫn, nhưng bằng chứng cho nó không chỉ không tồn tại, mà những bằng chứng chúng ta đã thu thập lại siết chặt tất cả các kịch bản này. Không có các số vô hướng trong trọng lực; không có sự phân rã proton; chỉ có một hạt Higgs; không có di tích của các chiều không gian phụ; không có sự chảy máu của hiện tượng điện từ vào trọng lực.

Có thể vẫn có một phương tiện, hoặc một loại aether chưa biết, thực sự là nền tảng của tất cả thực tại, nhưng nếu có, chúng ta không có bằng chứng cho nó. Thiên nhiên đang nói với chúng ta rằng chúng ta có sóng lan truyền trong Vũ Trụ mà không cần một phương tiện nào cả: Cheshire Cat bí ẩn nhất mà chúng ta từng gặp phải.