Liệu không gian có cần năng lượng tối để tồn tại?

Có thể loại bỏ tất cả các dạng vật chất, bức xạ và độ cong khỏi không gian. Khi bạn làm vậy, năng lượng tối vẫn còn. Điều này có bắt buộc không?

Trong vũ trụ của chúng ta, một trong số ít điều chúng ta có thể chắc chắn là mọi tín hiệu mà chúng ta từng quan sát đều xuất phát từ cấu trúc của không-thời gian. Các thiên hà, ngôi sao, hành tinh, nguyên tử, hạt, phản hạt, photon, sóng hấp dẫn và nhiều hơn thế nữa đều tồn tại trong và lan truyền qua cấu trúc của không gian, ảnh hưởng đến mọi thứ mà chúng gặp phải.

Mặc dù rất khó khăn, nhưng có thể tìm thấy những vùng không gian cực kỳ trống rỗng: chỉ có những dấu vết nhỏ nhất của vật chất và bức xạ được tìm thấy trong các khoảng trống sâu thẳm giữa các thiên hà. Tuy nhiên, ngay cả trong những vùng này, không gian không chỉ tiếp tục tồn tại mà cấu trúc không-thời gian còn tiếp tục mở rộng, giống như nó vẫn làm trong toàn bộ phần còn lại của vũ trụ.

Sự liên kết giữa không gian và năng lượng tối

Có điều gì sâu sắc trong hiện tượng này không? Nó có nghĩa là không gian và năng lượng không thể được trích xuất từ nó – hay còn được gọi là năng lượng tối – phụ thuộc lẫn nhau để tồn tại không? Đây là câu hỏi của Allan Hall, người đã đặt vấn đề:

Nếu bạn có thể loại bỏ tất cả vật chất baryon và vật chất tối khỏi không gian, tôi nghĩ rằng không gian vẫn sẽ tồn tại. Tôi hiểu rằng năng lượng tối được xem là ‘cấu trúc’ của không gian và là thứ đã thúc đẩy sự mở rộng từ lúc khởi đầu; nhưng liệu không gian có phụ thuộc vào năng lượng tối cho sự tồn tại của nó (và của vũ trụ) không?

Liệu không gian có thể tồn tại mà không có năng lượng tối không? Đây là một câu hỏi sâu sắc, khiến chúng ta phải suy ngẫm rất nhiều. Hãy cùng tìm hiểu!

Theo lý thuyết, hiệu ứng Schwinger cho rằng trong sự hiện diện của các trường điện mạnh đủ, các hạt (có điện tích) và các phản hạt của chúng sẽ bị xé ra khỏi chân không lượng tử – tức là bản thân không gian trống rỗng – để trở thành thực. Hiệu ứng này được Julian Schwinger đề xuất vào năm 1951, và những dự đoán của ông đã được xác nhận sau khoảng 70 năm trong một thí nghiệm mô phỏng trên bàn thí nghiệm bằng hệ lượng tử tương tự.

Liệu không gian có thể tồn tại mà không có các trường này, hoặc năng lượng mà chúng mang trong trạng thái nền của chúng, vẫn là một câu hỏi chưa được giải đáp.

Hai cách tiếp cận về cấu trúc không gian

Có hai cách cơ bản để nhìn vào cấu trúc của không gian: từ quan điểm của trường lượng tử và từ quan điểm của thuyết tương đối rộng của Einstein. Trong mỗi kịch bản này, có một sự hiểu biết về không gian tương tự nhưng không giống hệt nhau.

Hơn nữa, trong mỗi bức tranh này, không gian có thể mang một năng lượng vốn có, không bằng không, ở mọi nơi, và các khái niệm này cũng không hoàn toàn giống nhau.

Cuối cùng, có những gì chúng ta biết về vũ trụ của mình từ quan điểm quan sát, là cơ sở để chúng ta hiểu về năng lượng tối hiện nay và khiến chúng ta tin chắc rằng nó thực sự tồn tại.

Câu hỏi lớn – và tôi sẽ thừa nhận rằng đây vẫn là một câu hỏi chưa được giải đáp – là cách mà 3 quan điểm khác nhau này:

– Quan điểm lý thuyết trường lượng tử,

– Quan điểm thuyết tương đối rộng,

– Và quan điểm quan sát.

Sẽ liên kết với nhau như thế nào?

Chúng ta có thể đưa ra một lời giải thích nhất quán kết nối cả ba, nhưng không có gì đảm bảo rằng đó là sự phản ánh đúng về bản chất, thay vì một giới hạn tiềm tàng trong hiểu biết lý thuyết của chúng ta về cách vũ trụ vận hành.

Một phần lý do khiến câu hỏi này trở nên thú vị là bởi, về cơ bản, chúng ta chỉ có một hiểu biết rất thô sơ về chính năng lượng tối – cả từ quan sát lẫn lý thuyết.

Một vài thuật ngữ đóng góp vào năng lượng điểm không trong điện động lực học lượng tử. Sự phát triển của lý thuyết này, nhờ Richard Feynman, Julian Schwinger và Shinichiro Tomonaga, đã mang về cho họ giải Nobel vào năm 1965.

Những sơ đồ này có thể khiến chúng ta nghĩ rằng các hạt và phản hạt đang xuất hiện rồi biến mất khỏi tồn tại, nhưng thực tế chúng chỉ là một công cụ tính toán; các hạt này là ảo, không phải thực.

Vào thế kỷ 20, có lẽ thay đổi lớn nhất trong hiểu biết của chúng ta về cách vũ trụ hoạt động đến từ cuộc cách mạng lượng tử. Thực tại, như chúng ta hiểu ngày nay, bao gồm các hạt lượng tử – bao gồm hạt, phản hạt và boson – lan truyền qua cấu trúc của không gian.

Mọi thứ hành xử như một hạt khi tương tác, ngay cả ánh sáng, vốn được cấu tạo từ các gói năng lượng riêng lẻ (tức là photon) thay vì một dòng liên tục giống như sóng. Trong vũ trụ của chúng ta, theo những gì chúng ta hiểu, mọi thứ đều mang bản chất lượng tử.

Điều này không chỉ áp dụng cho các lượng tử tạo nên thực tại như chúng ta biết, mà còn cho các trường bao trùm toàn bộ không gian.

Mỗi hạt có điện tích:

– Điện tích màu, thuộc lực mạnh (được mang bởi quark, phản quark và gluon),

– Isospin yếu hoặc siêu tích yếu, bao gồm tất cả quark, phản quark, lepton, phản lepton, cùng với boson W và Z,

– Điện tích, bao gồm tất cả quark và phản quark, các lepton tích điện và phản lepton, cùng với boson W (nhưng không phải Z),

– Hoặc thậm chí (về lý thuyết) một điện tích hấp dẫn, chẳng hạn như khối lượng hoặc một mức năng lượng vốn có, áp dụng cho tất cả hạt và phản hạt,

tương tác với các trường lượng tử lan tràn khắp vũ trụ của chúng ta, và các trường này không thể tách rời khỏi bản thân không gian.

Tác động của sóng điện từ lên không gian trống

Khi sóng điện từ lan truyền ra xa từ một nguồn được bao quanh bởi từ trường mạnh, hướng phân cực của chúng sẽ bị ảnh hưởng bởi tác động của từ trường lên không gian trống: hiện tượng lưỡng chiết chân không. Bằng cách đo các hiệu ứng phụ thuộc bước sóng của sự phân cực quanh các sao neutron có đặc tính phù hợp, chúng ta có thể xác nhận các dự đoán về hạt ảo trong chân không lượng tử.

Một trong những nhận thức vĩ đại của vật lý thế kỷ 20 là các trường lượng tử này vẫn tồn tại trên khắp không gian tại mọi thời điểm – ngay cả khi không có bất kỳ điện tích nào có thể tạo ra chúng. Điều này xuất hiện qua các thí nghiệm dưới nhiều hình thức khác nhau, bao gồm:

– Hiện tượng phân cực/lưỡng chiết chân không, trong đó chính không gian trống bị phân cực bởi một từ trường bên ngoài.

– Hiệu ứng Casimir, nơi hai tấm dẫn điện được đặt trong chân không cảm nhận lực hút tịnh giữa chúng do các chế độ điện từ ảo bị loại trừ.

– Hiệu ứng Schwinger, nơi một điện trường mạnh có thể kéo cặp hạt – phản hạt ra khỏi chính không gian trống và khiến chúng trở thành thực.

Theo lý thuyết trường lượng tử, điều này là do tất cả các trường (lượng tử) này luôn tồn tại trên khắp không gian và không thể tách rời khỏi không gian, ngay cả khi không có các lượng tử mang điện tích của trường đó.

Bạn có thể đã thấy các minh họa về hạt xuất hiện rồi biến mất hoặc một trường dao động ngẫu nhiên được xem như một phần vốn có của không gian. Mặc dù đây chắc chắn là một cách diễn giải hấp dẫn, nhưng nó không nhất thiết chính xác về mặt kỹ thuật. Thay vào đó, bức tranh chính xác hơn nên được coi là các trường này luôn tồn tại, có mặt khắp nơi, và chỉ khi có ảnh hưởng bên ngoài – như hạt/phản hạt, trường ngoại vi, ranh giới, v.v. – thì bạn mới có thể quan sát được sự hiện diện của chúng.

Trường lượng tử và năng lượng chân không

Các trường lượng tử luôn tồn tại, và chúng không thể bị loại bỏ hay tách khỏi không gian. Tất cả các trường đều có một trạng thái năng lượng thấp nhất, gọi là trạng thái cơ bản, hoặc trạng thái năng lượng điểm không. Khi bạn loại bỏ tất cả mọi thứ – bao gồm hạt/ phản hạt, trường, ranh giới, – trạng thái này vẫn còn. Được biết đến với các tên gọi:

– Trạng thái cơ bản.

– Trạng thái năng lượng điểm không.

– Trạng thái năng lượng thấp nhất.

– Hoặc đơn giản là chân không lượng tử.

Đây là một thuộc tính vốn có của tất cả các hệ thống, nhưng lại đi kèm với một khó khăn cơ bản: Chúng ta không biết cách tính toán chính xác lượng năng lượng này hoặc giá trị mà nó nên có.

Trong lý thuyết dây, ví dụ, có một số lượng khổng lồ các trạng thái chân không khả dĩ (ít nhất là khoảng ~10⁵⁰⁰), và cách duy nhất để biết trạng thái nào mô tả vũ trụ của bạn là đo lường nó. Nhiều nhà nghiên cứu đã cố gắng tính toán, thông qua việc tổng hợp các biểu đồ Feynman khác nhau trong lý thuyết trường lượng tử, để trực tiếp tính toán các đóng góp cho chân không lượng tử. Thật không may, điều này dẫn đến các giá trị lớn hơn thực tế khoảng ~10¹²⁰ lần. Một số người cho rằng các biểu đồ này phải hủy nhau, dẫn đến năng lượng điểm không bằng 0, nhưng hiện tại không có bằng chứng hỗ trợ ý tưởng này – nó chỉ là một giả thuyết.

Tóm lại, lý thuyết trường lượng tử cho thấy rằng có thể tồn tại một giá trị năng lượng hữu hạn, không bằng 0 vốn có trong không gian. Tuy nhiên, chúng ta vẫn chưa phát triển hiểu biết của mình đủ xa để xác định giá trị này nên là bao nhiêu hoặc cách tính toán nó.

Mặt khác, chúng ta có thuyết phi lượng tử về trọng lực – thuyết tương đối tổng quát – mô tả vũ trụ của chúng ta một cách hoàn hảo trong mọi chế độ mà nó đã được kiểm tra nghiêm ngặt. Thay vì một bức tranh lượng tử về thực tại, thuyết tương đối tổng quát kết hợp không gian và thời gian thành một cấu trúc cong, dao động và có thể giãn nở hoặc co lại tùy thuộc vào sự phân bố của các dạng vật chất và năng lượng trong đó.

Những nguồn lớn như thiên hà, sao, và hố đen có thể làm không gian cong mạnh mẽ. Không gian cong này sau đó sẽ hướng dẫn tất cả các dạng vật chất và năng lượng khác tồn tại hoặc lan truyền trong không gian cong đó cách chúng di chuyển và tiến hóa trong tương lai.

Một lần nữa, giống như trường hợp lý thuyết trường lượng tử, chúng ta có thể cố gắng loại bỏ tất cả mọi thứ khỏi một khu vực rộng lớn của không gian: tất cả các dạng vật chất và phản vật chất, tất cả các nguồn khối lượng gần đó, tất cả các loại và loại bức xạ, hoặc bất kỳ dạng năng lượng tối nào. Hãy lấy đi tất cả, xa đến mức bạn có thể tưởng tượng, cho đến khi tất cả những gì còn lại chỉ là khoảng trống vô tận của không gian. Bạn sẽ thấy rằng, giống như trước đây, có một dạng năng lượng – nếu nó không bằng 0 – mà bạn không thể loại bỏ khỏi vũ trụ bằng bất kỳ cách nào: hằng số vũ trụ, hoặc một dạng năng lượng vốn có của không gian.

Hằng số vũ trụ có một lịch sử thú vị: nó lần đầu tiên được Einstein thêm vào phương trình của mình để ngăn vũ trụ giãn nở hoặc co lại. Không có nó, bất kỳ hệ trọng lực nào cũng sẽ không ổn định, hoặc sụp đổ thành một điểm kỳ dị hoặc giãn nở đến vô tận. Sau khi phát hiện ra vũ trụ giãn nở vào cuối những năm 1920, Einstein cuối cùng gọi việc đưa hằng số vũ trụ vào là sai lầm lớn nhất đời mình, mặc dù không có gì sai với một vũ trụ có hằng số vũ trụ khác không. Chỉ là không có lý do gì để giả định nó có giá trị khác không.

Tóm lại, thuyết tương đối tổng quát thừa nhận khả năng rằng có một năng lượng dương, khác không, vốn có và không thể tách rời khỏi cấu trúc của không gian. Nhưng nó cũng không cung cấp cách nào để tính toán giá trị năng lượng này hoặc trả lời câu hỏi liệu nó có liên quan đến giá trị năng lượng điểm không của không gian từ lý thuyết trường lượng tử hay không.

Thành phần vật chất và năng lượng trong vũ trụ

Thành phần vật chất và năng lượng trong vũ trụ tại thời điểm hiện tại (trái) và trong những thời điểm trước đó (phải). Lưu ý rằng năng lượng tối và vật chất tối chiếm ưu thế ngày nay, nhưng vật chất thường vẫn tồn tại. Vào những thời điểm đầu tiên, vật chất thường và vật chất tối vẫn quan trọng, trong khi năng lượng tối gần như không đáng kể, và các photon cùng neutrino đóng vai trò quan trọng. Tốc độ giãn nở được xác định bởi giá trị tức thời của mật độ, không phải bởi sự phân bố của biểu đồ hình tròn.

Cuối cùng, chúng ta đối mặt với điều mà tất cả các lý thuyết vật lý đều phải đối diện: các quan sát thực tế từ chính vũ trụ. Chúng ta có thể đặt câu hỏi Vũ trụ được tạo thành từ gì? bằng cách đồng thời:

– Hiểu các phương trình, được suy ra từ thuyết tương đối tổng quát, chi phối sự giãn nở của vũ trụ,

– Và sử dụng các phương pháp đo lường khác nhau để xem vũ trụ của chúng ta thực sự đã giãn nở như thế nào trong lịch sử vũ trụ học.

Do mối quan hệ phức tạp giữa cách không thời gian bị uốn cong, giãn nở và tiến hóa cùng sự phân bố và mật độ của tất cả các dạng vật chất và năng lượng trong vũ trụ, việc thực hiện các phép đo này cho phép chúng ta biết được vũ trụ được tạo thành từ những gì.

Các phương pháp đo lường bao gồm, nhưng không giới hạn ở:

– Nền vi sóng vũ trụ (CMB), là ánh sáng còn sót lại từ Big Bang,

– Một đặc trưng gọi là dao động âm học baryon (BAO), cung cấp một thang đo khoảng cách (giãn nở cùng vũ trụ) mô tả sự cụm lại của các thiên hà và có thể đo lường qua cấu trúc lớn của vũ trụ,

– Và các vật thể ở xa, bao gồm các quasar và thiên hà, có thể được đo các thuộc tính nội tại, cùng với dịch chuyển đỏ và khoảng cách của chúng từ chúng ta.

Khi tổng hợp các bằng chứng từ nhiều nguồn, bao gồm tất cả ba phương pháp trên, chúng ta đạt đến một bức tranh không thể tránh khỏi về vũ trụ: một vũ trụ chứa vật chất thường, bức xạ, và neutrino, nhưng tất cả những thứ này, kết hợp lại, chỉ chiếm 5% tổng năng lượng trong vũ trụ.

27% tổng năng lượng là vật chất có khối lượng nhưng không thuộc Mô Hình Chuẩn: dạng năng lượng bí ẩn được gọi là vật chất tối. 68% còn lại, hay phần lớn của vũ trụ theo nhà vật lý đạt giải Nobel Adam Riess, chính là thứ chúng ta gọi hôm nay là năng lượng tối.

Các đặc điểm tiềm năng của năng lượng tối

Nếu năng lượng tối không phải là một hằng số theo thời gian, nó không nên được mô tả bằng một tham số duy nhất w, mà thay vào đó là hai hoặc nhiều tham số cho phép nó tiến hóa theo thời gian. Trong hình trên, các đường chấm giao nhau đại diện cho một hằng số vũ trụ đơn giản đối với năng lượng tối. Dữ liệu từ DESI, khi kết hợp với CMB và/ hoặc dữ liệu siêu tân tinh, cho thấy rõ rằng năng lượng tối có thể có dạng tiến hóa, yếu dần theo thời gian.

Hầu hết các phép đo của chúng ta chỉ ra rằng năng lượng tối hành xử như một hằng số vũ trụ, mặc dù có một số dữ liệu gần đây từ dao động âm học baryon cho thấy năng lượng tối từng là một hằng số trong phần lớn lịch sử vũ trụ, nhưng có thể đã suy yếu một chút trong những thời gian gần đây – chỉ trong vài tỷ năm qua.

Nếu năng lượng tối tiến hóa về cường độ – nghĩa là, mật độ năng lượng – theo thời gian, chúng ta không thể đồng nhất nó với năng lượng điểm không trong không gian từ lý thuyết trường lượng tử hoặc với hằng số vũ trụ từ thuyết tương đối tổng quát.

Chỉ khi năng lượng tối thực sự là một hằng số, cả trong không gian và xuyên suốt thời gian vũ trụ, thì những mô tả này mới phù hợp với cách chúng ta hiểu vũ trụ vận hành.

Khi vũ trụ trải qua sự giãn nở, chúng ta chỉ có một thời điểm duy nhất trong lịch sử vũ trụ mà năng lượng vốn có trong không gian dường như thay đổi: khi kết thúc lạm phát vũ trụ, và tương ứng, là sự khởi đầu của Big Bang nóng.

Trong giai đoạn lạm phát vũ trụ, có bằng chứng mạnh mẽ cho thấy vũ trụ đã bị chi phối bởi một thời kỳ mà năng lượng không chỉ vốn có trong không gian mà còn cực kỳ lớn: có giá trị lớn hơn ít nhất ~10^100 lần so với giá trị năng lượng tối hiện nay.

Khi lạm phát kết thúc, phần lớn năng lượng khổng lồ đó được chuyển đổi thành các lượng tử khác nhau: chẳng hạn như vật chất, phản vật chất, và bức xạ.

Tuy nhiên, bằng cách nào đó, dường như sự kết thúc của lạm phát không làm giá trị năng lượng vốn có của không gian (năng lượng tối) giảm xuống 0, mà thay vào đó là một giá trị nhỏ, dương, nhưng không bằng 0: giá trị mà chúng ta quan sát được ngày nay.

Một trường vô hướng φ trong một trạng thái chân không giả. Lưu ý rằng năng lượng E cao hơn năng lượng trong trạng thái chân không thực hoặc trạng thái cơ bản, nhưng có một rào cản ngăn trường trượt xuống trạng thái chân không thực theo cách cổ điển. Cũng lưu ý rằng trạng thái năng lượng thấp nhất (chân không thực) được phép có một giá trị hữu hạn, dương, không bằng 0.

Đây là ba thông tin chúng ta có về năng lượng vốn có trong không gian:

– Chúng ta có thể liên kết giá trị này với năng lượng điểm không của không gian trong lý thuyết trường lượng tử,

– Giá trị của hằng số vũ trụ trong thuyết tương đối tổng quát,

– Hoặc cường độ của năng lượng tối trong vũ trụ quan sát được ngày nay, mà đã giảm ít nhất một lần, và giảm mạnh, từ giá trị lớn hơn nhiều trong thời kỳ lạm phát vũ trụ.

Những câu hỏi còn bỏ ngỏ

Liệu năng lượng này có thể được trích xuất khỏi không gian không? Và nếu được, liệu không gian có thể tiếp tục tồn tại mà không có nó? Điều này sẽ dẫn đến một kịch bản suy thoái chân không, điều này sẽ là thảm họa đối với sự sống, các hành tinh, các ngôi sao, nguyên tử và nhiều thứ khác.

Nhưng điều đó không phải là không thể, và nó sẽ không làm không gian ngừng tồn tại.

Liệu năng lượng tối có tiến hóa hoặc suy yếu theo thời gian không? Nếu có, thì nó không thể được đồng nhất với năng lượng điểm không hoặc hằng số vũ trụ, mà thay vào đó là một loại trường có giá trị không cố định, ngụ ý rằng không gian có thể tồn tại mà không cần nó.

Nhưng nếu năng lượng tối thực sự là một hằng số, thì chúng ta có thể giả thuyết rằng có lẽ chân không lượng tử từ lý thuyết trường lượng tử, hằng số vũ trụ từ thuyết tương đối tổng quát, và hiện tượng quan sát được gọi là năng lượng tối đều là cùng một thứ: một thước đo năng lượng không thể loại bỏ khỏi không gian trống rỗng, dù bạn làm gì đi nữa.

Liệu không gian có thể tồn tại mà không có nó? Trừ khi năng lượng tối thực sự tiến hóa, câu trả lời tốt nhất mà chúng ta có thể đưa ra là: Nếu điều đó là sự thật, chúng ta vẫn chưa thấy bằng chứng cho nó.