Chúng ta có thể sống trong một vũ trụ ba chiều, một nhà vũ trụ học nói

 

Khái niệm ba chiều này có thể giải thích một bí ẩn về lỗ đen, nhưng toán học có thể không đại diện cho thực tế.

Khi vật lý lý thuyết nghiên cứu sâu hơn về bản chất cơ bản của thực tại , chúng ta phải vật lộn với những câu hỏi mà nó để lại cho chúng ta. Ví dụ, một số nhà vật lý cho rằng vũ trụ của chúng ta chỉ là một ảo ảnh , một sản phẩm của các máy lượng tử xảy ra trong một môi trường có chiều thấp hơn—nói cách khác, một hình ba chiều.

Nhưng những hiểu biết lý thuyết mới nhất này có đưa ra những khám phá về thực tế hay chỉ đóng vai trò là công cụ toán học giúp chúng ta giải quyết những vấn đề hóc búa? Khi nói đến các lý thuyết vật lý tiên tiến nhất, đâu là sản phẩm của trí tưởng tượng của chúng ta và đâu là sản phẩm của vũ trụ?

Hố đen có thể là bằng chứng

Rắc rối bắt đầu với những ông kẹ phiền phức của vũ trụ, lỗ đen. Nhìn bề ngoài (và những độc giả cẩn thận sau này sẽ được thưởng khi nhận ra rằng đây là một trò chơi chữ), lỗ đen rất đơn giản; mọi thứ rơi vào và không bao giờ thoát ra được. Tất cả thông tin về những thứ đó sẽ bị khóa sau chân trời sự kiện, không bao giờ được nhìn thấy nữa. Nhưng vào những năm 1970, nhà vật lý thiên văn nổi tiếng Stephen Hawking nhận ra rằng lỗ đen không hoàn toàn đen. Chúng hơi xám và hơi rò rỉ, phát ra một lượng nhỏ bức xạ khiến các hố đen bốc hơi từ từ, nhưng chắc chắn, hoàn toàn không còn tồn tại.

Một manh mối quan trọng đã xuất hiện trong nhiều thập kỷ sau khám phá phi thường của Hawking. Một cách để đo lượng thông tin là thông qua entropy, một khái niệm nhiệt động lực học liên quan lỏng lẻo đến lượng hỗn loạn trong một hệ thống. Các lỗ đen có một tính chất đáng ngạc nhiên: entropy của chúng tỷ lệ với diện tích bề mặt chứ không phải thể tích của chúng. Nói cách khác, lượng thông tin trong lỗ đen liên quan đến bề mặt hai chiều của nó, chứ không phải thể tích ba chiều của nó.

Vật thể này gần như không giống với mọi vật thể khác trong toàn vũ trụ, và do đó, một cách tự nhiên, rất nhiều nhà vật lý đột nhiên trở nên rất quan tâm đến lỗ đen, với các nhà vật lý hàng đầu như Leonard Susskind dẫn đầu cuộc tấn công vào vùng đất mới này của nguyên lý ảnh ba chiều . Tên đến từ hình ba chiều chính nó. Bạn đã bao giờ nhìn thấy ảnh ba chiều trong đời thực và có vẻ như hình ảnh đó hiện ra trước mặt bạn chưa? Đó là bởi vì hình ba chiều mã hóa tất cả thông tin ba chiều trong một bề mặt hai chiều.

Vì vậy, dường như có điều gì đó buồn cười về lỗ đen, trong đó thông tin của chúng dường như được mã hóa trên bề mặt hai chiều của chúng. Có lẽ điều này cũng đúng với toàn bộ vũ trụ.

Một vũ trụ hai chiều?

Ý tưởng này không điên rồ như lần đầu tiên nó xuất hiện, bởi vì chúng ta thực sự có thể có một ví dụ hoạt động của nguyên lý ảnh ba chiều đang hoạt động. Nó được biết đến với cái tên tương ứng AdS/CFT khá khó hiểu và được phát triển vào năm 1997 bởi nhà vật lý Juan Maldacena.

Để hiểu, chúng ta hãy xây dựng một loại vũ trụ đặc biệt với một số tính chất kỳ lạ. Một, vũ trụ này có năm chiều không gian. Hai, nó hoàn toàn không có vật chất và bức xạ. Thứ ba, nó chứa đựng một lực vũ trụ bền bỉ uốn cong nó vào trong. Loại không thời gian này được gọi là không gian phản de Sitter (năm chiều).

Bây giờ, giả sử bạn đang cố gắng giải quyết một vấn đề rất phức tạp trong vũ trụ đó, chẳng hạn như cách hoạt động của lực hấp dẫn lượng tử . Chúng tôi đã cố gắng giải quyết vấn đề hấp dẫn lượng tử trong gần một thế kỷ nay và trong khi chúng tôi chưa có câu trả lời nào, chúng tôi có một bộ công cụ mà chúng tôi hy vọng một ngày nào đó sẽ dẫn chúng tôi đến câu trả lời. Bộ công cụ đó được gọi là lý thuyết dây .

Maldacena đã phát hiện ra rằng bạn có thể chuyển đổi vấn đề này – vấn đề làm thế nào để giải được lực hấp dẫn lượng tử trong vũ trụ kỳ lạ này – thành một vấn đề hoàn toàn khác tồn tại trên ranh giới bốn chiều của nó. Sau khi bạn thực hiện phép biến đổi đó, tất cả lực hấp dẫn sẽ biến mất, được thay thế bằng một loại lý thuyết lượng tử đặc biệt được gọi là lý thuyết trường phù hợp (là phần CFT của sự tương ứng). Hiện tại, chúng ta đã trở nên cực kỳ lão luyện trong việc giải quyết các vấn đề về lý thuyết trường lượng tử và chúng ta có rất nhiều công cụ đã được thử nghiệm kỹ lưỡng để giải quyết các loại toán học đó.

Maldacena đã thực hiện vật lý lý thuyết tương đương với một trò ảo thuật: ông có thể lấy một bài toán mà chúng ta không biết cách giải (lực hấp dẫn lượng tử với lý thuyết dây) và biến nó thành một bài toán mà chúng ta có thể giải (một lý thuyết trường phù hợp với lượng tử ) . lĩnh vực).

Đây có phải là nguồn gốc của không thời gian?

Và đây là nơi mọi thứ trở nên thực sự hoang dã. Một số nhà vật lý đã phát triển và mở rộng ý tưởng này từ một công cụ đơn thuần để giải các bài toán hấp dẫn gây đau đầu sang việc giải thích chính lực hấp dẫn . Họ tuyên bố rằng họ đã phát hiện ra những tương ứng trong đó bản chất lượng tử của tất cả các trường tồn tại ở ranh giới của không thời gian này khiến thuyết tương đối rộng xuất hiện bên trong nó. Thuyết tương đối rộng là mô tả của chúng ta về lực hấp dẫn, trong đó chúng ta xem lực hấp dẫn dưới dạng các khúc cua và nếp nhăn trong không gian và thời gian. Vì vậy, nói cách khác, nguyên lý toàn ảnh có thể cho chúng ta biết rằng các tương tác lượng tử tồn tại ở biên giới vũ trụ của chúng ta biểu hiện không thời gian bên trong nó theo đúng nghĩa đen .

Nếu điều này đúng, thì cái mà chúng ta coi là một vũ trụ ba chiều, chứa đầy những vật thể thú vị và vui nhộn tương tác thông qua lực hấp dẫn, thực sự là một bề mặt hai chiều chứa đầy những trò tai quái lượng tử kỳ lạ mà từ đó tất cả những thứ khác xuất hiện.

Đó là một nếu lớn .

Mặc dù đã có nhiều thập kỷ nghiên cứu theo hướng này, nhưng nguyên tắc hình ba chiều vẫn có một số thiếu sót. Đầu tiên, con cưng lý thuyết của nó, tương ứng AdS/CFT, ở giai đoạn này chỉ là phỏng đoán về điều gì có thể đúng dựa trên các mối quan hệ toán học được quan sát nhất định; không ai đã thực sự chứng minh sự tương ứng là đúng. Ngoài ra, ngay cả khi chúng ta đã làm như vậy, thì vũ trụ được mô tả trong bức thư tương ứng trông không giống vũ trụ mà chúng ta đang sống. Vũ trụ của chúng ta có ba chiều không gian chứ không phải năm chiều và nó có một chiều thời gian. Nó không trống rỗng và không tự đóng lại mà thay vào đó chứa đầy vật chất và bức xạ, và hiện đang trải qua giai đoạn giãn nở tăng tốc.. Quan trọng nhất, vũ trụ của chúng ta không có biên giới rõ ràng, vì vậy toàn bộ lý do tồn tại của nguyên lý toàn ảnh đã chết chìm trong nước.

Và thậm chí hấp dẫn như bản chất của thông tin về lỗ đen, chưa ai có thể sử dụng thành công nguyên lý toàn ảnh để mô tả chính xác điều gì xảy ra với các lỗ đen thực trong vũ trụ thực . Chưa kể, toàn bộ thứ entropy kỳ lạ về lỗ đen không áp dụng cho các vật thể khác: chẳng hạn, nếu tôi đưa thông tin vào bạn, thì entropy sẽ tăng tỷ lệ thuận với thể tích của bạn.

Nhưng này, đó là một lĩnh vực trẻ. Các nhà vật lý và hóa học đã mất hơn một thế kỷ để cuối cùng quyết định rằng các nguyên tử tồn tại, vì vậy sẽ hơi bất công khi vội vàng phán xét về những hiểu biết hoàn toàn mới về thực tế . Nhưng nếu những giấc mơ ngông cuồng nhất của họ trở thành sự thật thì sao? Điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta tìm thấy mối liên hệ mật thiết giữa vật lý của vũ trụ ba chiều của chúng ta và vật lý trên ranh giới?

Vì vậy, Vũ trụ của chúng ta có phải là một hình ba chiều không? Hay một ảo ảnh toán học?

Ý nghĩa của lý thuyết ba chiều là âm u, tốt nhất. Một số nhà vật lý đã đi hết con đường, tuyên bố rằng thực tế của chúng ta là một ảo ảnh, rằng những gì chúng ta cảm nhận như không gian, thời gian và lực hấp dẫn chỉ là biểu hiện của một thực tại sâu hơn tồn tại trong ít chiều hơn—rằng vũ trụ của chúng ta, theo đúng nghĩa đen, là một hình ba chiều.

Nhưng các giải pháp toán học cho các lý thuyết vật lý không nhất thiết phải áp đặt thực tế. Người ta có thể dễ dàng lập luận rằng, nếu nguyên lý ảnh ba chiều trở nên hữu ích, thì chúng ta chỉ đơn thuần khám phá ra một công cụ toán học mạnh mẽ—và thậm chí là sống còn—để ​​hiểu vũ trụ của chúng ta. Nhưng điều đó không có nghĩa là những gì toán học cho chúng ta biết là có thật.

Ví dụ, các nhà vật lý thường sử dụng vô số trò chơi toán học để giải các bài toán. Đôi khi các vấn đề được đưa vào các chiều cao hơn hoặc thấp hơn; đôi khi chúng bị biến thành thế giới của những con số ảo; đôi khi chúng ta di chuyển các quá trình qua lại trong thời gian. Chúng tôi nhận ra những công cụ này vì chúng là: phương pháp giải quyết các vấn đề thách thức, không phải là công thức mới về các thành phần cơ bản của thực tế.

Mặt khác, đôi khi các thủ thuật toán học được nâng cao và đưa vào sự hiểu biết của chúng ta về vũ trụ vật chất. Lấy thuyết tương đối rộng. Trước công trình của Einstein, chúng ta hình dung lực hấp dẫn là một lực giống như bất kỳ lực nào khác, một tập hợp các sợi dây vô hình kết nối mọi vật thể với khối lượng. Nhưng bây giờ chúng ta coi lực hấp dẫn là sự biến dạng trong kết cấu của không thời gian. Chúng tôi đánh giá quan điểm do thuyết tương đối rộng cung cấp là “thực tế” hơn so với những hiểu biết trước Einstein, nhờ nó cung cấp độ chính xác và hiểu biết sâu sắc hơn về lực hấp dẫn. Nhưng bạn có thể dễ dàng nói rằng tất cả chỉ là một kế hoạch toán học được phát triển bởi bộ não con người nhỏ bé của chúng ta để giúp chúng ta tổ chức và hiểu thế giới, một điều cuối cùng chỉ là hư cấu. Trên thực tế, vũ trụ chỉ làm những gì vũ trụ làm.

Nếu nguyên lý toàn ảnh thực sự dẫn đến một quan niệm mới và mang tính cách mạng về vũ trụ của chúng ta, thì cuối cùng, chúng ta sẽ quyết định xem thực tế của chúng ta như chúng ta hiểu là ảo ảnh hay các nhà vật lý cần quay lại làm việc.