Trong hành trình kiếm tìm sự sống và nền văn minh ngoài hành tinh để trả lời cho câu hỏi "Loài người có cô đơn trong vũ trụ không?", chúng ta lại vấp phải vô số bí ẩn của vũ trụ mà khoa học hiện đại chưa thể giải mã.
Năm 1900, nhà vật lý người Anh Lord Kelvin tuyên bố: "Không có gì mới được khám phá trong vật lý hiện nay. Tất cả những gì còn lại là phép đo ngày càng chính xác hơn".
Trong vòng ba thập kỷ, cơ học lượng tử và thuyết tương đối của Einstein đã tạo nên một cuộc cách mạng trong lĩnh vực này. Ngày nay, không một nhà vật lý nào dám khẳng định rằng kiến thức vật lý của chúng ta về vũ trụ đã gần hoàn thiện. Ngược lại, mỗi khám phá mới dường như mở ra một hộp Pandora gồm những câu hỏi vật lý thậm chí còn lớn hơn, sâu hơn.
Vậy, đâu là những câu hỏi lớn khiến các nhà khoa học chưa thể giải mã?
1. Số phận của vũ trụ là gì?
Số phận của vũ trụ phụ thuộc mạnh mẽ vào một yếu tố chưa biết giá trị: Ω, một đơn vị đo mật độ vật chất và năng lượng trong toàn vũ trụ.
Nếu Ω lớn hơn 1, thì không-thời gian sẽ "đóng" giống như bề mặt của một quả cầu khổng lồ. Nếu không có năng lượng tối, một vũ trụ như vậy cuối cùng sẽ ngừng giãn nở và thay vào đó sẽ bắt đầu co lại, cuối cùng tự sụp đổ trong một sự kiện được gọi là "Vụ nổ lớn". Nếu vũ trụ là khép kín nhưng có năng lượng tối, vũ trụ hình cầu sẽ mở rộng mãi mãi.
Nguồn: Internet
Nếu Ω nhỏ hơn 1, thì hình học của không gian sẽ "mở" giống như bề mặt của yên ngựa. Trong trường hợp này, số phận cuối cùng của nó là "Big Freeze" sau đó là "Big Rip": Thứ nhất, gia tốc hướng ra ngoài của vũ trụ sẽ xé toạc các thiên hà và các ngôi sao, khiến tất cả vật chất trở nên lạnh lẽo và đơn độc. Tiếp theo, gia tốc sẽ phát triển mạnh đến mức nó sẽ lấn át tác dụng của các lực giữ các nguyên tử lại với nhau, và mọi thứ sẽ bị xé toạc.
Nếu Ω = 1, vũ trụ sẽ phẳng, kéo dài như một mặt phẳng vô hạn theo mọi hướng. Nếu không có năng lượng tối, một vũ trụ phẳng như vậy sẽ giãn nở mãi mãi nhưng với tốc độ giảm liên tục, tiến dần đến bế tắc. Nếu có năng lượng tối, vũ trụ phẳng cuối cùng sẽ trải qua quá trình giãn nở nhanh chóng dẫn đến Big Rip.
2. Vật chất tối/năng lượng tối là gì?
Khoảng 84% vật chất trong vũ trụ không hấp thụ hoặc phát ra ánh sáng. "Vật chất tối", như nó được gọi, không thể được nhìn thấy trực tiếp và nó cũng chưa được phát hiện bằng các phương tiện gián tiếp. Thay vào đó, sự tồn tại và các đặc tính của vật chất tối được suy ra từ tác động hấp dẫn của nó lên vật chất nhìn thấy, bức xạ và cấu trúc của vũ trụ.
Chất bóng tối này được cho là lan tỏa khắp vùng 'ngoại ô' của các thiên hà và có thể bao gồm "các hạt khối lượng lớn tương tác yếu", hoặc WIMP. Trên toàn thế giới, có một số công cụ dò tìm WIMP, nhưng cho đến nay, vẫn chưa tìm thấy. Một nghiên cứu gần đây cho thấy vật chất tối có thể tạo thành các dòng dài, hạt mịn trong khắp vũ trụ và các dòng như vậy có thể tỏa ra đến Trái Đất như những sợi tóc.
Trong vũ trụ học, năng lượng tối là một dạng năng lượng chưa biết rõ, chiếm phần lớn vũ trụ và có khuynh hướng tăng tốc độ giãn nở của vũ trụ.
3. Tại sao có nhiều vật chất hơn phản vật chất?
Câu hỏi tại sao lại có nhiều vật chất hơn vật chất song sinh quay ngược chiều và tích điện trái dấu của nó - gọi là phản vật chất, thực sự là một câu hỏi tổng quát dạng tại sao mọi thứ lại tồn tại.
Người ta giả định rằng vũ trụ sẽ xử lý vật chất và phản vật chất một cách đối xứng, và do đó, vào thời điểm xảy ra Vụ nổ lớn (Big Bang), đáng lẽ phải tạo ra một lượng vật chất và phản vật chất bằng nhau. Nhưng nếu điều đó xảy ra, thì sẽ có sự hủy diệt hoàn toàn cả hai: Proton sẽ bị hủy với phản proton (antiproton), electron với phản electron (positron), neutron với phản neutron (antineutron)... để lại một biển photon trong một vũ trụ rộng mở không vật chất.
Nguồn: Shutterstock
Vì lý do nào đó, có những vật chất dư thừa không bị tiêu hủy, và chúng ta ở đây. Đối với điều này, không có lời giải thích nào được chấp nhận. Bài kiểm tra chi tiết nhất cho đến nay về sự khác biệt giữa vật chất và phản vật chất, được công bố vào tháng 8 năm 2015, xác nhận chúng là hình ảnh phản chiếu của nhau, bí ẩn tại sao vật chất phổ biến hơn nhiều so với phản vật chất vật chưa có câu trả lời.
4. Có vũ trụ song song không?
Dữ liệu vật lý thiên văn cho thấy không-thời gian có thể là "phẳng", thay vì cong, và do đó nó tồn tại mãi mãi. Nếu đúng như vậy, thì khu vực mà chúng ta có thể thấy (mà chúng ta nghĩ là "vũ trụ") chỉ là một mảng trong một "đa vũ trụ" vô cùng lớn.
Đồng thời, các định luật của cơ học lượng tử chỉ ra rằng chỉ có một số hữu hạn các cấu hình hạt khả dĩ trong mỗi mảnh vũ trụ (10 ^ 10 ^ 122 khả năng khác biệt). Vì vậy, với một số vô hạn của các mảng vũ trụ, sự sắp xếp của các hạt bên trong chúng buộc phải lặp lại - lặp lại vô hạn. Điều này có nghĩa là có vô số vũ trụ song song: Các mảnh vũ trụ giống hệt như vũ trụ của chúng ta (chứa một người giống hệt bạn).
Có điều gì đó không ổn với logic đó, hay kết quả kỳ lạ của nó là sự thật? Và nếu nó là sự thật, làm thế nào chúng ta có thể phát hiện ra sự hiện diện của các vũ trụ song song?
5. Các lực của vũ trụ có hợp nhất thành một không?
Theo hiểu biết của khoa học hiện đại, vũ trụ có bốn lực cơ bản: Điện từ; Lực hạt nhân mạnh; Lực tương tác yếu (còn gọi là lực hạt nhân yếu); Và lực hấp dẫn.
Đến nay, các nhà vật lý biết rằng nếu bạn tăng đủ năng lượng - ví dụ, bên trong một máy gia tốc hạt - thì ba trong số các lực đó sẽ "hợp nhất" và trở thành một lực duy nhất. Các nhà vật lý đã cho chạy máy gia tốc hạt và hợp nhất lực điện từ và lực tương tác yếu, và ở năng lượng cao hơn, điều tương tự sẽ xảy ra với lực hạt nhân mạnh và cuối cùng là lực hấp dẫn.
Tuy nhiên, cho đến nay, không có máy gia tốc hạt nào đạt đến năng lượng đủ cao để hợp nhất lực mạnh với lực điện từ và lực tương tác yếu. Không rõ liệu các nhà khoa học có thể chế tạo được một thứ mạnh mẽ như vậy không; Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC), gần Geneva, có thể khiến các hạt va chạm vào nhau với năng lượng hàng nghìn tỷ vôn điện tử (khoảng 14 tera-electron vôn, hay TeV).
Để đạt đến năng lượng hợp nhất lớn, các hạt sẽ cần nhiều hơn ít nhất một nghìn tỷ lần, vì vậy các nhà vật lý buộc phải "săn lùng" bằng chứng gián tiếp về những lý thuyết như vậy.
6. Điều gì xảy ra bên trong một lỗ đen?
Điều gì xảy ra nếu một vật thể bị hút vào một lỗ đen (hố đên)? Theo các lý thuyết hiện tại, nếu bạn thả một khối sắt vào một lỗ đen, sẽ không có cách nào để lấy lại bất kỳ thông tin nào trong số đó. Đó là bởi vì lực hấp dẫn của lỗ đen rất mạnh nên tốc độ thoát ra của nó nhanh hơn ánh sáng - và ánh sáng là thứ nhanh nhất ở đó.
Tuy nhiên, một nhánh của khoa học gọi là cơ học lượng tử nói rằng thông tin lượng tử không thể bị phá hủy. Robert McNees, Phó giáo sư vật lý tại Đại học Loyola Chicago (Mỹ), cho biết: "Nếu bạn hủy thông tin này bằng cách nào đó, thì sẽ có chuyện gì xảy ra".
Thông tin lượng tử hơi khác so với thông tin chúng ta lưu trữ dưới dạng số 1 và số 0 trên máy tính hoặc những thứ trong não của chúng ta. Đó là bởi vì lý thuyết lượng tử không cung cấp thông tin chính xác, ví dụ, về vị trí của một vật thể, như tính toán quỹ đạo của một quả bóng chày trong cơ học.
Thay vào đó, những lý thuyết như vậy tiết lộ vị trí có khả năng xảy ra nhất hoặc kết quả có khả năng xảy ra nhất của một số hành động. Do đó, tất cả các xác suất của các sự kiện khác nhau nên cộng lại bằng 1 hoặc 100%.
Nguồn: ESO / L. Calçada
(Ví dụ: Khi bạn tung một con xúc xắc sáu mặt, cơ hội cho một mặt nhất định xuất hiện là 1/6, do đó xác suất của tất cả các mặt cộng lại là 1 và bạn không thể chắc chắn hơn 100% một điều gì đó sẽ xảy ra.) Lý thuyết lượng tử, do đó, được gọi là đơn nhất. Nếu bạn biết cách một hệ thống kết thúc, bạn có thể tính toán nó bắt đầu như thế nào.
Để mô tả một lỗ đen, tất cả những gì bạn cần là khối lượng, mômen động lượng (nếu nó đang quay) và điện tích. Không có gì thoát ra từ lỗ đen ngoại trừ một tia bức xạ nhiệt chậm được gọi là bức xạ Hawking.
Theo như những gì mọi người biết, không có cách nào thực hiện phép tính ngược đó để tìm ra thứ mà lỗ đen thực sự nuốt chửng. Thông tin bị phá hủy. Tuy nhiên, lý thuyết lượng tử nói rằng thông tin không thể nằm ngoài tầm tay hoàn toàn. Trong đó có "nghịch lý thông tin lỗ đen" (Black hole information paradox).
PGS Robert McNees cho biết đã có rất nhiều nghiên cứu về chủ đề này, đặc biệt là của Stephen Hawking và Stephen Perry, những người đã đề xuất vào năm 2015 rằng, thay vì được lưu trữ trong lòng sâu của một lỗ đen, thông tin vẫn nằm trong ranh giới của nó, được gọi là Chân trời sự kiện. Nhiều người khác đã cố gắng giải quyết nghịch lý. Cho đến nay, các nhà vật lý không thể đồng ý về cách giải thích, và họ có thể sẽ không đồng ý trong một thời gian.
7. Tại sao lại có mũi tên thời gian?
Thời gian di chuyển về phía trước bởi vì một thuộc tính của vũ trụ được gọi là "entropy", được định nghĩa đại khái là mức độ rối loạn, chỉ tăng lên, và do đó không có cách nào để đảo ngược sự gia tăng entropy sau khi nó xảy ra.
Thực tế là sự gia tăng entropy là một vấn đề logic: Có nhiều sự sắp xếp không trật tự của các hạt hơn là sự sắp xếp có trật tự, và vì vậy khi mọi thứ thay đổi, chúng có xu hướng trở nên lộn xộn. Nhưng câu hỏi cơ bản ở đây là, tại sao entropy quá thấp trong quá khứ?
Nói cách khác, tại sao vũ trụ lại có thứ tự như vậy khi mới bắt đầu, khi một lượng năng lượng khổng lồ được nhồi nhét vào nhau trong một khoảng không gian nhỏ?
Bài viết sử dụng nguồn: Livescience
* Đọc bài cùng tác giả Trang Ly tại đây.