9 bí ẩn lớn nhất của vật lý hiện đại khiến các nhà khoa học đau đầu (Phần 2)

Ở phần trước, chúng ta đã biết tới 4 trong số 9 bí ẩn lớn nhất của vật lý hiện đại là năng lượng tối, vật chất tối, chiều của thời gian, các vũ trụ song song. Trong phần tiếp theo này, chúng ta sẽ tìm hiều thêm về một số bí ẩn khác.

• 9 bí ẩn lớn nhất của vật lý hiện đại khiến các nhà khoa học đau đầu (Phần 1)

5. Vật chất và phản vật chất

Tại sao lại tồn tại vật chất và phản vật chất trong vũ trụ, mang điện tích và spin trái ngược, tại sao lại có quá nhiều vật chất so với các phản vật chất? Nếu vũ trụ có sự cân bằng đối xứng giữa hai loại, ở thời điểm Big Bang, một lượng bằng nhau của vật chất và phản vật chất phải được sinh ra.

Nhưng nếu điều đó thực sự xảy ra, chúng sẽ nhanh chóng triệt tiêu lẫn nhau: electron triệt tiêu phản electron (positron), proton triệt tiêu phản proton... Cuối cùng, vũ trụ sẽ chỉ còn lại các photon ánh sáng mà không có vật chất.

Vì một vài lý do nào đó mà cho tới nay các nhà khoa học vẫn chưa lý giải được, có nhiều vật chất không bị triệt tiêu và tạo thành vũ trụ như ngày nay.

Tháng 8/2015, các nhà khoa học đã tiến thành một thí nghiệm chi tiết nhất và đã đưa ra kết luận vật chất và phản vật chất giống như hình ảnh phản chiếu qua gương của nhau, nhưng không thể lý giải được tại sao vật chất trong vũ trụ lại phổ biến hơn rất nhiều.

6. Kết thúc của vũ trụ

Kết thúc của vũ trụ phụ thuộc vào một yếu tố không rõ giá trị: thước đo mật độ vật chất và năng lượng của cả vũ trụ, ký hiệu là Ω.

Nếu Ω lớn hơn 1, không thời gian sẽ "khép lại" giống như bề mặt một quả cầu khổng lồ. Nếu vũ trụ là kín nhưng vẫn có năng lượng tối thì quả cầu vũ trụ sẽ mở rộng mãi mãi. Ngược lại, nếu năng lượng tối không tồn tại, vũ trụ sẽ ngừng mở rộng, bắt đầu co nhỏ lại dần, trở nên nóng hơn và dày đặc hơn, cuối cùng là sụp đổ. Viễn cảnh này được gọi là "vụ co lớn - Big Crunch", quá trình khởi đầu cho một vụ nổ lớn - Big Bang khác.

Vụ nổ lớn - Big Bang.

Nếu Ω nhỏ hơn 1, dạng hình học của không gian sẽ "mở" như bề mặt của một cái yên ngựa. Khi đó, vũ trụ sẽ kết thúc bằng một "vụ đóng băng lớn - Big Freeze", hậu quả của "vụ xé lớn - Big Rip": đầu tiên, gia tốc vùng ngoài vũ trụ khiến các thiên hà và các ngôi sao tách xa nhau, để lại vật chất lạnh lẽo. Sau đó, gia tốc vẫn tiếp tục tăng tới mức đủ mạnh để thắng được các lực liên kết giữ các nguyên tử với nhau, mọi phân tử trong vũ trụ sẽ bị xé vụn thành các hạt cơ bản.

Mô phỏng kết thúc của vũ trụ. (Ảnh: Shutterstock)

Nếu Ω bằng 1, vũ trụ sẽ "phẳng" và mở rộng về mọi hướng. Nếu không có năng lượng tối, vũ trụ sẽ mở rộng với tốc độ giảm dần, và cuối cùng là dừng lại. Nếu có năng lượng tối, vũ trụ phẳng sẽ mở rộng và tới một lúc nào đó sẽ phải trải qua "vụ xé lớn".

Tóm lại, theo kết luận của nhà vật lý thiên văn Paul Sutter vào tháng 12/2015 thì vũ trụ đang chết dần.

Cơ học lượng tử là luật trong thế giới kỳ lạ của những electron, photon và các hạt cơ bản khác. Chúng biểu hiện không giống hạt mà giống như sóng tỏa đi khắp nơi.

Các hạt vi mô biểu hiện giống như sóng. (Ảnh: John D. Norton)

Mỗi hạt được đặc trưng bởi một hàm sóng, hay chính xác hơn là một phân bố xác suất, thể hiện các thông tin về vị trí, vận tốc và các tính chất khác như thế nào, nhưng không chính xác là các tính chất đó. Các tính chất như vậy của mỗi hạt sẽ có một dải giá trị, cho tới khi tiến hành một phép đo, hàm sóng của hạt sẽ "sụp đổ" để cho một giá trị duy nhất.

Nhưng làm thế nào và tại sao tiến hành đo đạc lại làm hàm sóng sụp đổ, tạo ra một thực tế cụ thể mà ta quan sát vẫn còn là bí ẩn.

7. Thuyết dây có đúng không?

Khi các nhà vật lý đặt ra giả thuyết cho rằng tất cả các hạt cơ bản thực chất là các vòng một chiều, hoặc "dây", mỗi dây dao động ở một tần số khác nhau thì vật lý trở nên dễ hiểu hơn nhiều.

Thuyết dây cho phép giải quyết mâu thuẫn giữa thuyết tương đối tổng quát và cơ học lượng tử, thậm chí có thể thống nhất 4 lực cơ bản của tự nhiên làm một gồm: hấp dẫn, điện từ, tương tác mạnh, tương tác yếu.

Đa tạp Calabi-Yau trong thuyết dây. (Ảnh: Creative Commons | Lunch)

Tuy nhiên, thuyết dây chỉ đúng nếu không gian có 10 hoặc 11 chiều trong đó: 3 chiều không gian rộng, 6 hoặc 7 chiều không gian hẹp và 1 chiều thời gian. Các chiều không gian hẹp, giống như các dây dao động, có kích thước khoảng một phần tỷ của một phần nghìn tỷ kích thước của một hạt nhân nguyên tử (hạt nhân nguyên tử có kích thước nằm trong vùng giới hạn bởi bán kính cỡ 10−15 m). Hiện nay, chúng ta không có cách nào phát hiện một thứ nhỏ như vậy nên không thể dùng thực nghiệm để chứng thực hay bác bỏ thuyết dây.

9. Có trật tự trong hỗn loạn không?

Các nhà vật lý không thể giải chính xác hệ phương trình Navier-Stokes mô tả biểu hiện của các chất lỏng, từ nước tới không khí và cả các chất lỏng, khí khác. Nếu giải được thì nó có mô tả được biểu hiện của chất lỏng ở bất cứ đâu không hoặc bao hàm được cả các "điểm kỳ dị" không?

Phương trình Navier–Stokes

Vậy, tính hỗn loạn của tự nhiên chưa được hiểu tường tận. Các nhà khoa học tự hỏi, chúng ta chưa thể hay không thể dự đóan, nắm bắt được thời tiết? Toán học không thể mô tả được các nhiễu loạn, hay tất cả sẽ được giải đáp nếu sử dụng đúng phương pháp tính toán?

• Hóa ra đây là cách thiên hà Milky Way hình thành vào 13,5 tỷ năm trước
• 14 sự thật thú vị về vũ trụ khiến bạn kinh ngạc