Các nhà khoa học tại University of Waterloo đã đưa ra một cách tiếp cận mới để hiểu về sự khởi đầu của vũ trụ, có thể làm thay đổi các quan niệm hiện tại về Big Bang và những giai đoạn sớm nhất của lịch sử vũ trụ. Nghiên cứu của họ chỉ ra rằng sự giãn nở cực nhanh ban đầu của vũ trụ có thể phát sinh tự nhiên từ một lý thuyết sâu hơn và hoàn chỉnh hơn gọi là hấp dẫn lượng tử.
Kết hợp hấp dẫn với vật lý lượng tử
Nghiên cứu do Niayesh Afshordi dẫn đầu, ông là giáo sư vật lý và thiên văn học tại University of Waterloo và Perimeter Institute. Nhóm của ông đã tìm hiểu một cách mới để thống nhất lực hấp dẫn với vật lý lượng tử — lĩnh vực mô tả hành vi của các hạt nhỏ nhất.
Mặc dù Albert Einstein với thuyết tương đối rộng đã rất thành công, nhưng nó không còn phù hợp trong các điều kiện cực đoan như thời điểm vũ trụ mới ra đời. Để giải quyết hạn chế này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một khuôn khổ gọi là hấp dẫn lượng tử bậc hai (Quadratic Quantum Gravity), vốn vẫn nhất quán về mặt toán học ngay cả ở mức năng lượng cực cao — tương tự như thời điểm Big Bang.
Một bức tranh thống nhất hơn về vũ trụ sơ khai
Phần lớn các mô hình Big Bang hiện nay dựa trên thuyết tương đối rộng, kết hợp với các yếu tố bổ sung để phù hợp với quan sát.
Ngược lại, khuôn khổ mới này đưa ra một lời giải thích thống nhất hơn, liên kết trực tiếp những khoảnh khắc đầu tiên của vũ trụ với các mô hình đã được kiểm chứng dùng để nghiên cứu vũ trụ ngày nay.
Các nhà nghiên cứu phát hiện rằng sự giãn nở cực nhanh ban đầu của vũ trụ có thể xuất hiện một cách tự nhiên từ lý thuyết hấp dẫn lượng tử này, mà không cần thêm giả định. Giai đoạn giãn nở này, gọi là “lạm phát vũ trụ”, là khái niệm quan trọng giúp giải thích cấu trúc và hình dạng của vũ trụ.
Dự đoán sóng hấp dẫn nguyên thủy
Mô hình này cũng dự đoán sự tồn tại của một mức tối thiểu các sóng hấp dẫn nguyên thủy — những gợn sóng rất nhỏ trong không-thời gian được tạo ra ngay sau Big Bang.
Các thí nghiệm trong tương lai có thể phát hiện những tín hiệu này, mở ra cơ hội hiếm hoi để kiểm chứng các giả thuyết về nguồn gốc lượng tử của vũ trụ.
Afshordi cho biết:
“Công trình này cho thấy sự giãn nở bùng nổ ban đầu của vũ trụ có thể xuất phát trực tiếp từ một lý thuyết sâu hơn về chính lực hấp dẫn. Thay vì phải thêm các yếu tố mới vào lý thuyết của Einstein, chúng tôi nhận thấy sự giãn nở nhanh xuất hiện một cách tự nhiên khi mô tả hấp dẫn theo cách vẫn nhất quán ở năng lượng cực cao.”
Từ lý thuyết đến dự đoán có thể kiểm chứng
Nhóm nghiên cứu bất ngờ khi lý thuyết của họ có thể được kiểm chứng khá trực tiếp.
“Dù mô hình này liên quan đến mức năng lượng cực kỳ cao, nó vẫn đưa ra các dự đoán rõ ràng mà các thí nghiệm hiện nay có thể tìm kiếm,” Afshordi nói. “Sự liên kết trực tiếp giữa hấp dẫn lượng tử và dữ liệu thực nghiệm là điều hiếm và rất thú vị.”
Kỷ nguyên mới của vũ trụ học chính xác
Nghiên cứu này xuất hiện vào thời điểm quan trọng của vũ trụ học. Các nhà khoa học đang bước vào một kỷ nguyên có độ chính xác chưa từng có, với các thiết bị mới có thể đo đạc vũ trụ chi tiết hơn bao giờ hết.
Các khảo sát thiên hà trong tương lai, nghiên cứu bức xạ nền vi sóng vũ trụ, và các thiết bị dò sóng hấp dẫn đang ngày càng nhạy hơn, đủ để kiểm tra những ý tưởng trước đây chỉ mang tính lý thuyết.
Đồng thời, các nhà nghiên cứu cũng nhận ra giới hạn của các mô hình đơn giản về sự giãn nở vũ trụ ban đầu, từ đó thúc đẩy nhu cầu về những cách tiếp cận dựa trên nền tảng vật lý cơ bản hơn.
Kỷ nguyên mới của vũ trụ học chính xác
Nghiên cứu này xuất hiện vào thời điểm quan trọng của vũ trụ học. Các nhà khoa học đang bước vào một kỷ nguyên có độ chính xác chưa từng có, với các thiết bị mới có thể đo đạc vũ trụ chi tiết hơn bao giờ hết.
Các khảo sát thiên hà trong tương lai, nghiên cứu bức xạ nền vi sóng vũ trụ, và các thiết bị dò sóng hấp dẫn đang ngày càng nhạy hơn, đủ để kiểm tra những ý tưởng trước đây chỉ mang tính lý thuyết.
Đồng thời, các nhà nghiên cứu cũng nhận ra giới hạn của các mô hình đơn giản về sự giãn nở vũ trụ ban đầu, từ đó thúc đẩy nhu cầu về những cách tiếp cận dựa trên nền tảng vật lý cơ bản hơn. |