Theo Live Science, một nhóm các nhà vật lý lý thuyết tuyên bố đã đạt được bước đột phá mang tính nền tảng: mô hình không-thời gian mới của họ có thể là bằng chứng quan sát đầu tiên ủng hộ thuyết dây - lý thuyết được mệnh danh là ứng cử viên sáng giá nhất để thống nhất mọi lực trong tự nhiên, bao gồm cả lực hấp dẫn lượng tử. Đồng thời, nghiên cứu cũng mở ra khả năng giải mã một trong những bí ẩn lớn nhất trong vũ trụ học hiện đại: năng lượng tối.

Năng lượng tối - bí ẩn đẩy vũ trụ giãn nở

Từ năm 1998, các nhà thiên văn học đã biết rằng vũ trụ đang giãn nở ngày càng nhanh - một điều đi ngược lại kỳ vọng ban đầu rằng giãn nở sẽ chậm lại do lực hấp dẫn.

Bằng cách đo độ sáng của các siêu tân tinh xa xôi, hai nhóm nghiên cứu độc lập nhận thấy những ngôi sao này mờ hơn dự đoán, dẫn đến kết luận rằng có một lực bí ẩn đang "kéo giãn" vũ trụ - năng lượng tối.

Tuy nhiên, nguồn gốc và bản chất của năng lượng tối vẫn là một ẩn số. Mặc dù có giả thuyết cho rằng nó xuất phát từ các dao động lượng tử trong chân không, nhưng tính toán dựa trên giả định này lại cho ra kết quả sai lệch đến... 120 bậc độ lớn so với giá trị thực tế quan sát được - một sự chênh lệch gây sốc trong vật lý lý thuyết.

Gần đây, các quan sát từ Thiết bị quang phổ năng lượng tối (DESI) còn cho thấy một điều bất ngờ hơn: tốc độ giãn nở của vũ trụ không phải không đổi mà đang giảm dần theo thời gian. Phát hiện này thách thức mô hình chuẩn của vật lý hạt và càng khiến bí ẩn năng lượng tối thêm sâu sắc.

"Lý thuyết dây" bước vào cuộc chơi

Để tìm lời giải, các nhà vật lý Sunhaeng Hur, Djordje Minic, Tatsu Takeuchi, Vishnu Jejjala và Michael Kavic đã hướng đến thuyết dây - một lý thuyết cho rằng các hạt cơ bản không phải là điểm vật lý mà là các sợi dây một chiều nhỏ bé đang dao động, và các chế độ dao động khác nhau sẽ tạo ra các hạt khác nhau, bao gồm cả graviton - hạt mang lực hấp dẫn giả thuyết.

Trong nghiên cứu mới, nhóm nhà khoa học đã đưa ra một mô hình không-thời gian "không giao hoán" - một khái niệm trong đó thứ tự các tọa độ không gian và thời gian trong các phương trình có ảnh hưởng đến kết quả. Điều này tương tự như trong cơ học lượng tử, nơi vị trí và vận tốc của một hạt không thể được xác định đồng thời một cách chính xác.

Việc mô tả không-thời gian như một thực thể lượng tử và không giao hoán đã mang lại một kết quả bất ngờ: sự giãn nở tăng tốc của vũ trụ xuất hiện một cách tự nhiên từ mô hình, mà không cần thêm vào một hằng số vũ trụ học nhân tạo như trước đây.

Một trong những kết quả đáng kinh ngạc từ nghiên cứu là: năng lượng tối - và tốc độ giãn nở của vũ trụ - có thể được mô tả là hệ quả của mối liên hệ giữa hai thang đo vật lý hoàn toàn khác biệt: chiều dài Planck (~10⁻³³ cm), thang đo nhỏ nhất liên quan đến lực hấp dẫn lượng tử; và kích thước toàn vũ trụ, rộng hàng tỉ năm ánh sáng.

Sự kết nối giữa cực tiểu và cực đại này là điều rất hiếm thấy trong vật lý và mang lại hàm ý rằng: năng lượng tối không phải là một đại lượng tĩnh, mà là kết quả của bản chất lượng tử động của không-thời gian.

"Chúng tôi tin rằng đây có thể là kết quả đầu tiên có thể quan sát được của thuyết dây và là bước tiến lớn trong hiểu biết về lực hấp dẫn lượng tử", Michael Kavic, đồng tác giả của nghiên cứu và giáo sư tại Đại học SUNY Old Westbury (Mỹ), chia sẻ.

Cơ hội kiểm chứng bằng thực nghiệm

Mặc dù nghiên cứu hiện đang ở giai đoạn lý thuyết và được đăng dưới dạng bản thảo trên cơ sở dữ liệu truy cập mở arXiv (chưa qua bình duyệt), nhưng nhóm nghiên cứu không chỉ dừng lại ở đó. Họ đã đề xuất các cách kiểm tra thực nghiệm mô hình của mình.

Một trong những ý tưởng là tìm kiếm hiệu ứng giao thoa lượng tử bậc cao - những mẫu chồng sóng phức tạp hơn nhiều so với giao thoa thông thường trong cơ học lượng tử. Trong vật lý lượng tử hiện tại, giao thoa xảy ra khi hai hay nhiều trạng thái lượng tử chồng lên nhau và tạo thành các mẫu đặc trưng. Tuy nhiên, nếu không-thời gian thực sự mang tính lượng tử như mô hình đề xuất, có thể xuất hiện các mẫu giao thoa vượt ngoài tiêu chuẩn hiện nay.

"Những mẫu giao thoa đặc biệt này có thể là bằng chứng trực tiếp cho bản chất lượng tử của lực hấp dẫn - điều mà chúng ta chưa từng quan sát được", Djordje Minic, nhà vật lý tại Virginia Tech và là đồng tác giả nghiên cứu, cho biết.

Đặc biệt, nhóm tin rằng những thí nghiệm kiểm chứng này có thể được thực hiện trong vòng ba đến bốn năm tới, thậm chí là ngay trên bàn thí nghiệm với công nghệ hiện tại.

Nếu được xác nhận, nghiên cứu này không chỉ giải thích được năng lượng tối mà còn mở ra cánh cửa đầu tiên đưa thuyết dây từ lý thuyết trừu tượng thành lý thuyết có thể kiểm chứng thực nghiệm. Trong nhiều thập kỷ, thuyết dây - dù đầy triển vọng - vẫn chưa đưa ra được dự đoán cụ thể nào có thể kiểm tra được bằng quan sát. Điều đó có thể đang thay đổi.

Ngoài ra, mô hình mới cho thấy những "hằng số cơ bản" của tự nhiên có thể không phải là các giá trị bất biến tuyệt đối, mà là các đại lượng có thể thay đổi theo thời gian hoặc điều kiện, phản ánh trạng thái động trong một hệ thống phức tạp mà vũ trụ đang vận hành.

"Có thể chúng ta đã hiểu sai về vũ trụ ngay từ gốc rễ. Thay vì là một hệ thống tĩnh với các đặc tính bất biến, vũ trụ có thể đang thay đổi liên tục ở cấp độ cơ bản nhất, ngay trong chính cấu trúc của không-thời gian", nhà nghiên cứu Kavic nói.

Hoàng Vũ