Không gian là gì? (Phần 4)

Hình dạng của không gian

Độ cong không gian không phải thứ duy nhất chúng ta nghi vấn sâu sắc khi nghĩ tới bản chất của không gian. Một khi bạn chấp nhận không gian chẳng phải một khoảng trống vô tận mà là một dạng vật chất có thể-vô tận với những đặc tính của nó, thì bạn có thể nêu mọi câu hỏi lạ lùng về nó. Chẳng hạn, kích cỡ không gian là bao nhiêu và không gian có hình dạng gì?

Kích cỡ và hình dạng của không gian cho chúng ta biết có bao nhiêu không gian và nó tự kết nối với nhau như thế nào. Bạn có thể nghĩ rằng vì không gian là phẳng, và không có hình dạng củ khoai tây hay cái yên ngựa (hay một củ khoai tây trên yên ngựa), thì ý tưởng về kích cỡ và hình dạng của không gian chẳng có ý nghĩa gì. Xét cho cùng, nếu không gian là phẳng, thì điều đó có nghĩa là nó phải trải ra vô tận, đúng không? Không nhất thiết vậy đâu!

Không gian có thể phẳng và vô tận. Hoặc nó có thể phẳng và có một đường bao bên ngoài. Hoặc, lạ hơn nữa, nó có thể phẳng mà vẫn cuộn quanh chính nó.

Làm thế nào không gian có thể có đường bao kia chứ? Thật ra, chẳng có lí do gì để không gian không có ranh giới cho dù nó có phẳng đi nữa. Chẳng hạn, một cái đĩa có một bề mặt hai chiều phẳng cùng với viền ngoài trơn liên tục. Có lẽ không gian ba chiều cũng có một ranh giới tại đâu đó nhờ một tính chất hình học lạ nào đó tại rìa của nó.

Lí thú hơn nữa là khả năng không gian vừa phẳng vừa cuộn lại xung quanh nó. Sẽ có chút na ná như việc chơi video game (như trò Asteroids hoặc Pac-Man) trong đó nếu bạn đi ra khỏi đầu này màn hình chơi thì bạn sẽ xuất hiện ở đầu bên kia. Không gian có thể tự kết nối với nó bằng cách nào đó mà chúng ta chưa nhận thức được hết. Ví dụ, các lỗ sâu đục là dự đoán trên lí thuyết của thuyết tương đối rộng. Trong một lỗ sâu đục, hai điểm khác nhau trong không gian ở cách xa nhau có thể kết nối với nhau. Vậy nếu rìa ngoài của không gian đều kết nối với nhau theo kiểu giống như vậy thì sao? Chúng ta không biết.

Không gian lượng tử

Cuối cùng, bạn có thể hỏi liệu rằng không gian thật ra có được cấu tạo bởi những lượng nhỏ rời rạc, kiểu như các ảnh điểm trên màn hình ti vi, hay là nó trơn nhẵn vô tận, để cho có vô số chỗ bạn có thể cư trú giữa hai điểm trong không gian hay không?

Các nhà khoa học thời xa xưa có lẽ không hình dung được rằng không khí gồm những phân tử rời rạc bé xíu. Nói chung, không khí có vẻ như liên tục. Nó choán đầy bất kì thể tích nào và nó có những tính chất động lực học thú vị (như gió và thời tiết). Nhưng chúng ta biết rằng toàn bộ những thứ mà chúng ta yêu thích về không khí như thế này (làm thế nào nó phả nhẹ trên má chúng ta trong một làn gió mùa hè êm dịu hay làm thế nào nó giữ chúng ta không bị ngạt thở) thật ra là hành trạng kết hợp của hàng tỉ phân tử không khí riêng lẻ, chứ không phải là tính chất cơ bản của từng phân tử một.

Kịch bản không gian trơn nhẵn dường như có ý nghĩa nhiều hơn đối với chúng ta. Nói chung, kinh nghiệm của chúng ta về việc di chuyển trong không gian là chúng ta lướt đi trong nó một cách dễ dàng, liên tục. Chúng ta không nhảy từ ảnh điểm này sang ảnh điểm khác theo kiểu cà giật giống như nhân vật video game thực hiện khi nó đi lại trên màn hình.

Hay chúng ta cũng nhảy cà giật?

Với hiểu biết hiện nay của chúng ta về vũ trụ, thật ra sẽ là bất ngờ hơn nếu hoá ra không gian là trơn vô hạn. Bởi vì chúng ta biết rằng mọi thứ khác đều bị lượng tử hoá. Vật chất bị lượng tử hoá, năng lượng bị lượng tử hoá, các lực bị lượng tử hoá, bánh Girl Scout bị lượng tử hoá. Còn nữa, vật lí lượng tử đề xuất rằng có lẽ có một khoảng cách nhỏ nhất có ý nghĩa, đó là khoảng 10^-35 m. Từ góc nhìn cơ lượng tử, sẽ thật ý nghĩa nếu không gian bị lượng tử hoá. Nhưng, một lần nữa, chúng ta thật sự không biết được.

Nhưng việc không biết gì không khiến các nhà vật lí ngừng hình dung đến những khả năng điên rồ! Nếu không gian bị lượng tử hoá, thì điều đó có nghĩa là khi chúng ta di chuyển trong không gian là thật ra chúng ta nhảy từ vị trí bé tí này sang vị trí bé tí khác. Theo quan điểm này, không gian là một mạng lưới gồm những nút kết nối, kiểu như các trạm dừng trong hệ thống xe điện ngầm. Mỗi nút thể hiện một địa điểm, và kết nối giữa các nút thể hiện mối liên hệ giữa những địa điểm này (tức là nút nào ở gần nút nào). Quan điểm này khác với ý tưởng rằng không gian chỉ là mối liên hệ giữa vật chất, vì những nút không gian này có thể trống không mà vẫn tồn tại.

Thật thú vị, những nút này sẽ không nhất thiết nằm bên trong một không gian hay một khuôn khổ lớn hơn. Chúng có thể chỉ là… ở đấy thôi. Trong kịch bản này, cái chúng ta gọi là không gian sẽ chỉ là mối liên hệ giữa các nút, và toàn bộ các hạt trong vũ trụ sẽ chỉ là đặc tính của không gian này chứ không phải các nguyên tố bên trong nó. Ví dụ, chúng có thể là các mode dao động của những nút này.

Điều này nghe không quá xa vời đâu. Lí thuyết hạt hiện nay được xây dựng trên các trường lượng tử lấp đầy toàn bộ không gian. Một trường có nghĩa đơn giản là có một con số, hay một giá trị, gắn liền với mỗi điểm trong không gian đó. Theo quan điểm này, các hạt chỉ là những trạng thái kích thích của những trường này. Cho nên, chúng ta không hẳn ở quá xa một lí thuyết như vậy.

Bên cạnh đó, các nhà vật lí yêu thích kiểu ý tưởng như vậy, trong đó những cái trông như cơ bản đối với chúng ta (như không gian) lại hiện ra tình cờ từ cái sâu sắc hơn. Nó đem lại cho họ cảm giác rằng chúng ta đã nhìn trộm được phía sau bức rèm che để khám phá một lớp sâu sắc hơn của thực tại. Một số người còn ngờ rằng mối liên hệ giữa các nút không gian được hình thành bởi sự liên đới lượng tử của các hạt, nhưng đây chỉ là suy đoán dựa trên toán học của một số ít nhà vật lí quá khích mà thôi.

Những bí ẩn của không gian

Tóm lại, sau đây là những bí ẩn chính chưa được giải quyết về không gian, tính cho đến nay:

• Không gian là một thứ gì đó, nhưng thứ đó là cái gì?
• Không gian mà chúng ta biết là toàn bộ chưa, hay nó nằm bên trong một siêu không gian lớn hơn?
• Có những bộ phận vũ trụ không có không gian hay không?
• Tại sao không gian phẳng?
• Không gian có bị lượng tử hoá không?
• Vì sao Anna không tôn trọng không gian riêng tư của người khác?

Nếu bạn đã đọc đến đây, và hoặc là bạn hiểu nó một cách sâu sắc hoặc là bạn chẳng thấy có gì phi lí hết, thì chúng ta chẳng do dự gì mà không tìm hiểu khái niệm điên rồ nhất về không gian (vâng, nó còn điên rồ hơn nữa).

Nếu không gian là một dạng vật chất – chứ không phải một phông nền hay giàn khung nào đó – với các tính chất động như uốn éo và lượn sóng, có lẽ nó còn được xây dựng bởi những bit không gian lượng tử hoá, thì chúng ta phải hỏi: Không gian còn có thể làm gì khác nữa?

Giống như không khí, có lẽ nó có các trạng thái và pha khác nhau. Dưới những điều kiện cực độ, có lẽ nó có thể tự sắp xếp lại theo những cách rất bất ngờ hoặc có những tính chất lạ ngoài trông đợi theo kiểu như không khí hành xử khác nhau tuỳ thuộc vào nó ở dạng lỏng, khí hay rắn. Có lẽ không gian chúng ta biết và yêu thích và chiếm giữ (đôi khi chúng ta còn muốn hơn thế) chỉ là một loại không gian hiếm và có những loại không gian khác trong vũ trụ ngoài kia đang chờ chúng ta tìm ra cách tạo ra và thống lĩnh chúng.

Công cụ hấp dẫn nhất mà chúng ta có để trả lời câu hỏi này là thực tế không gian bị làm cho biến dạng bởi khối lượng và năng lượng. Để tìm hiểu không gian là gì và nó có thể làm những gì, món cược tốt nhất của chúng ta là thúc nó đến đường cùng bằng cách nhìn tỉ mỉ vào những nơi mà những khối lượng vũ trụ khổng lồ đang co nén nó: các lỗ đen. Nếu chúng ta có thể thám hiểm ở gần các lỗ đen, thì chúng ta có thể nhìn thấy không gian bị ép tan nát không còn manh giáp theo những kiểu khiến đồng hồ-cảnh giác của chúng ta phát nổ.

Và cái hấp dẫn là chúng ta hiện đang ở gần hơn bao giờ hết đối với việc thám hiểm những biến dạng cực độ này của không gian. Trong khi trước đây chúng ta mù điếc trước những gợn sóng hấp dẫn lan truyền trong vũ trụ, thì nay chúng ta đã có khả năng lắng nghe các sự kiện vũ trụ đang làm lay chuyển và xáo trộn cục nhớt không gian. Có lẽ trong tương lai gần chúng ta sẽ hiểu được nhiều hơn về bản chất đúng của không gian và trả lời được những câu hỏi sâu sắc này, chúng đang bao vây chúng ta đúng theo nghĩa đen.

Vì thế đừng bỏ cuộc. Hãy dành một chút không gian trong não của bạn cho các câu trả lời nhé.

Xem lại Phần 3

Trích từ We Have No Idea (Jorge Cham & Daniel Whiteson)