Sau Big Bang là thời kì hỗn độn

Cách đây 7 năm, nhà vật lí Adilson E. Motter thuộc trường Đại học Northwestern đã phỏng đoán rằng sự giãn nở của vũ trụ vào lúc Big Bang là mang tính hỗn độn cao. Giờ thì ông cùng một người đồng nghiệp đã chứng minh được điều đó với những lập luận toán học chặt chẽ.

Đường thời gian của vũ trụ. Ảnh: NASA/WMAP

Nghiên cứu trên, đăng tải bởi tạp chí Communications in Mathematical Physics, không chỉ báo cáo rằng sự hỗn độn là tuyệt đối mà còn nêu ra những công cụ toán học có thể sử dụng để phát hiện ra nó. Khi áp dụng cho đa số các mô hình được chấp nhận cho sự phát triển của vũ trụ, những công cụ này chứng tỏ rằng vũ trụ sơ khai là hỗn độn.

Những thứ nhất định là tuyệt đối. Tốc độ ánh sáng, chẳng hạn, là như nhau đối với bất kì nhà quan sát nào trong không gian trống rỗng. Những thứ khác thì mang tính tương đối. Hãy nghĩ tới tiếng còi xe cứu thương chuyển từ cao xuống thấp khi xe chạy qua trước người quan sát. Một vấn đề tồn tại lâu nay trong ngành vật lí là xác định sự hỗn độn – hiện tượng mà nhờ đó những sự kiện nhỏ bé dẫn tới những thay đổi rất lớn trong sự tiến triển thời gian của hệ, thí dụ như vũ trụ - là tuyệt đối hay là tương đối trong những hệ chi phối bởi thuyết tương đối rộng, trong đó bản thân thời gian là tương đối.

Một mặt cụ thể của nan đề này đề cập tới khả năng của con người xác định một cách rõ ràng xem vũ trụ xem như một tổng thể có bao giờ hành xử hỗn độn hay không. Nếu sự hỗn độn là tương đối, như một số nghiên cứu trước đây đề xuất, thì câu hỏi này đơn giản là không thể trả lời vì những nhà quan sát khác nhau, chuyển động tương đối so với nhau, có thể đi tới những kết luận ngược nhau dựa trên tiếng tíc tắc của đồng hồ riêng của họ.

“Một lời giải thích nặng kí cho rằng hỗn độn có thể là một tính chất của nhà quan sát đó chứ không phải một tính chất của hệ đang được quan sát”, theo Motter, tác giả của bài báo trên và là phó giáo sư vật lí và thiên văn học tại khoa Cao đẳng Nghệ thuật và Khoa học Weinberg thuộc trường Northwestern. “Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy các nhà quan sát khác nhau về phương diện vật lí nhất thiết sẽ tán thành nhau về bản chất hỗn độn của hệ”.

Công trình trên có những gợi ý trực tiếp cho lĩnh vực vũ trụ học và đặc biệt nó chứng tỏ rằng các biến đổi được chăng hay chớ giữa các hướng lệch đỏ và lệch xanh trong vũ trụ sơ khai thật ra là hỗn độn.

Motter làm việc cùng người đồng nghiệp Katrin Gelfert, một nhà toán học đến từ trường Đại học liên bang Rio de Janeiro, Brazil, một cựu giảng viên thỉnh giảng tại Northwestern. Ông cho biết các phương diện toán học của vấn đề trên thật gây cảm hứng và có khả năng dẫn tới những phát triển toán học khác nữa.

Một câu hỏi quan trọng còn bỏ ngỏ trong lĩnh vực vũ trụ học là giải thích tại sao những phần xa xôi của vũ trụ nhìn thấy – kể cả những vùng xa đến mức chưa bao giờ tương tác với nhau – lại giống nhau như vậy.

“Người ta có thể đề xuất rằng ‘Vì vũ trụ vĩ mô đã được tạo ra đồng đều”, Motter nói, “nhưng đây không phải là loại câu trả lời mà các nhà vật lí hoan nghênh”.

Cách đây 50 năm, các nhà vật lí tin rằng câu trả lời thật sự có thể nằm ở cái xảy ra trong một phần nhỏ của một giây sau Big Bang. Dẫu cho các nghiên cứu ban đầu đã thất bại không chỉ ra được một trạng thái ban đầu tùy ý của vũ trụ cuối cùng sẽ đồng quy đến dạng thức hiện nay của nó, nhưng các nhà nghiên cứu đã tìm thấy một số thứ có khả năng còn hấp dẫn hơn nữa: đó là khả năng vũ trụ xem như một tổng thể đã ra đời vốn dĩ hỗn độn.

Vũ trụ ngày nay đang giãn nở và giãn nở theo mọi hướng, dẫn tới sự lệch đỏ của các nguồn sáng ở xa trong cả ba chiều không gian – sự tương tự quang học của tiếng còi trầm xuống khi xe cứu thương đã chạy đi xa. Mặt khác, vũ trụ sơ khai chỉ giãn nở trong hai chiều và co lại trong chiều thứ ba.

Điều này dẫn tới sự lệch đỏ trong hai chiều và sự lệch xanh trong chiều thứ ba. Tuy nhiên, hướng co lại không luôn luôn như nhau trong hệ này. Thay vào đó, nó xen kẽ thất thường giữa x, y và z.

“Theo lí thuyết cổ điển của thuyết tương đối rộng, vũ trụ sơ khai đã trải qua nhiều vô hạn dao động giữa các hướng co vào và giãn ra”, Motter nói. “Điều này có thể có nghĩa là sự phát triển sơ khai của vũ trụ, mặc dù không nhất thiết là trạng thái hiện nay của nó, phụ thuộc rất nhạy vào các điều kiện ban đầu lập ra bởi Big Bang”.

Bài toán này có một hướng giải mới cách đây 22 năm, khi hai nhà nghiên cứu khác, Gerson Francisco và George Matsas, nhận thấy các mô tả khác nhau của những sự kiện giống nhau đang dẫn tới những kết luận khác nhau về bản chất hỗn độn của vũ trụ sơ khai. Vì những mô tả khác nhau có thể đại diện cho góc nhìn của những nhà quan sát khác nhau, nên điều này thách thức giả thuyết cho rằng sẽ có một sự thống nhất giữa những nhà quan sát khác nhau. Trong phạm vi lí thuyết tương đối rộng, một sự thống nhất như vậy được đặt tên là một “bất biến tương đối tính”.

“Về mặt kĩ thuật, chúng tôi đã xác lập các điều kiện dưới đó các dấu hiệu nhận biết của sự hỗn độn là những bất biến tương đối tính”, Motter nói. “Cách mô tả toán học của chúng tôi còn giải thích được những kết quả đang gây tranh cãi hiện nay. Chúng phát sinh bởi các kì dị do sự chọn trục thời gian mang lại, mà sự chọn trục này không có mặt trong những quan sát có thể chấp nhận được về mặt vật lí”.

Nguồn: PhysOrg.com