Một trong những ý tưởng ấn tượng nhất trong khoa học là tất cả cấu trúc trong vũ trụ — nguồn gốc của các thiên hà, hệ mặt trời, hành tinh, v.v. — đều bắt nguồn từ cơ học lượng tử. Về mặt lý thuyết, nó kết nối các vật thể lớn nhất trong vũ trụ với vật lý của các quy mô nhỏ nhất có thể. Nhưng, không có cách nào để các nhà khoa học biết được đây có phải là cơ chế cấu tạo của vũ trụ hay không nếu không có cách kiểm tra nó.
Theo Trợ lý Giáo sư Vật lý tại UC San Diego Daniel Green và cộng sự của ông là Nhà Vật lý Hạt Thiên văn Rafael Porto, đến từ Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, ở Hamburg, Đức, hiểu được vai trò độc nhất của cơ học lượng tử trong vật lý là một vấn đề có sức hấp dẫn rộng rãi.
“Nó được kết nối với những câu hỏi lớn như máy tính lượng tử có thể giải quyết những vấn đề gì nhanh hơn bất kỳ máy tính cổ điển nào, hoặc làm cách nào để thông tin thoát ra khỏi một lỗ đen đang bốc hơi? Công trình của chúng tôi bổ sung nguồn gốc của cấu trúc trong vũ trụ vào danh sách này và hy vọng sẽ dẫn đến nhiều kết nối hơn giữa vũ trụ học và nghiên cứu thông tin lượng tử, ” Green giải thích.
Với suy nghĩ này, Green và Porto bắt đầu đưa ra cách thức hoạt động của một thử nghiệm cơ học lượng tử trong vũ trụ. Phát hiện của họ được công bố trên tạp chí Physical Review Letters, có tiêu đề “ Tín hiệu của một vũ trụ lượng tử ”.
Về cơ bản, cơ học lượng tử khác với vật lý cổ điển – cơ học Newton, nhiệt động lực học, điện từ học, v.v. – áp dụng lý thuyết cho các vật thể nhỏ từ nguyên tử đến những vật chuyển động với tốc độ ánh sáng. Ví dụ, với các hạt, vật lý cổ điển cho rằng tất cả các chất lượng vật chất đều có các giá trị được ấn định. Mặt khác, cơ học lượng tử nói rằng với một hạt, vị trí / động lượng của hạt càng chính xác thì động lượng / vị trí của nó càng kém chính xác. Đây được gọi là nguyên tắc bất định.
So sánh về lượng tử và nguồn gốc cổ điển của cấu trúc trong vũ trụ. Trên cùng: các dao động chân không trong cơ học lượng tử, bao gồm khả năng ba hạt (tương quan ba điểm) được tạo ra từ hư vô do sự giãn nở của vũ trụ. Bottom: các dao động cổ điển luôn liên quan đến các hạt thực. Các hạt này phân rã và tạo ra các “vết sưng” trong mối tương quan ba điểm. Hình ảnh của Daniel Green, UC San Diego
Green cho biết: “Cơ học lượng tử không quan trọng đối với các vật thể lớn như thiên hà vào thời điểm chúng ta nhìn thấy chúng – giống như cách chúng ta không nhận thấy hiệu ứng lượng tử trong trải nghiệm hàng ngày. “Nếu chúng ta muốn nói rằng điều tạo nên sự hình thành của những vật thể này là cơ học lượng tử, thì chúng ta cần một cách để biết những gì đã xảy ra trong vũ trụ từ rất lâu trước khi chúng ta có thể trực tiếp quan sát nó, trở lại khi cơ học lượng tử là quan trọng.”
Vì vậy, Green và Porto đã thực hiện một cách tiếp cận khác với cách tiếp cận của các nhà nghiên cứu khác để tìm ra tín hiệu cho nguồn gốc lượng tử của cấu trúc bằng cách áp dụng một số kỹ thuật lý thuyết — một số kỹ thuật trong số đó cũng được sử dụng để hiểu cách các hạt phân tán trong máy va chạm.
Đầu tiên, họ xem xét các dao động lượng tử – đó là ý tưởng về sự không chắc chắn, theo đó bạn không thể biết chính xác một thứ gì đó đang ở đâu và nó sẽ đi đến đâu cùng một lúc.
Green giải thích: “Được áp dụng cho vũ trụ, điều này có nghĩa là vũ trụ không thể đồng nhất ở mọi nơi vì sự không chắc chắn lượng tử nói rằng bạn không thể biết chính xác mật độ là bao nhiêu tại bất kỳ điểm nào. “Trong các lý thuyết vũ trụ học hiện đại của chúng tôi, sự không chắc chắn lượng tử này được chuyển thành các dao động cổ điển thực sự do sự giãn nở của vũ trụ. Những dao động này sau đó phát triển dưới tác dụng của lực hấp dẫn để tạo nên tất cả cấu trúc trong vũ trụ, từ các ngôi sao và hành tinh đến các thiên hà và cụm thiên hà ”.
Tiếp theo, họ xem xét tính ngẫu nhiên của mật độ bằng cách giải quyết “phi Gaussianity nguyên thủy.” Theo Green, một cách để xác định tính ngẫu nhiên là về mối tương quan giữa các điểm khác nhau.
Green nói: “Khi một cái gì đó là ‘Gaussian’, mối tương quan giữa các cặp điểm xác định mọi thứ về trường ngẫu nhiên. “Quan trọng nhất là không có sự tương quan giữa các nhóm ba điểm. Nếu một cặp điểm đều có mật độ quá cao, thì khả năng như nhau là điểm thứ ba sẽ có mật độ quá dày hoặc dưới mật độ. Tính phi Gaussianity cho phép ưu tiên cái này hay cái kia. Sự phi Gaussianity mà chúng ta nói đến sẽ có những loại tương quan ba điểm này. “
Nghiên cứu của họ chỉ ra rằng các loại tương quan được tạo ra từ các dao động lượng tử và thăng giáng cổ điển là khác nhau có thể đo lường được.
Porto nói: “Các cơ chế cổ điển sẽ tạo ra một dấu hiệu rất cụ thể trong mô hình của các thiên hà – giống như ‘va chạm’ báo hiệu các hạt mới trong dữ liệu máy va chạm hạt.” “Chúng tôi đã chứng minh rằng sự vắng mặt của những va chạm này chắc chắn sẽ chỉ ra các dao động lượng tử điểm 0 là thủ phạm cho sự hình thành cấu trúc.”
Green và Porto cũng đã xem xét khái niệm về địa phương. Đây là ý tưởng rằng để một thứ có thể ảnh hưởng đến một thứ khác, thì hai thứ cần phải ở cùng một nơi vào cùng một thời điểm.
Green cho biết: “Ví dụ, nếu tôi muốn ảnh hưởng đến một điều gì đó ở xa, tôi cần gửi một tín hiệu vật lý nào đó bắt đầu từ nơi tôi đang ở và đến nơi khác. “Không có gì chỉ hoạt động từ nơi này đến nơi khác mà không có thứ gì đó đi qua tất cả các điểm ở giữa.”
Về những mối tương quan phi Gaussian, các nhà khoa học đề cập đến những điểm rất xa nhau. Thông thường họ sẽ mong đợi một mối tương quan như vậy đòi hỏi một cái gì đó đã xảy ra trong quá khứ kết nối ba điểm này bằng một loại quy trình cục bộ nào đó, nơi mà một cái gì đó về mặt vật lý xảy ra tại mỗi điểm này.
Green cho biết: “Một ý tưởng quan trọng trong kết quả của chúng tôi là tính duy nhất của tín hiệu liên quan mật thiết đến thực tế là mọi hạt đều có phản hạt, đây cũng là hệ quả của tính cục bộ / quan hệ nhân quả. “Mối liên hệ giữa sự tồn tại của phản hạt và tín hiệu vũ trụ của chúng ta là một điều bất ngờ thú vị mà chúng tôi đã khám phá ra trên đường đi.”
Nghiên cứu này được hỗ trợ bởi Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (tài trợ số DESC0019035); Tài trợ hợp nhất ERC “Trọng lực chính xác: Từ LHC đến LISA”, được cung cấp bởi Hội đồng Nghiên cứu Châu Âu (ERC) trong chương trình nghiên cứu và đổi mới H2020 của Liên minh Châu Âu (tài trợ số 817791), cũng như từ Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, Quỹ Nghiên cứu Đức), thuộc Chiến lược Xuất sắc của Đức (EXC 2121) “Vũ trụ lượng tử” (390833306).
Theo: Ucsdnews.
