Về những nỗ lực để hiểu sự khởi đầu của vũ trụ của chúng ta bằng cách sử dụng các cách tiếp cận khác nhau đối với lực hấp dẫn lượng tử. Giả sử rằng chúng ta có trong tay một lý thuyết lượng tử về tất cả các lực của tự nhiên, bao gồm cả lực hấp dẫn. Chúng ta hy vọng sẽ làm gì với lý thuyết này?
Ví dụ, lý thuyết sẽ dự đoán điều gì xảy ra ở vùng trong cùng của lỗ đen được hình thành do sự sụp đổ của một ngôi sao – những vùng mà vật chất và năng lượng bị nén đến một mật độ mà tại đó các hiệu ứng trọng lực lượng tử sẽ trở nên quan trọng. Ví dụ thứ hai, lý thuyết nên dự đoán điều gì sẽ xảy ra khi các hạt cơ bản va chạm với năng lượng quá lớn đến mức bản chất lượng tử của không thời gian đóng một vai trò quan trọng trong động lực va chạm. Trong một số lý thuyết về lực hấp dẫn lượng tử, năng lượng này nằm trong tầm với của máy gia tốc hạthiện đang được xây dựng và các lý thuyết thực sự dự đoán tần suất các cặp lỗ đen thu nhỏ sẽ được tạo ra trong các máy gia tốc. Trong các lý thuyết kém lạc quan, năng lượng ngưỡng là bậc của năng lượng Planck, vượt xa khả năng của các máy gia tốc có thể được chế tạo bằng công nghệ hiện tại, nhưng ngay cả trong trường hợp này, lý thuyết này cũng nên đưa ra dự đoán rằng một nền văn minh công nghệ tiên tiến hơn rất nhiều có thể về nguyên tắc thử nghiệm trong máy gia tốc khổng lồ của họ.
Những ví dụ này có một khía cạnh chung quan trọng. Họ bắt đầu với một tình huống có thể được mô tả mà không cần lý thuyết về lực hấp dẫn lượng tử – chẳng hạn như một ngôi sao bình thường hoặc hai hạt hướng tới một vụ va chạm. Lực hấp dẫn lượng tử chỉ cần thiết để mô tả tình hình sau đó phát triển như thế nào – ngôi sao đang sụp đổ hình thành bên trong lỗ đen như thế nào, hoặc điều gì xảy ra trong vùng mật độ năng lượng cao nơi các hạt va chạm. Tóm lại: Trong những ví dụ này, các điều kiện ban đầu có thể được mô tả theo không thời gian cổ điển, trong khi lý thuyết hấp dẫn lượng tử là cần thiết để dự đoán sự tiến hóa tiếp theo.
Nhưng một lý thuyết về lực hấp dẫn lượng tử có thể dự đoán điều gì về vũ trụ sớm nhất?
Sự cần thiết của một trạng thái lượng tử ban đầu
Các mô hình vũ trụ vụ nổ lớn cổ điển mô tả lực hút theo thuyết tương đối rộng của Einstein . Các mô hình này có thể xử lý nội dung vật chất của lượng tử vũ trụ một cách cơ học khi thích hợp, nhưng chúng không tính đến tác động qua lại của lý thuyết lượng tử và lực hấp dẫn. Trong khi các mô hình đã thành công trong việc mô tả hầu hết lịch sử của vũ trụ của chúng ta, chúng trở nên không rõ ràng ngay từ thuở sơ khai của vũ trụ – ở điểm kỳ dị vụ nổ lớn. Ở điểm kỳ dị này, cả độ cong của không gian và mật độ của vật chất đều là vô hạn – một trạng thái không thể chấp nhận được đối với một lý thuyết vật lý.
Người ta mong đợi rộng rãi rằng các tính vô hạn của điểm kỳ dị vụ nổ lớn sẽ không còn tồn tại trong một lý thuyết trong đó động lực học của không thời gian cũng được coi là lượng tử một cách máy móc. Tuy nhiên, ở đây, tình hình về cơ bản khác với hai ví dụ nêu trên. Vũ trụ đầu tiên được cho là cơ học lượng tử xuyên suốt và chúng ta không còn có thể mô tả các điều kiện ban đầu của nó bằng ngôn ngữ cổ điển. Thay vào đó, chúng ta phải coi toàn bộ vũ trụ sơ khai như một hệ thống lượng tử và hình thành các điều kiện ban đầu của nó bằng ngôn ngữ của cơ học lượng tử. Chúng ta cần đặt câu hỏi cơ bản của vũ trụ học lượng tử: Trạng thái lượng tử ban đầu của vũ trụ là gì?
Các nhà lý thuyết hấp dẫn lượng tử đã không né tránh thách thức. Hiện tại, có khoảng nửa tá ứng cử viên cho một nguyên lý có thể tách ra, từ tất cả các trạng thái lượng tử được cho phép bởi các định luật động lực học của lực hấp dẫn lượng tử, trạng thái lượng tử ban đầu của vũ trụ chúng ta .
Một vũ trụ không có ranh giới (quá khứ)?
Có lẽ được nghiên cứu nhiều nhất trong số các đề xuất về trạng thái ban đầu của vũ trụ của chúng ta là đề xuất “không có ranh giới” của James Hartle và Stephen Hawking, có từ năm 1983. Để nêu đề xuất này, trước tiên chúng ta cần nhớ lại rằng trong công thức tích phân đường đi của Feynman về cơ học lượng tử, xác suất vũ trụ phát triển từ trạng thái ban đầu A đến trạng thái sau đó là B được tính toán bằng cách sử dụng một loại tổng trên tất cả các cách có thể hình dung được mà sự tiến hóa này có thể đã diễn ra – trên tất cả các lịch sử có thể dẫn từ trạng thái A đến trạng thái B. (Để biết thêm thông tin về tích phân đường dẫn, hãy xem văn bản tiêu điểm Tổng của tất cả các khả năng.) Bây giờ, Hartle và Hawking đề xuất một điều kiện biên ban đầu cụ thể cho các lịch sử mô tả vũ trụ của chúng ta. Ý chính của đề xuất có thể được nhìn thấy bằng cách xem xét một vũ trụ mô hình đơn giản chỉ có một chiều không gian, phát triển theo thời gian từ trạng thái ban đầu. Chúng tôi đưa không gian trong vũ trụ mô hình này có dạng như một vòng tròn:
Nếu chúng ta vẽ biểu đồ về sự tiến hóa của không gian theo thời gian, vòng tròn sẽ vạch ra một loại bề mặt hình ống, hai chiều. Hình ảnh sau đây cho thấy một bề mặt như vậy, trong đó vũ trụ bắt đầu ở một số trạng thái ban đầu (ranh giới hình tròn ở thời điểm sớm nhất, được đánh dấu bằng màu đỏ) và theo thời gian, mở rộng (đọc từ dưới lên trên theo thời gian, các vòng tròn xếp chồng lên nhau hình thành bề mặt hai chiều ngày càng lớn hơn):
Một khả năng khác sẽ là một vũ trụ bắt đầu ở kích thước bằng không, không trơn tru, nhưng với một loại đỉnh kỳ dị, như trong hình sau:
Đề xuất của Hartle và Hawking là trạng thái ban đầu nên có kích thước bằng không nhưng quá trình phát triển từ trạng thái này phải bắt đầu suôn sẻ, không có bất kỳ điểm kỳ dị nào. Trong vũ trụ mô hình của chúng tôi, đề xuất này có nghĩa là hình học ở trạng thái ban đầu có thể không có đầu nhọn, chẳng hạn như đỉnh của hình nón, nhưng thay vào đó phải nhẵn, như trong hình sau:
Do đó, điều kiện biên là các lịch sử không thời gian không có ranh giới ban đầu trong quá khứ. Ranh giới duy nhất đi vào các phép tính tích phân đường đi là ranh giới ở “hiện tại”, tại thời điểm chúng ta thực hiện các quan sát về vũ trụ.
Đường hầm hay đối xứng?
Một đề xuất khác tập trung vào quan sát rằng mật độ vật chất tại điểm kỳ dị vụ nổ lớn cổ điển là vô hạn. Điều này có nghĩa là về mặt cổ điển, vũ trụ không thể bắt đầu từ kích thước bằng không với mật độ vật chất hữu hạn. Tuy nhiên, trong cơ học lượng tử, các hệ thống có thểtrải qua quá trình tiến hóa bị cấm theo kiểu cổ điển, thông qua một hiện tượng gọi là đào hầm. Theo cổ điển, một vật thể không có đủ năng lượng để leo qua một ngọn đồi sẽ không đến được phía bên kia của nó. Tuy nhiên, một vật thể cơ lượng tử không có đủ năng lượng để leo qua một ngọn đồi có thể đột nhiên biến mất từ bên này và xuất hiện ở bên kia, như thể ngay lập tức chui qua một đường hầm. Một ví dụ của việc đào hầm là sự phân rã phóng xạ tự phát của một số hạt nhân nguyên tử. Áp dụng bức tranh này cho sự khởi đầu của vũ trụ, do đó, người ta có thể hình dung vũ trụ bắt đầu từ kích thước 0 với mật độ vật chất hữu hạn thông qua một sự kiện đường hầm lượng tử. Việc triển khai ý tưởng này, được gọi là đề xuất đào đường hầm, đã được Andrei Linde và Alexander Vilenkin ủng hộ.
Tuy nhiên, một đề xuất khác dựa trên quan sát rằng tốc độ mở rộng vũ trụ hiện tại dường như là như nhau trong tất cả các hướng không gian. Trong khi một số mô hình vũ trụ cho rằng đẳng hướng quy mô lớn trong không gian này là sự tiến hóa động học đã diễn ra kể từ khi các hiệu ứng hấp dẫn lượng tử không còn quan trọng nữa, thì một nhà lý thuyết hấp dẫn lượng tử sẽ khao khát giải thích đẳng hướng trực tiếp bằng điều kiện ban đầu cơ lượng tử. Ý tưởng này được thực hiện trong “điều kiện ban đầu đối xứng” do Heinz-Dieter Zeh ủng hộ, trong đó điểm kỳ dị thể tích bằng không được công nhận là có lượng đẳng hướng lớn nhất tương thích với nguyên lý bất định của Heisenberg .
Vấn đề mở
Trạng thái lượng tử của vũ trụ cuối cùng là một câu hỏi thực nghiệm và cần được giải quyết bằng cách so sánh với quan sát. Trạng thái lượng tử ‘đúng’ ít nhất phải tương thích với dữ liệu vũ trụ học ngày nay của chúng ta, bao gồm tính đồng nhất và đẳng hướng quy mô lớn và các dị hướng nhỏ quan sát được trong nền vi sóng vũ trụ . Tuy nhiên, việc tính toán các dự đoán cổ điển thuộc loại này từ bất kỳ trạng thái lượng tử ban đầu nào được đề xuất vẫn là một thách thức ghê gớm. Có hai lý do cho việc này. Đầu tiên là kỹ thuật, thứ hai là khái niệm.
Lý do kỹ thuật là việc đưa ra dự đoán từ một trạng thái lượng tử ban đầu nhất định đòi hỏi sự kiểm soát đủ tốt các định luật động lực học của lực hấp dẫn lượng tử. Với các ứng cử viên hiện tại của chúng tôi cho lý thuyết lượng tử về lực hấp dẫn, một sự kiểm soát như vậy tồn tại nếu lý thuyết này lần đầu tiên là cổ điểnchuyên biệt cho một vũ trụ mô hình vũ trụ chỉ kết hợp một vài thông số để mô tả vũ trụ. Ví dụ, một vũ trụ mô hình đồng nhất đặt mật độ vật chất là như nhau tại mọi điểm trong không gian, do đó mô tả sự phân bố vật chất chỉ bằng một tham số, mật độ trung bình. Tuy nhiên, cần có vô số tham số để mô tả vũ trụ thực: Mật độ vật chất trong vũ trụ thực không giống nhau ở mọi điểm trong không gian. Hiện tại người ta vẫn chưa hiểu rõ về động lực lượng tử của các mô hình vũ trụ lượng tử, chỉ với một vài tham số, gần đúng với động lực lượng tử của vũ trụ thực, với vô số tham số của nó.
Lý do khái niệm đi đúng vào trung tâm của lý thuyết lượng tử. Trong phần lớn các ứng dụng của lý thuyết lượng tử, các nhà vật lý đang xử lý một mặt hệ lượng tử tương đối nhỏ (một phân tử hoặc các hạt cơ bản va chạm), mặt khác với các thiết bị đo lường (chẳng hạn như máy dò hạt) có thể được hiểu phần lớn mà không cần dùng đến vật lý lượng tử. Các cách thức tiêu chuẩn trong đó các nhà vật lý trích xuất các dự đoán từ lý thuyết lượng tử sử dụng quan điểm hai mặt này của thế giới – ở đây là hệ lượng tử, ở đây là thiết bị đo lường. Trong vũ trụ học lượng tử, nơi hệ lượng tử là toàn thể vũ trụ, quan điểm tiêu chuẩn này không còn giá trị nữa. Điều cần thiết là sự hiểu biết khái niệm hoạt động về cách đưa ra các dự đoán cổ điển từ trạng thái lượng tử khi ngay cả những người quan sát cũng là một phần của hệ lượng tử mà họ quan sát. Để theo đuổi sự hiểu biết này, các nhà vũ trụ học lượng tử trong hai thập kỷ qua đã tìm thấy nhiều điểm chung với các nhà vật lý lượng tử trong phòng thí nghiệm mà các thí nghiệm của họ trong một số trường hợp nhất định có thể thể hiện hành vi cơ lượng tử giữa hai đầu của một căn phòng, hoặc trong một số thí nghiệm gần đây thậm chí giữa hai bờ. của sông Danube.
Theo: Einstein-online.
