Trọng lực dường như là ảnh ba chiều – Điều này có ý nghĩa gì với thực tại?

Trong gần một thập kỷ qua, giới vật lý lý thuyết liên tục bị cuốn vào một cụm ký tự khó hiểu: AdS/CFT. Đó là tên viết tắt của một mối liên hệ đáng kinh ngạc giữa hai thế giới tưởng chừng như đối nghịch — trọng lực và cơ học lượng tử — và nó gợi ý rằng trọng lực có thể xóa nhòa ranh giới giữa thể tích và diện tích.

Nguyên lý ảnh ba chiều là gì?

Ý tưởng cốt lõi rất đơn giản để phát biểu nhưng cực kỳ kỳ lạ: hãy tưởng tượng bạn đặt một chiếc hộp bao quanh bất kỳ vùng không gian nào. Nguyên lý ảnh ba chiều khẳng định rằng bất kể bên trong có gì — từ các phân tử khí va đập lẫn nhau cho đến các lỗ đen đang va chạm — bạn vẫn có thể giải mã toàn bộ nội dung của chiếc hộp chỉ bằng cách đo đạc liên tục các điểm trên bề mặt của nó.

Bạn hoàn toàn không thể nhìn xuyên vào trong hộp. Tuy nhiên, nguyên lý ảnh ba chiều nói rằng bạn có thể biết chính xác điều gì đang diễn ra ở mọi nơi trong hộp mà không cần tiếp cận phần bên trong.

Điều này vi phạm logic hình học thông thường: lượng "vật chất" chứa trong một chiếc hộp lại tương đương với lượng "sơn" phủ lên bề mặt của nó. Nói cách khác, mét vuông và mét khối trở nên tương đương về mặt thông tin.

Minh họa nguyên lý ảnh ba chiều trong vật lý lý thuyết

Vì sao trọng lực lại đặc biệt?

Các nhà khoa học đã biết hơn một thế kỷ nay rằng trọng lực khác biệt so với các lực cơ bản khác. Hãy tưởng tượng một chiếc hộp chứa đầy các điện tích — đại diện cho lực điện từ. Nếu chỉ nhìn vào bề mặt, bạn sẽ gặp rắc rối khi cố suy luận cách sắp xếp các điện tích bên trong, bởi vì điện tích dương và điện tích âm có thể triệt tiêu lẫn nhau. Nếu bạn quan sát thấy không có trường điện từ, điều đó có thể có nghĩa là bên trong không có điện tích nào — hoặc cũng có thể là các điện tích dương đang triệt tiêu hoàn hảo hiệu ứng của các điện tích âm.

Với trọng lực, khối lượng đóng vai trò như điện tích, nhưng khối lượng luôn luôn dương. Không có khối lượng âm. Do đó, bạn luôn có thể suy ra cấu trúc thực sự bên trong từ sự bẻ cong không-thời gian tại bề mặt của chiếc hộp.

"Về mặt trực giác, đây là lý do vì sao nguyên lý ảnh ba chiều có vẻ hợp lý." — Laurent Freidel, Viện Vật lý Lý thuyết Perimeter, Canada

Manh mối từ lỗ đen

Những gợi ý đầu tiên xuất hiện vào thập niên 1970, khi Jacob Bekenstein và Stephen Hawking tính toán entropy của lỗ đen. Họ sử dụng lý thuyết lượng tử để dự đoán cách một lỗ đen lớn lên khi nuốt các hạt. Điều gây hoang mang là: khi họ tưởng tượng thêm các hạt vào lỗ đen, entropy lại tăng tỉ lệ thuận với diện tích bề mặt, chứ không phải thể tích như người ta vẫn tưởng.

Vào thập niên 1990, nhà vật lý Leonard Susskind tại Đại học Stanford đã xây dựng trên kết quả này và đề xuất rằng lỗ đen thực sự là một ảnh ba chiều — mọi thứ xảy ra bên trong đều có thể được quan sát từ bên ngoài.

"Tôi nghĩ điều đó hơi điên rồ, nhưng tôi cho rằng đó là điều ít điên rồ nhất trong tất cả các khả năng." — Leonard Susskind

Nhà vật lý Leonard Susskind, người đề xuất ý tưởng lỗ đen là ảnh ba chiều

Lập luận này có tính phổ quát vững chắc: bất kỳ vùng không gian nào cũng có thể trở thành lỗ đen nếu bạn đặt đủ khối lượng vào đó. Vậy nên nếu lỗ đen là ảnh ba chiều, thì căn phòng bạn đang ngồi cũng phải là ảnh ba chiều.

AdS/CFT: Bằng chứng không thể chối cãi

Bên cạnh lập luận về entropy lỗ đen, còn có một phát hiện thứ hai mang tính chặt chẽ hơn về mặt khái niệm: AdS/CFT.

Hãy tưởng tượng một vũ trụ không giống vũ trụ của chúng ta, một vũ trụ cong đến mức khoảng không gian vô hạn của nó có thể được hình dung như nằm gọn trong một quả cầu tuyết hữu hạn. Hình học này được gọi là không gian anti-de Sitter (AdS).

Bên trong quả cầu tuyết AdS là một vũ trụ giống vũ trụ của chúng ta, chứa đầy electron và nguyên tử, và nó gợn sóng để tạo ra hiệu ứng trọng lực. Bề mặt của quả cầu tuyết cũng là một vũ trụ riêng, chứa đầy các hạt lượng tử, nhưng nó cứng nhắc nên không thể phản ứng lại — không có trọng lực. Thế giới bề mặt này chỉ tuân theo một loại lý thuyết lượng tử gọi là conformal field theory (CFT).

Bộ ba bài báo đột phá vào cuối thập niên 1990 đã chứng minh rằng về mặt toán học, hai thế giới lý thuyết này (phần bên trong AdS và bề mặt CFT) là một. Điều này có nghĩa là, ít nhất trong quả cầu tuyết đặc biệt này, các quy luật của trọng lực và các quy luật của cơ học lượng tử thực ra đang mô tả cùng một trò chơi.

"Không có cách giải thích tầm thường nào cho điều này." — Latham Boyle, Đại học Edinburgh

Liệu điều này có đúng với vũ trụ thật?

Đây là điểm mà các nhà vật lý không đồng thuận. Những người hoài nghi nhấn mạnh rằng vũ trụ của chúng ta ngược lại với quả cầu tuyết: sự giãn nở gia tốc của vũ trụ ngụ ý rằng chúng ta sống trong một không gian cong ra ngoài — gọi là de Sitter space. Vì không gian của chúng ta không cong trở lại vào chính nó, nó không có bề mặt biên để chiếu ảnh ba chiều lên.

Tuy nhiên, những người ủng hộ mạnh mẽ nhất lập luận rằng một con kiến sống sâu bên trong quả cầu tuyết không thể dễ dàng phát hiện độ cong, và do đó không thể phân biệt giữa không gian anti-de Sitter và de Sitter. Vậy nên có lẽ những gì đúng với một loại không gian cũng nên đúng với loại kia.

Nếu nguyên lý ảnh ba chiều đúng với vũ trụ của chúng ta, thì có ba khả năng về bản chất thực tại:

• Bề mặt lượng tử là thực: Không gian chúng ta trải nghiệm chỉ là ảo ảnh, giống như nước trông liền mạch nhưng thực ra là các phân tử dao động. Chúng ta giống như nhân vật trong trò chơi điện tử — các tòa nhà và cây cối trông đồ sộ thực ra chỉ là các pixel nhấp nháy trên một màn hình phẳng.

• Thể tích hấp dẫn là thực: Thế giới trò chơi 3D mới là thật, và nó chỉ có vẻ như được tạo thành từ các pixel 2D. Ảnh ba chiều khi đó chỉ là một sự trùng hợp toán học.

• Cả hai đều không thực: Cả thể tích lẫn diện tích đều chỉ là những bản nháp thô của một lý thuyết sắc nét hơn, đúng đắn hơn, hoàn toàn chưa được biết đến.

Minh họa về cấu trúc không gian và thông tin lượng tử

Ý nghĩa với thực tại

Nhiều nhà vật lý ngần ngại suy đoán về mối liên hệ giữa bản chất ảnh ba chiều của không gian và câu hỏi "thực tại đích thực là gì".

"Tôi không cố trả lời câu hỏi đó. Nó vượt quá tầm hiểu biết của tôi." — Leonard Susskind

Thay vào đó, họ tập trung vào mục tiêu cốt lõi của vật lý: xác định một vài khái niệm đơn giản, được diễn đạt bằng các mối quan hệ toán học, có thể đưa ra dự đoán đáng tin cậy trong nhiều tình huống khác nhau. Trọng lực là một khái niệm mạnh mẽ vì nó đúng với quả táo rơi, thủy triều lên xuống và các hành tinh quay quanh. Nguyên lý ảnh ba chiều có thể là một bước tiếp theo trong truyền thống đó.

Trong những năm gần đây, các nhà vật lý đã bắt đầu sáng tạo hơn khi cố gắng mở rộng AdS/CFT để phù hợp với không gian de Sitter. Susskind và các nhóm khác đã đạt được tiến bộ với các mô hình ảnh ba chiều de Sitter khác biệt hoàn toàn với AdS/CFT: thay vì nén một thể tích vào một diện tích, những vũ trụ này dường như nhồi tất cả các chiều vào một điểm lượng tử duy nhất.

Ngay cả mô hình cấp tiến đó có thể vẫn chưa đi đủ xa. Nếu ba chiều không gian nổi lên từ một điểm không có không gian, thì thời gian cũng nên nổi lên từ một thứ gì đó không có thời gian. Bằng cách nào đó, chúng ta và mọi thứ chúng ta trải nghiệm tồn tại bên trong một điểm không kích thước, không bao giờ nháy mắt.

Các nhà vật lý còn lâu mới xây dựng được một lý thuyết hoàn chỉnh theo hướng này, chứ chưa nói đến việc tìm ra bằng chứng cứng rằng vũ trụ của chúng ta thực sự vận hành như vậy. Nhưng để diễn giải lại Niels Bohr trong một thời đại mà các nhà vật lý đang tìm kiếm điều gì đó mới mẻ: loại lý thuyết này có vẻ vừa đủ cấp tiến, vừa đủ đơn giản — để có thể là đúng.