Chúng ta cần năng lượng tối để giải thích tại sao lực hấp dẫn dường như đang đẩy các thiên hà trong vũ trụ của chúng ta ra ngoài thay vì kéo chúng lại gần nhau.
Làm thế nào để chúng ta suy nghĩ về một cái gì đó chúng ta có thể nhìn thấy và đưa kinh nghiệm vào cuộc sống hàng ngày của chúng ta, nhưng dường như đang đẩy vũ trụ của chúng ta ra xa hơn bao giờ hết? Tín dụng hình ảnh: NASA, ESA, G. Illingworth, D. Magee và P. Oesch (Đại học California, Santa Cruz), R. Bouwens (Đại học Leiden) và Nhóm HUDF09, CC BY
Robert Scherrer, Đại học Vanderbilt
Bản chất của năng lượng tối là một trong những vấn đề quan trọng nhất chưa được giải quyết trong tất cả các ngành khoa học. Nhưng chính xác thì năng lượng tối là gì và tại sao chúng ta thậm chí tin rằng nó tồn tại?
Những gì đi lên phải xuống xuống phải không? Hình ảnh bóng qua www.shutterstock.com
Lùi lại một phút và xem xét một trải nghiệm quen thuộc hơn: điều gì xảy ra khi bạn ném một quả bóng thẳng lên không trung? Nó dần dần chậm lại khi trọng lực kéo lên nó, cuối cùng dừng lại giữa không trung và rơi trở lại mặt đất. Tất nhiên, nếu bạn ném đủ cứng bóng (khoảng 25.000 dặm một giờ), nó sẽ thực sự thoát khỏi Trái Đất hoàn toàn và bắn vào không gian, không bao giờ trở lại. Nhưng ngay cả trong trường hợp đó, lực hấp dẫn sẽ tiếp tục kéo mạnh vào quả bóng, làm chậm tốc độ của nó khi nó thoát khỏi nanh vuốt của Trái đất.
Nhưng bây giờ hãy tưởng tượng một cái gì đó hoàn toàn khác. Giả sử rằng bạn ném một quả bóng lên không trung, và thay vì bị thu hút trở lại mặt đất, quả bóng đã bị Trái đất đẩy lùi và thổi nhanh hơn và nhanh hơn lên bầu trời. Đây sẽ là một sự kiện đáng kinh ngạc, nhưng nó chính xác là những gì các nhà thiên văn học đã quan sát thấy xảy ra với toàn bộ vũ trụ!
Các nhà khoa học đã biết gần một thế kỷ rằng vũ trụ đang giãn nở, với tất cả các thiên hà bay cách xa nhau. Và cho đến gần đây, các nhà khoa học tin rằng chỉ có hai lựa chọn khả thi cho vũ trụ trong tương lai. Nó có thể mở rộng mãi mãi (như bóng mà bạn ném lên tại 25.000 dặm một giờ), nhưng với việc mở rộng chậm lại như trọng lực kéo tất cả các thiên hà với nhau. Hoặc lực hấp dẫn cuối cùng có thể chiến thắng và khiến cho sự giãn nở của vũ trụ bị đình trệ, cuối cùng làm sụp đổ nó trở lại trong một cuộc khủng hoảng lớn của người Viking, giống như quả bóng của bạn rơi xuống đất.
Hình minh họa này cho thấy ‘lát cắt của không gian tại các thời điểm khác nhau khi vũ trụ giãn nở.
Tín dụng hình ảnh: Ævar Arnfjorð Bjarmason,
Vì vậy, hãy tưởng tượng các nhà khoa học, bất ngờ khi hai nhóm các nhà thiên văn học khác nhau phát hiện ra, vào năm 1998, rằng cả hai hành vi này đều không đúng. Các nhà thiên văn học này đang đo vũ trụ giãn nở nhanh như thế nào khi còn trẻ hơn nhiều so với ngày nay. Nhưng làm thế nào họ có thể làm điều này mà không cần xây dựng một cỗ máy thời gian?
May mắn thay, một kính thiên văn Là một cỗ máy thời gian. Khi bạn nhìn lên các vì sao vào ban đêm, bạn sẽ thấy chúng trông như thế nào hôm nay - bạn thấy ánh sáng rời khỏi các ngôi sao từ lâu - thường là hàng trăm năm. Bằng cách nhìn vào các siêu tân tinh xa xôi, là những ngôi sao nổ cực kỳ sáng, các nhà thiên văn học có thể nhìn lại hàng trăm triệu năm. Sau đó, họ có thể đo tốc độ mở rộng trở lại bằng cách so sánh khoảng cách với các siêu tân tinh xa xôi này với tốc độ chúng bay ra khỏi chúng ta. Và bằng cách so sánh vũ trụ đã giãn nở nhanh như thế nào hàng trăm triệu năm trước với tốc độ giãn nở ngày nay, những nhà thiên văn học này đã phát hiện ra rằng sự giãn nở này thực sự là tăng tốc lên thay vì chậm lại như mọi người đã mong đợi.
Điều gì đẩy các thiên hà như thế này trong trường sâu Hubble cách xa nhau? Tín dụng hình ảnh: NASA và A. Riess (STScI)
Thay vì kéo các thiên hà trong vũ trụ lại với nhau, lực hấp dẫn dường như đang đẩy chúng ra xa nhau. Nhưng làm thế nào trọng lực có thể bị đẩy lùi, khi kinh nghiệm hàng ngày của chúng ta cho thấy nó hấp dẫn? Lý thuyết hấp dẫn của Einstein trên thực tế dự đoán rằng lực hấp dẫn có thể đẩy lùi cũng như thu hút, nhưng chỉ trong những trường hợp rất đặc biệt.
Lực hấp dẫn đòi hỏi một dạng năng lượng mới, được mệnh danh là năng lượng tối của Hồi giáo, có tính chất rất kỳ lạ. Không giống như vật chất thông thường, năng lượng tối có tiêu cực áp lực, và nó áp lực tiêu cực này làm cho trọng lực đẩy lùi. (Đối với vật chất thông thường, trọng lực luôn hấp dẫn). Năng lượng tối dường như được làm nhẵn trong toàn bộ vũ trụ và nó tương tác với vật chất thông thường chỉ thông qua tác động của trọng lực, khiến nó gần như không thể thử nghiệm trong phòng thí nghiệm.
Các nhà khoa học từng nghĩ rằng sự giãn nở của vũ trụ được mô tả bởi các đường cong màu vàng, xanh lá cây hoặc xanh dương. Nhưng thật bất ngờ, nó thực sự là đường cong màu đỏ.
Dạng năng lượng tối đơn giản nhất có hai tên khác nhau: hằng số vũ trụ hoặc năng lượng chân không. Năng lượng chân không có một tính chất kỳ lạ khác. Hãy tưởng tượng một cái hộp mở rộng khi vũ trụ giãn nở. Lượng vật chất trong hộp vẫn giữ nguyên khi hộp mở rộng, nhưng khối lượng của hộp tăng lên, do đó mật độ vật chất trong hộp giảm xuống. Trong thực tế, mật độ của mọi điều đi xuống khi vũ trụ giãn nở. Ngoại trừ năng lượng chân không - mật độ của nó vẫn giống hệt nhau. (Vâng, điều đó thật kỳ quái như nó nghe. Nó giống như kéo dài một chuỗi taffy và khám phá ra rằng nó không bao giờ trở nên mỏng hơn).
Các nhà thiên văn học tiếp tục thăm dò bầu trời, tìm kiếm các chi tiết tốt hơn có thể dựa trên những gì chúng ta nghi ngờ về năng lượng tối. Ảnh tín dụng: Reidar Hahn
Vì năng lượng tối có thể bị cô lập hoặc bị thăm dò trong phòng thí nghiệm, làm thế nào chúng ta có thể hy vọng hiểu chính xác những gì nó tạo ra? Các lý thuyết khác nhau về năng lượng tối dự đoán những khác biệt nhỏ trong cách sự giãn nở của vũ trụ thay đổi theo thời gian, vì vậy hy vọng tốt nhất của chúng ta về việc thăm dò năng lượng tối dường như đến từ các phép đo chính xác hơn về gia tốc của vũ trụ, dựa trên khám phá đầu tiên 17 những năm trước Các nhóm các nhà khoa học khác nhau hiện đang thực hiện một loạt các phép đo này. Ví dụ, Khảo sát Năng lượng tối đang vạch ra sự phân bố các thiên hà trong vũ trụ để giúp giải quyết câu đố này.
Có một khả năng khác: có thể các nhà khoa học đã sủa sai cây. Có lẽ không có năng lượng tối, và các phép đo của chúng tôi thực sự có nghĩa là thuyết hấp dẫn của Einstein là sai và cần phải được sửa chữa. Đây sẽ là một công việc khó khăn, vì lý thuyết Einstein Einstein hoạt động cực kỳ tốt khi chúng ta thử nghiệm nó trong hệ mặt trời. (Hãy để đối mặt với nó, Einstein thực sự biết mình đang làm gì). Cho đến nay, không ai tạo ra một cải tiến thuyết phục về lý thuyết Einstein, dự đoán sự giãn nở chính xác cho vũ trụ và vẫn đồng ý với lý thuyết Einstein Einstein bên trong hệ mặt trời. Tôi sẽ để lại đó như là một vấn đề bài tập về nhà cho người đọc.
Albert Einstein.