Chương 13 - Các lỗ đen theo quan điểm của lý thuyết dây - lý thuyết - M (5)

Vũ trụ học và lý thuyết dây

Vẫn còn có một mẩu rất nhỏ trên hình 14.1 giữa Big Bang và thời gian Planck, mà ta chưa hề đề cập tới. Bằng cách áp dụng một cách máy móc các phương trình của thuyết tương đối rộng cho khoảng này, các nhà vật lý đã phát hiện ra rằng vũ trụ sẽ càng nhỏ hơn, nóng hơn và đặc hơn khi càng tiến gần tới Big Bang. Tới thời gian zêrô, khi kích thước của vũ trụ không còn nữa thì nhiệt độ và mật độ tăng vọt tới vô cùng, báo hiệu với chúng ta rằng mô hình vũ trụ của chúng ta chỉ dựa trên thuyết tương đối tổng quát đã thất bại hoàn toàn.

Tự nhiên đã long trọng mách bảo chúng ta rằng, trong những điều kiện như vậy cần phải kết hợp cơ học lượng tử với thuyết tương đối rộng. Nói một cách khác, chúng ta cần phải sử dụng lý thuyết dây. Hiện nay, những nghiên cứu về các hệ quả của lý thuyết dây đối với vũ trụ học mới ở giai đoạn phát triển ban đầu. Các phương pháp nhiễu loạn, may lắm, cũng chỉ cho chúng ta những chỉ dẫn khái lược, bởi vì ở những năng lượng và mật độ cực cao như vậy đòi hỏi phải có sự phân tích hết sức chính xác. Tuy cuộc cách mạng siêu dây lần thứ hai đã cung cấp một số kỹ thuật phi nhiễu loạn, nhưng cũng phải mất một thời gian nữa, để những kỹ thuật này được mài dũa và hoàn chỉnh thêm mới có thể dùng được cho những tính toán trong vũ trụ học, trong khoảng một chục năm trở lại đây, các nhà vật lý đã đi được những bước đi đầu tiên trên con đường tìm hiểu vũ trụ học dây. Dưới đây là những điều họ đã phát hiện được.

Hóa ra, lý thuyết dây có thể cải tiến mô hình chuẩn của vũ trụ học theo ba cách cơ bản. Thứ nhất, theo cách mà các nghiên cứu hiện nay đang tiếp tục làm rõ: vũ trụ có thể có kích thước cực tiểu là bao nhiêu? Điều này có những hệ quả rất cơ bản đến hiểu biết của chúng ta về vũ trụ ở chính thời điểm Big Bang, khi mà mô hình chuẩn của vũ trụ học tuyên bố rằng kích thước của vũ trụ co dần tới zêrô. Thứ hai, lý thuyết dây có tính đối ngẫu bán kính lớn /bán kính nhỏ (liên quan mật thiết với kích thước tối thiểu khả dĩ) và điều này cũng có những hệ quả quan trọng đối với vũ trụ học như chúng ta sẽ thấy dưới đây. Và cuối cùng, lý thuyết dây có hơn bốn chiều không - thời gian và trên quan điểm vũ trụ học, thì chúng ta phải xét sự tiến hóa của tất cả các chiều đó. Bây giờ chúng ta sẽ xem xét tất cả những điểm đó một cách chi tiết hơn.

Ngay ban đầu đã có một cục với kích thước planck

Vào cuối những năm 1980, Robert Brandenberger và Cumrun Vafa đã có những bước đi quan trọng đầu tiên tiến tới tìm hiểu cách thức áp dụng những đặc trưng lý thuyết của lý thuyết dây để làm thay đổi những kết luận của mô hình chuẩn trong vũ trụ học. Họ đã đi tới hai phát minh quan trọng. Thứ nhất, khi chúng ta cho đồng hồ chạy ngược về phía bắt đầu, nhiệt độ liên tục tăng cho tới khi kích thước của vũ trụ đạt tới cỡ chiều dài Planck theo mọi hướng. Nhưng tới đó, nhiệt độ sẽ vấp phải một cực đại rồi bắt đầu giảm. Để đơn giản, hãy tưởng tượng (như Brandenberger và Vafa) rằng tất cả các chiều không gian của vũ trụ đều cuộn tròn lại. Khi chúng ta cho đồng hồ chạy ngược chiều dòng thời gian và bán kính các vòng tròn này co lại, nhiệt độ của vũ trụ sẽ tăng. Nhưng khi mỗi bán kính này đều co lại về kích thước Planck và sau đó vượt qua giới hạn đó, chúng ta biết rằng, theo lý thuyết dây, điều này về mặt vật lý là đồng nhất với trường hợp các bán kính co lại tới chiều dài Planck rồi nảy ngược trở lại theo hướng có kích thước tăng. Vì nhiệt độ giảm khi vũ trụ giãn nở, nên chúng ta có thể hy vọng rằng, việc không thể nén vũ trụ xuống dưới kích thước Planck có nghĩa là nhiệt độ sẽ ngừng tăng, tức là đạt cực đại, rồi sau đó bắt đầu giảm. Thông qua những tính toán chi tiết, Brandenberger và Vafa đã chứng tỏ một cách tường minh rằng thực sự đúng là như vậy.

Điều này đã dẫn Brandenberger và Vafa đi tới bức tranh vũ trụ học sau. Ban đầu, tất cả các chiều không gian của lý thuyết dây đều cuộn chặt với kích thước nhỏ nhất có thể, đại khái cỡ chiều dài Planck. Nhiệt độ và năng lượng rất cao, nhưng không phải là vô hạn, vì lý thuyết dây đã tránh được vấn đề điểm xuất phát có độ nén vô hạn và kích thước zêrô. Tại thời điểm bắt đầu đó của vũ trụ, tất cả các chiều không gian của lý thuyết dây đều hoàn toàn bình đẳng với nhau, hay nói cách khác là chúng hoàn toàn đối xứng, tất cả đều bị cuộn lại thành một cục nhiều chiều có kích thước cỡ chiều dài Planck. Sau đó, theo Brandenberger và Vafa, vào khoảng thời gian Planck, vũ trụ sẽ trải qua giai đoạn phá vỡ đối xứng đầu tiên, khi mà ba chiều không gian được tách riêng ra để giãn nở, trong khi đó các chiều còn lại vẫn giữ nguyên kích thước ban đầu cỡ chiều dài Planck. Ba chiều không gian này sau đó được đồng nhất với ba chiều trong kịch bản vũ trụ lạm phát, sự tiến hóa sau thời gian Planck được tổng kết trên hình 14.1 nắm quyền chi phối và ba chiều này giãn nở tới dạng hiện nay như chúng ta quan sát được.