Cách đây hàng thiên niên kỷ, Aristotle đã khẳng định rằng thiên nhiên ghét sự chân không, lý luận rằng các vật thể sẽ bay qua không gian thực sự trống rỗng với tốc độ không tưởng. Năm 1277, giám mục người Pháp Etienne Tempier phản bác lại, tuyên bố rằng Chúa có thể làm bất cứ điều gì, thậm chí tạo ra chân không.
Sau đó, một nhà khoa học đơn thuần đã giải quyết được nó. Otto von Guericke đã phát minh ra một máy bơm để hút không khí từ bên trong một quả cầu đồng rỗng, có lẽ là thiết lập nên máy hút bụi chất lượng cao đầu tiên trên Trái đất. Trong một cuộc trình diễn trên sân khấu vào năm 1654, ông đã chỉ ra rằng ngay cả hai đội ngựa đang căng sức để xé toạc quả bóng có kích thước bằng quả bưởi cũng không thể vượt qua được sức hút của hư vô.
Kể từ đó, chân không đã trở thành một khái niệm nền tảng trong vật lý, nền tảng của bất kỳ lý thuyết nào về một cái gì đó. Chân không của Von Guericke là nơi không có không khí. Chân không điện từ là sự vắng mặt của môi trường có thể làm chậm ánh sáng. Và chân không hấp dẫn không có bất kỳ vật chất hay năng lượng nào có khả năng bẻ cong không gian. Trong mỗi trường hợp, sự đa dạng cụ thể của không có gì phụ thuộc vào loại sự vật mà các nhà vật lý định mô tả. “Đôi khi, đó là cách chúng ta định nghĩa một lý thuyết,” nói Patrick Drapper, một nhà vật lý lý thuyết tại Đại học Illinois.
Khi các nhà vật lý hiện đại vật lộn với những ứng cử viên phức tạp hơn cho lý thuyết tối thượng về tự nhiên, họ đã gặp phải vô số loại hư vô ngày càng tăng. Mỗi loại có hành vi riêng, như thể đó là một giai đoạn khác nhau của một chất. Càng ngày, dường như chìa khóa để hiểu được nguồn gốc và số phận của vũ trụ có thể là sự tính toán cẩn thận về những dạng vắng mặt đang sinh sôi nảy nở này.
“Chúng tôi đang học được rằng có rất nhiều điều để học mà không có gì hơn chúng tôi nghĩ,” nói Isabel Garcia García, một nhà vật lý hạt tại Viện Vật lý Lý thuyết Kavli ở California. “Chúng ta còn thiếu bao nhiêu nữa?”
Cho đến nay, những nghiên cứu như vậy đã dẫn đến một kết luận đầy ấn tượng: Vũ trụ của chúng ta có thể nằm trên một nền tảng được xây dựng kém chất lượng, một chân không “siêu ổn định” sẽ bị tiêu diệt - trong tương lai xa - biến thành một loại hư vô khác, phá hủy mọi thứ trong quá trình đó. .
hư vô lượng tử
Không có gì bắt đầu có vẻ giống một cái gì đó trong thế kỷ 20, khi các nhà vật lý xem thực tế là một tập hợp các trường: các vật thể lấp đầy không gian với một giá trị tại mỗi điểm (ví dụ, điện trường cho bạn biết lực mà một electron sẽ cảm nhận là bao nhiêu). Ở những nơi khác nhau). Trong vật lý cổ điển, giá trị của một trường có thể bằng XNUMX ở mọi nơi nên nó không có ảnh hưởng và không chứa năng lượng. “Về mặt cổ điển, máy hút bụi thật nhàm chán,” nói Daniel Harlow, một nhà vật lý lý thuyết tại Viện Công nghệ Massachusetts. "Chẳng có gì xảy ra."
Nhưng các nhà vật lý đã học được rằng các trường của vũ trụ là lượng tử, không phải cổ điển, có nghĩa là chúng vốn không chắc chắn. Bạn sẽ không bao giờ bắt được một trường lượng tử có năng lượng chính xác bằng không. Harlow ví trường lượng tử với một dãy con lắc – mỗi con lắc đặt tại một điểm trong không gian – có các góc biểu thị giá trị của trường. Mỗi con lắc treo gần như thẳng xuống nhưng dao động tới lui.
Còn lại, trường lượng tử sẽ duy trì ở cấu hình năng lượng tối thiểu, được gọi là “trạng thái chân không thực sự” hoặc “trạng thái cơ bản”. (Các hạt cơ bản là những gợn sóng trong các trường này.) “Khi chúng ta nói về chân không của một hệ, theo một cách nào đó, chúng ta nghĩ đến trạng thái ưa thích của hệ,” Garcia Garcia nói.
Hầu hết các trường lượng tử lấp đầy vũ trụ của chúng ta đều có một và chỉ một trạng thái ưu tiên, trong đó chúng sẽ tồn tại vĩnh viễn. Hầu hết, nhưng không phải tất cả.
Máy hút chân không đúng và sai
Vào những năm 1970, các nhà vật lý đã đánh giá cao tầm quan trọng của một loại trường lượng tử khác có giá trị không bằng 10, thậm chí là ở mức trung bình. Một “trường vô hướng” như vậy giống như một tập hợp các con lắc đều lơ lửng ở một góc XNUMX độ. Cấu hình này có thể là trạng thái cơ bản: Con lắc thích góc đó và ổn định.
Vào năm 2012, các nhà thực nghiệm tại Máy Va chạm Hadron Lớn đã chứng minh rằng một trường vô hướng được gọi là trường Higgs tràn ngập vũ trụ. Lúc đầu, trong vũ trụ nóng và sơ khai, các con lắc của nó hướng xuống. Nhưng khi vũ trụ nguội đi, trường Higgs thay đổi trạng thái, giống như nước có thể đóng băng thành băng, và các con lắc của nó đều tăng lên cùng một góc. (Giá trị Higgs khác XNUMX này mang lại cho nhiều hạt cơ bản đặc tính được gọi là khối lượng.)
Với các trường vô hướng xung quanh, độ ổn định của chân không không nhất thiết phải tuyệt đối. Các con lắc của trường có thể có nhiều góc bán ổn định và có khả năng chuyển đổi từ cấu hình này sang cấu hình khác. Các nhà lý thuyết không chắc chắn liệu trường Higgs có tìm được cấu hình yêu thích tuyệt đối của nó hay không – chân không thực sự. Một số có lập luận rằng trạng thái hiện tại của mỏ, mặc dù đã tồn tại suốt 13.8 tỷ năm, chỉ tạm thời ổn định, hay còn gọi là “siêu ổn định”.
Nếu vậy thì thời gian tốt đẹp sẽ không kéo dài mãi mãi. Vào những năm 1980, các nhà vật lý Sidney Coleman và Frank De Luccia đã mô tả cách chân không giả của trường vô hướng có thể “phân rã”. Bất cứ lúc nào, nếu có đủ con lắc ở một vị trí nào đó dao động theo một góc thuận lợi hơn, chúng sẽ kéo những con lắc lân cận đến gặp chúng và một bong bóng chân không thực sự sẽ bay ra ngoài với tốc độ gần như ánh sáng. Nó sẽ viết lại vật lý trong quá trình di chuyển, phá hủy các nguyên tử và phân tử trên đường đi của nó. (Đừng hoảng sợ. Ngay cả khi chân không của chúng ta chỉ có thể di chuyển được, với sức mạnh bền bỉ của nó cho đến nay, nó có thể sẽ tồn tại thêm hàng tỷ năm nữa.)
Về khả năng biến đổi tiềm tàng của trường Higgs, các nhà vật lý đã xác định được cách đầu tiên trong số vô số cách mà hư vô có thể giết chết tất cả chúng ta.
Nhiều vấn đề hơn, nhiều máy hút bụi hơn
Khi các nhà vật lý cố gắng đưa các định luật đã được xác nhận của tự nhiên vào một tập hợp lớn hơn (lấp đầy những khoảng trống khổng lồ trong sự hiểu biết của chúng ta trong quá trình này), họ đã tạo ra các lý thuyết ứng cử viên về tự nhiên với các trường bổ sung và các thành phần khác.
Khi các trường chồng lên nhau, chúng tương tác, ảnh hưởng đến các con lắc của nhau và thiết lập các cấu hình hỗ tương mới mà chúng muốn bị mắc kẹt trong đó. Các nhà vật lý hình dung những chân không này như những thung lũng trong một “cảnh quan năng lượng” cuộn tròn. Các góc con lắc khác nhau tương ứng với lượng năng lượng hoặc độ cao khác nhau trong bối cảnh năng lượng và một trường tìm cách giảm năng lượng của nó giống như một hòn đá tìm cách lăn xuống dốc. Thung lũng sâu nhất là trạng thái cơ bản, nhưng dù sao thì hòn đá cũng có thể dừng lại - trong một thời gian - ở thung lũng cao hơn.
Một vài thập kỷ trước, cảnh quan đã bùng nổ về quy mô. Các nhà vật lý Joseph Polchinski và Raphael Bousso đang nghiên cứu một số khía cạnh của lý thuyết dây, khung toán học hàng đầu để mô tả phía lượng tử của lực hấp dẫn. Lý thuyết dây chỉ hoạt động nếu vũ trụ có khoảng 10 chiều, với những chiều bổ sung bị cuộn lại thành những hình dạng quá nhỏ để phát hiện. Polchinski và Bousso tính trong năm 2000 rằng những chiều bổ sung như vậy có thể gấp lại theo vô số cách. Mỗi cách gấp sẽ tạo thành một chân không riêng biệt với các quy luật vật lý riêng.
Việc khám phá ra rằng lý thuyết dây cho phép có gần như vô số chân không gắn liền với một khám phá khác từ gần hai thập kỷ trước đó.
Các nhà vũ trụ học vào đầu những năm 1980 đã phát triển một giả thuyết được gọi là lạm phát vũ trụ, giả thuyết này đã trở thành lý thuyết hàng đầu về sự ra đời của vũ trụ. Lý thuyết này cho rằng vũ trụ bắt đầu bằng một sự bùng nổ giãn nở theo cấp số nhân nhanh chóng, điều này giải thích một cách khéo léo về độ mịn và độ lớn của vũ trụ. Nhưng thành công của lạm phát cũng phải trả giá.
Các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng một khi lạm phát vũ trụ bắt đầu, nó sẽ tiếp tục. Hầu hết chân không sẽ phát nổ dữ dội ra bên ngoài mãi mãi. Chỉ những vùng không gian hữu hạn mới ngừng phồng lên, trở thành những bong bóng có độ ổn định tương đối tách biệt với nhau bằng cách thổi phồng không gian ở giữa. Các nhà vũ trụ học lạm phát tin rằng chúng ta gọi một trong những bong bóng này là nhà.
Đa vũ trụ của máy hút bụi
Đối với một số người, quan niệm cho rằng chúng ta sống trong đa vũ trụ - một khung cảnh vô tận của các bong bóng chân không - là phiền. Nó làm cho bản chất của bất kỳ chân không nào (chẳng hạn như của chúng ta) có vẻ ngẫu nhiên và không thể đoán trước, hạn chế khả năng hiểu biết về vũ trụ của chúng ta. Polchinski, người chết năm 2018, nói với nhà vật lý và tác giả Sabine Hossenfelder cho rằng việc khám phá ra bối cảnh chân không của lý thuyết dây ban đầu khiến ông đau khổ đến mức phải tìm kiếm liệu pháp. Nếu lý thuyết dây dự đoán mọi thứ không có gì có thể tưởng tượng được thì liệu nó có dự đoán được điều gì không?
Đối với những người khác, việc có quá nhiều máy hút bụi không phải là vấn đề; “Thực ra, đó là một đức tính,” nói Andrei Linde, một nhà vũ trụ học nổi tiếng tại Đại học Stanford và là một trong những nhà phát triển lạm phát vũ trụ. Đó là bởi vì đa vũ trụ có khả năng giải quyết một bí ẩn lớn: năng lượng cực thấp của chân không đặc biệt của chúng ta.
Khi các nhà lý thuyết ước tính một cách ngây thơ sự dao động tập thể của tất cả các trường lượng tử của vũ trụ, năng lượng rất lớn – đủ để tăng tốc nhanh chóng sự giãn nở của không gian và trong một thời gian ngắn, xé toạc vũ trụ. Nhưng gia tốc quan sát được của không gian là cực kỳ nhẹ khi so sánh, cho thấy rằng phần lớn dao động tập thể bị triệt tiêu và chân không của chúng ta có giá trị dương cực kỳ thấp đối với năng lượng của nó.
Trong một vũ trụ đơn độc, năng lượng nhỏ bé của chân không duy nhất trông giống như một câu đố sâu sắc. Nhưng trong đa vũ trụ, đó chỉ là sự may mắn ngu ngốc. Nếu các bong bóng không gian khác nhau có năng lượng khác nhau và giãn nở với tốc độ khác nhau thì các thiên hà và hành tinh sẽ chỉ hình thành trong những bong bóng lờ đờ nhất. Do đó, khoảng chân không tĩnh lặng của chúng ta không bí ẩn hơn quỹ đạo Goldilocks của hành tinh chúng ta: Chúng ta thấy mình ở đây bởi vì hầu hết mọi nơi khác đều khắc nghiệt với sự sống.
Yêu hay ghét nó, giả thuyết đa vũ trụ như được hiểu hiện nay đều có vấn đề. Bất chấp thực đơn chân không dường như vô tận của lý thuyết dây, cho đến nay chưa có ai tìm thấy một nếp gấp cụ thể của các chiều bổ sung cực nhỏ tương ứng với chân không như của chúng ta, với năng lượng hầu như không dương của nó. Lý thuyết dây dường như tạo ra chân không năng lượng âm dễ dàng hơn nhiều.
Có lẽ lý thuyết dây là không đúng sự thật, hoặc sai sót có thể nằm ở sự hiểu biết non nớt của các nhà nghiên cứu về nó. Các nhà vật lý có thể đã không đi đúng hướng để xử lý năng lượng chân không dương trong lý thuyết dây. “Điều đó hoàn toàn có thể,” nói Nathan Seiberg, một nhà vật lý tại Viện Nghiên cứu Cao cấp ở Princeton, New Jersey. “Đây là một chủ đề nóng.”
Hoặc chân không của chúng ta có thể vốn đã sơ sài. “Quan điểm phổ biến là không gian [năng lượng tích cực] không ổn định,” Seiberg nói. “Nó có thể phân rã thành thứ khác, vì vậy đó có thể là một trong những lý do khiến việc hiểu tính chất vật lý của nó rất khó khăn”.
Các nhà nghiên cứu này nghi ngờ rằng chân không của chúng ta không phải là một trong những trạng thái ưa thích của thực tế và một ngày nào đó nó sẽ tự chuyển sang một thung lũng sâu hơn, ổn định hơn. Khi làm như vậy, chân không của chúng ta có thể mất trường tạo ra các electron hoặc nhận một bảng hạt mới. Các kích thước được gấp chặt có thể được mở ra. Hoặc chân không thậm chí có thể từ bỏ sự tồn tại hoàn toàn.
“Đó là một trong những lựa chọn khác,” Harlow nói. “Thật sự không có gì cả.”
Sự kết thúc của chân không
Nhà vật lý Edward Witten lần đầu tiên phát hiện ra “bong bóng không có gì” vào năm 1982. Khi nghiên cứu chân không có một chiều bổ sung cuộn tròn thành một vòng tròn nhỏ ở mỗi điểm, ông phát hiện ra rằng các dao động lượng tử chắc chắn sẽ làm rung chuyển chiều bổ sung đó, đôi khi làm vòng tròn co lại thành một điểm. Witten nhận thấy khi chiều không gian biến mất vào hư vô, nó mang theo mọi thứ khác. Sự mất ổn định sẽ sinh ra một bong bóng giãn nở nhanh chóng không có phần bên trong, bề mặt giống như gương của nó đánh dấu sự kết thúc của chính không-thời gian.
Sự bất ổn của các chiều cực nhỏ này đã gây khó khăn cho lý thuyết dây từ lâu và nhiều thành phần khác nhau đã được nghĩ ra để làm cứng chúng. Vào tháng XNUMX, Garcia Garcia, cùng với Draper và Benjamin Lillard ở Illinois, đã tính toán tuổi thọ của máy hút bụi với một chiều cuộn tròn bổ sung. Họ đã xem xét nhiều loại chuông và còi ổn định khác nhau, nhưng họ phát hiện ra rằng hầu hết các cơ chế đều không ngăn được bong bóng. Kết luận của họ phù hợp với Witten: Khi kích thước của chiều bổ sung giảm xuống dưới một ngưỡng nhất định, chân không sẽ sụp đổ ngay lập tức. Một phép tính tương tự – một phép tính được mở rộng cho các mô hình phức tạp hơn – có thể loại trừ chân không trong lý thuyết dây có kích thước nhỏ hơn kích thước đó.
Tuy nhiên, với một chiều ẩn đủ lớn, chân không có thể tồn tại trong nhiều tỷ năm. Điều này có nghĩa là các lý thuyết tạo ra bong bóng không có gì có thể phù hợp một cách hợp lý với vũ trụ của chúng ta. Nếu vậy, Aristotle có thể đã đúng hơn những gì ông biết. Thiên nhiên có thể không thích chân không. Về lâu dài, nó có thể không thích gì cả.
