Không-thời Gian (space-time) Là Gì?

Kết cấu của không-thời gian là một mô hình khái niệm kết hợp ba chiều không gian với chiều thứ tư của thời gian. Theo những lý thuyết vật lý tốt nhất hiện nay, không-thời gian giải thích các hiệu ứng tương đối tính bất thường phát sinh từ việc di chuyển gần tốc độ ánh sáng cũng như chuyển động của các vật thể khối lượng lớn trong vũ trụ.

Ai đã khám phá ra không thời gian?

Nhà vật lý nổi tiếng Albert Einstein đã giúp phát triển ý tưởng về không-thời gian như một phần trong thuyết tương đối của ông. Trước công trình tiên phong của mình, các nhà khoa học đã có hai lý thuyết riêng biệt để giải thích các hiện tượng vật lý: Định luật vật lý của Isaac Newton mô tả chuyển động của các vật thể khối lượng lớn, trong khi các mô hình điện từ của James Clerk Maxwell giải thích các đặc tính của ánh sáng, theo NASA .

Nhưng các thí nghiệm được tiến hành vào cuối thế kỷ 19 cho rằng có điều gì đó đặc biệt về ánh sáng khả kiến . Các phép đo cho thấy ánh sáng luôn truyền với tốc độ như nhau, bất kể điều gì. Và vào năm 1898, nhà vật lý và toán học người Pháp Henri Poincaré đã suy đoán rằng vận tốc ánh sáng có thể là một giới hạn không thể vượt qua. Cũng trong khoảng thời gian đó, các nhà nghiên cứu khác đang xem xét khả năng các vật thể thay đổi về kích thước và khối lượng, tùy thuộc vào tốc độ của chúng.

Einstein đã kết hợp tất cả những ý tưởng này lại với nhau trong thuyết tương đối hẹp năm 1905 của ông, lý thuyết này cho rằng tốc độ ánh sáng là một hằng số. Để điều này trở thành sự thật, không gian và thời gian phải được kết hợp thành một khuôn khổ duy nhất nhằm giữ cho tốc độ ánh sáng như nhau đối với tất cả những người quan sát.

Một người trong tên lửa siêu nhanh sẽ đo thời gian để chuyển động chậm hơn và độ dài của các vật thể ngắn hơn so với một người đi với tốc độ chậm hơn nhiều. Đó là bởi vì không gian và thời gian là tương đối – chúng phụ thuộc vào tốc độ của người quan sát. Nhưng tốc độ ánh sáng là cơ bản hơn cả.

Kết luận rằng không-thời gian là một tấm vải không phải do Einstein tự đưa ra. Ý tưởng đó đến từ nhà toán học người Đức Hermann Minkowski, người đã nói trong một câu chuyện thông thường năm 1908 , “Từ nay về sau không gian tự nó và thời gian tự nó sẽ biến mất thành bóng tối đơn thuần, và chỉ có một kiểu kết hợp của cả hai sẽ bảo tồn một thực tại độc lập . ”

Không-thời gian mà ông mô tả vẫn được gọi là Minkowski không-thời gian và là bối cảnh của các phép tính trong cả thuyết tương đối và lý thuyết trường lượng tử. Theo nhà vật lý thiên văn và nhà văn khoa học Ethan Siegel, mô tả động lực của các hạt hạ nguyên tử là trường.

Không-thời gian hoạt động thế nào?

Ngày nay, khi mọi người nói về không-thời gian, họ thường mô tả nó giống như một tấm cao su. Điều này cũng đến từ Einstein, người đã nhận ra khi ông phát triển thuyết tương đối rộng của mình rằng lực hấp dẫn là do các đường cong trong cấu trúc của không-thời gian. 

Các vật thể khổng lồ – như Trái đất , mặt trời hoặc bạn – tạo ra sự biến dạng trong không-thời gian khiến nó bị bẻ cong. Đến lượt nó, những đường cong này lại hạn chế các cách thức mà mọi thứ trong vũ trụ chuyển động, bởi vì các vật thể phải đi theo các đường dọc theo đường cong biến dạng này. Chuyển động do trọng lực thực chất là chuyển động dọc theo sự xoắn và quay của không-thời gian. 

Một sứ mệnh của NASA có tên Gravity Probe B (GP-B) đã đo hình dạng của xoáy không-thời gian xung quanh Trái đất vào năm 2011 và nhận thấy rằng nó gần giống với dự đoán của Einstein.

Nhưng phần lớn điều này vẫn khó khăn đối với hầu hết mọi người. Mặc dù chúng ta có thể thảo luận về không-thời gian giống như một tấm cao su, nhưng sự tương tự cuối cùng đã bị phá vỡ. Một tấm cao su là hai chiều, trong khi không-thời gian là bốn chiều. Nó không chỉ cong theo không gian mà tấm biểu thị mà còn cong theo thời gian. Các phương trình phức tạp được sử dụng để giải thích tất cả những điều này rất khó đối với ngay cả các nhà vật lý học. 

Nhà vật lý thiên văn Paul Sutter viết: “Einstein đã tạo ra một chiếc máy tuyệt đẹp, nhưng ông ấy không để lại cho chúng tôi sách hướng dẫn sử dụng. “Chỉ để lái xe về nhà, thuyết tương đối rộng phức tạp đến mức khi ai đó phát hiện ra lời giải cho phương trình, họ sẽ nhận được lời giải được đặt theo tên của họ và trở thành bán huyền thoại theo đúng nghĩa của họ.”

Những gì các nhà khoa học vẫn chưa biết

Bất chấp sự phức tạp của nó, thuyết tương đối vẫn là cách tốt nhất để giải thích các hiện tượng vật lý mà chúng ta biết. Tuy nhiên, các nhà khoa học biết rằng mô hình của họ chưa hoàn chỉnh vì thuyết tương đối vẫn chưa hoàn toàn hòa hợp với cơ học lượng tử , điều này giải thích các đặc tính của các hạt hạ nguyên tử với độ chính xác cực cao nhưng không kết hợp với lực hấp dẫn. 

Cơ học lượng tử dựa trên thực tế là các bit nhỏ tạo nên vũ trụ là rời rạc, hoặc lượng tử hóa. Vì vậy, các hạt photon, những hạt tạo nên ánh sáng, giống như những khối ánh sáng nhỏ có dạng gói riêng biệt.

Một số nhà lý thuyết đã suy đoán rằng có lẽ bản thân không-thời gian cũng xuất hiện trong những khối lượng tử hóa này , giúp kết nối thuyết tương đối và cơ học lượng tử. Các nhà nghiên cứu tại Cơ quan Vũ trụ châu Âu đã đề xuất các tia gamma Phòng thí nghiệm quốc tế Thiên văn học cho Quantum Thăm dò-Time Space sứ mệnh (GrailQuest), trong đó sẽ bay vòng quanh hành tinh của chúng ta và làm cho phép đo siêu chính xác về xa xôi, tiếng nổ mạnh mẽ được gọi là tia gamma vụ nổ đó có thể tiết lộ bản chất cận cảnh của không-thời gian. 

Một sứ mệnh như vậy sẽ không khởi động trong ít nhất một thập kỷ rưỡi nhưng nếu có, nó có lẽ sẽ giúp giải quyết một số bí ẩn lớn nhất còn tồn tại trong vật lý. 

Nguồn tham khảo:

• https://www.livescience.com/space-time.html