Các chiều không gian ẩn giấu có thể là nguồn gốc của khối lượng

Nguồn gốc của khối lượng vẫn làm đau đầu giới khoa học

Tuy nhiên, một nghiên cứu mới mang tính đột phá đang thách thức nền tảng vững chắc này. Các nhà khoa học vừa đề xuất một lý thuyết táo bạo: Khối lượng của các hạt cơ bản có thể không đến từ một trường năng lượng vô hình nào cả, mà được sinh ra từ chính cấu trúc hình học bị vặn xoắn của các chiều không gian ẩn giấu. Nếu giả thuyết này được chứng minh là đúng, chúng ta sẽ phải viết lại sách giáo khoa vật lý hạt, đồng thời mở ra lời giải cho những bí ẩn lớn nhất về sự giãn nở của vũ trụ.

Vật lý hiện đại được xây dựng trên một nền tảng được gọi là Mô hình Chuẩn (Standard Model). Trong mô hình này, câu hỏi "Tại sao mọi vật lại có khối lượng?" đã được giải đáp bằng sự tồn tại của trường Higgs – một trường năng lượng vô hình bao trùm toàn bộ vũ trụ.

Hãy tưởng tượng trường Higgs giống như một đại dương mật ong vô tận. Khi các hạt cơ bản (như boson W và Z, những hạt mang lực hạt nhân yếu) di chuyển qua đại dương này, chúng gặp lực cản và trở nên "nặng nề" hơn. Lực cản đó chính là khối lượng. Lý thuyết này đã giành chiến thắng vang dội khi hạt Higgs (thường được gọi là "Hạt của Chúa") được tìm thấy vào năm 2012, mang lại giải Nobel Vật lý cho những người đề xuất ra nó.

Tuy nhiên, khoa học không bao giờ dừng lại. Dù thành công, mô hình Higgs vẫn khiến một số nhà vật lý cảm thấy lấn cấn. Họ cho rằng việc giả định sự tồn tại của một trường năng lượng bao trùm toàn bộ vũ trụ là một giải pháp có phần "gượng ép" và thiếu tính tự nhiên. Richard Pinčák, nhà nghiên cứu từ Viện Vật lý Thực nghiệm thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Slovakia, là một trong số đó. Ông và các cộng sự đã công bố một nghiên cứu trên tạp chí Nuclear Physics B, đề xuất một cách nhìn hoàn toàn khác: Không cần "đại dương mật ong" nào cả, chính hình dạng của không gian mới là thứ tạo ra sức nặng.

Khi hình học không gian "lên tiếng": Xoắn vặn để sinh ra vật chất

Theo quan điểm truyền thống, không-thời gian (spacetime) thường được xem như một sân khấu tĩnh lặng, trơ lì, nơi các hạt và các lực diễn trò. Nhưng nhóm của Pinčák lại cho rằng sân khấu này sống động hơn nhiều. Họ lập luận rằng cấu trúc hình học của không-thời gian đóng vai trò chủ đạo, thậm chí là "mẹ đẻ" của các lực và hạt trong vũ trụ.

Cụ thể, các nhà nghiên cứu đề xuất sự tồn tại của các chiều không gian ẩn giấu. Chúng ta đang sống trong vũ trụ với 3 chiều không gian và 1 chiều thời gian, nhưng lý thuyết này gợi ý về một không gian 7 chiều. Trong các chiều ẩn này, cấu trúc không gian tạo thành các hình thù đặc biệt gọi là "đa tạp G2" (G2-manifolds).

Điểm thú vị nằm ở chỗ, các đa tạp này không đứng yên. Khi chúng biến đổi theo thời gian (một quá trình gọi là dòng chảy G2-Ricci), chúng tạo ra những cấu trúc xoắn vặn nội tại. Richard Pinčák giải thích điều này bằng một sự so sánh rất đời thường và sinh học: "Giống như trong các hệ thống hữu cơ, chẳng hạn sự xoắn của chuỗi DNA hay tính thuận tay của các axit amin, các cấu trúc đa chiều này có thể sở hữu độ xoắn (torsion). Khi chúng tôi để chúng tiến hóa theo thời gian, chúng tôi phát hiện ra rằng chúng có thể ổn định thành các cấu hình được gọi là soliton".

Vậy "soliton" là gì và nó liên quan gì đến khối lượng? Trong bức tranh mới này, các soliton chính là các hạt vật chất. Thay vì các hạt boson W và Z phải "bơi" qua trường Higgs để lấy khối lượng, khối lượng của chúng nảy sinh từ chính "sự kháng cự" của hình học không gian bị xoắn lại.

Pinčák nhấn mạnh: "Trong bức tranh của chúng tôi, vật chất xuất hiện từ sự kháng cự của chính hình học, chứ không phải từ một trường bên ngoài. Tự nhiên thường ưu tiên những giải pháp đơn giản. Có lẽ khối lượng của các hạt boson W và Z không đến từ trường Higgs nổi tiếng, mà trực tiếp từ hình học của không gian bảy chiều".

Đây là một sự thay đổi tư duy triệt để. Nó loại bỏ nhu cầu về một trường năng lượng bí ẩn lấp đầy vũ trụ và thay thế bằng tính chất nội tại của không gian. Nếu trường Higgs giống như việc bạn đi trong nước và bị nước cản lại, thì lý thuyết mới này giống như việc bạn đi trên một tấm thảm bị nhăn nhúm; sự khó khăn khi di chuyển (tức khối lượng) đến từ chính nếp gấp của tấm thảm đó.

Hạt "Torstone" và lời giải cho sự giãn nở của vũ trụ

Lý thuyết về các chiều không gian ẩn không chỉ dừng lại ở việc giải thích khối lượng cho các hạt hạ nguyên tử. Nó còn tham vọng giải quyết những câu hỏi vĩ mô hơn, đặc biệt là về sự giãn nở gia tốc của vũ trụ.

Hiện nay, các nhà thiên văn học biết rằng vũ trụ đang giãn nở ngày càng nhanh, và họ đặt tên cho thủ phạm bí ẩn gây ra điều này là "Năng lượng Tối". Tuy nhiên, bản chất của Năng lượng Tối vẫn là một ẩn số. Lý thuyết của nhóm Pinčák gợi mở rằng, chính sự xoắn vặn của không gian đa chiều có thể là động lực đằng sau hiện tượng này, cung cấp một lời giải thích thuần túy về mặt hình học thay vì phải viện dẫn đến một dạng năng lượng lạ chưa từng biết.

Để chứng minh lý thuyết này, nhóm nghiên cứu đã đưa ra một dự đoán táo bạo: Sự tồn tại của một loại hạt mới chưa từng được phát hiện, được họ đặt tên là "Torstone".

Hạt Torstone này sẽ liên kết trực tiếp với độ xoắn (torsion) của không gian. Nếu các nhà vật lý có thể tìm thấy Torstone trong các máy gia tốc hạt tương lai hoặc thông qua các quan sát vũ trụ, đó sẽ là bằng chứng "thép" cho thấy hình học không gian thực sự tạo ra khối lượng. Việc phát hiện ra Torstone sẽ chấn động không kém gì việc tìm ra hạt Higgs mười năm trước.

Tất nhiên, từ lý thuyết đến thực tế là một khoảng cách mênh mông. Mô hình Chuẩn với hạt Higgs hiện vẫn là "nhà vô địch" đang giữ đai. Nó đã vượt qua vô số thử nghiệm thực nghiệm và dự đoán chính xác nhiều hiện tượng vật lý. Việc lật đổ hay thậm chí là sửa đổi Mô hình Chuẩn đòi hỏi những bằng chứng phi thường.

Chúng ta đang sống trong thời đại hoàng kim của vật lý thực nghiệm. Các máy dò hạt ngày càng nhạy hơn, các kính viễn vọng không gian ngày càng nhìn xa hơn. Các nhà khoa học đang nỗ lực không ngừng để thăm dò những cấu trúc nhỏ nhất và lớn nhất của vũ trụ.

Cho đến khi chúng ta có thể thoáng thấy bóng dáng của một hạt "Torstone", hay bất kỳ dấu hiệu nào chỉ ra sự tương tác phức tạp giữa không-thời gian nhiều chiều và vật chất, ý tưởng của Pinčák vẫn sẽ chỉ là một giả thuyết đẹp đẽ. Nhưng chính những giả thuyết táo bạo như thế này là động lực thúc đẩy khoa học tiến lên. Nó nhắc nhở chúng ta rằng, sự hiểu biết của con người về vũ trụ, dù đã rất sâu sắc, vẫn có thể chỉ là lớp vỏ bề ngoài của một thực tại hình học kỳ vĩ và bí ẩn hơn nhiều.

Bùi Tú