Chân không không hề rỗng: Bí mật của vũ trụ khiến các nhà vật lý đau đầu

Trong cuộc sống hằng ngày, chúng ta thường nghĩ chân không đơn giản là không có không khí. Nếu hút hết không khí khỏi một chiếc bình kín, ta sẽ tạo ra môi trường gần như chân không. Tuy nhiên, theo cơ học lượng tử, ngay cả khi loại bỏ mọi nguyên tử và phân tử, không gian ấy vẫn không hoàn toàn “trống”.

Ảnh: news.cnrs

Lý do nằm ở bản chất của vũ trụ. Theo vật lý hiện đại, các trường lượng tử tồn tại khắp mọi nơi trong không gian. Electron, photon hay các hạt cơ bản khác đều là những dao động của các trường này. Vì vậy, ngay cả khi không có một hạt vật chất nào hiện diện, các trường lượng tử vẫn tồn tại và không bao giờ hoàn toàn đứng yên.

Một trong những hệ quả kỳ lạ nhất là sự xuất hiện của các hạt ảo. Theo nguyên lý bất định của Werner Heisenberg, năng lượng trong chân không có thể dao động trong những khoảng thời gian cực ngắn. Điều đó cho phép các cặp hạt và phản hạt "mượn" năng lượng từ chân không để xuất hiện rồi gần như ngay lập tức hủy lẫn nhau. Chúng không thể được quan sát trực tiếp như các hạt thông thường, nhưng ảnh hưởng của chúng có thể được phát hiện thông qua nhiều hiện tượng vật lý.

Ảnh: nanotech-now

Một minh chứng nổi tiếng là hiệu ứng Casimir. Khi hai tấm kim loại cực phẳng được đặt rất gần nhau trong chân không, chúng sẽ hút nhau bằng một lực rất nhỏ. Lực này không đến từ nam châm hay điện tích mà xuất phát từ sự khác biệt về dao động lượng tử của chân không giữa hai tấm và môi trường bên ngoài chúng. Hiệu ứng này đã được kiểm chứng bằng thực nghiệm với độ chính xác cao.

Ảnh: linkedin

Không chỉ vậy, năng lượng của chân không còn liên quan đến những câu hỏi lớn nhất trong vũ trụ học. Các nhà khoa học cho rằng năng lượng tối – thứ đang khiến vũ trụ giãn nở ngày càng nhanh – có thể có liên hệ với năng lượng của chân không. Tuy nhiên, các phép tính lý thuyết và kết quả quan sát hiện vẫn chênh lệch nhau tới hàng chục bậc độ lớn, tạo nên một trong những bài toán chưa có lời giải của vật lý hiện đại.

Ngay cả khoảng không giữa các thiên hà, nơi gần như không có vật chất, cũng không phải là "hư vô". Nó vẫn bị chi phối bởi các trường lượng tử, bức xạ nền vi sóng vũ trụ và lực hấp dẫn. Nói cách khác, "không có gì" trong vật lý không đồng nghĩa với "không tồn tại điều gì".

Càng nghiên cứu sâu về chân không, các nhà khoa học càng nhận ra rằng khoảng trống tưởng như tĩnh lặng ấy thực chất là một đại dương đầy biến động ở cấp độ lượng tử. Chính từ "hư vô" đó, những quy luật cơ bản của tự nhiên đang âm thầm vận hành, góp phần định hình toàn bộ vũ trụ mà chúng ta đang sống.

Loài hoa khổng lồ có hình dáng như vương miện từng xuất hiện từ hàng trăm triệu năm trước