Cách Vũ Trụ Có Thể Chỉ Là Một Bong Bóng Xà Phòng Khổng Lồ

Tóm Tắt

Trọng lực luôn là một cư dân lặng lẽ, vô hình, không bao giờ trả tiền thuê nhà và đơn giản là hút mọi thứ lại gần. Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu trọng lực không phải là những gì chúng ta nghĩ? Điều gì sẽ xảy ra nếu nó không phải là một lực bí ẩn mà còn là một sản phẩm phụ – một ảo ảnh – giống như miếng pizza cuối cùng mà bạn thực sự không nên ăn nhưng cứ thế biến mất?

Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá giả thuyết (tức là có thể điên rồ) về việc trọng lực thực tế là một biểu hiện của sức căng bề mặt – lực giữ bong bóng, giọt nước và tất cả những giấc mơ trở thành phi hành gia của chúng ta lại với nhau. Trên đường đi, chúng ta sẽ làm quen với vật lý, nghịch ngợm không gian-thời gian, hiểu sai một vài phép tương tự và nhân cách hóa các hạt một cách vô liêm xỉ. Bắt đầu thôi.

Mục Lục

1. Giới thiệu: Trọng lực có phải là một trò lừa bịp không?

   Advertising

2. Sức căng bề mặt là gì và tại sao nước lại dính vào nhau?

3. Vật lý của sức căng bề mặt và không gian-thời gian

4. Trọng lực: Người bạn trung thành của vũ trụ

5. Mô hình trọng lực về sức căng bề mặt

6. Bằng chứng và thí nghiệm tư duy

7. Vấn đề, chỉ trích và các nhà vật lý tức giận

8. Nguyên tắc lượng tử và trọng lực nổi lên

9. Một phép tương tự quá xa vời? Khi các phép tương tự trở thành thuyết âm mưu

10. Kết luận: Chúng ta có sống trong một giọt lớn không?

1. Giới thiệu: Trọng lực có phải là một trò lừa bịp?

Trọng lực: Newton nói nó là một lực, Einstein nói nó là sự cong của không gian-thời gian và mèo của bạn nói đó là cách mặt đất trở thành số phận. Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta đã hiểu sai tất cả?

Liệu trọng lực không phải là nền tảng mà còn nổi lên? Nó – giống như một bữa brunch – có thể là một hiện tượng bề mặt chỉ xuất hiện khi bạn kết hợp mọi thứ lại với nhau không?

Có. Có lẽ. Rất có thể không. Nhưng giả vờ như vậy thì vui.

2. Sức căng bề mặt là gì và tại sao nước lại dính vào nhau?

Hãy bắt đầu đơn giản nào. Sức căng bề mặt là một lực phát sinh từ sự tương tác phân tử tại ranh giới giữa chất lỏng và không khí. Các phân tử trong chất lỏng được đẩy và kéo theo mọi hướng đều đặn. Nhưng ở bề mặt? Nó giống như hội chứng lo lắng xã hội – không có ai nắm tay bạn.

Kết quả là một loại "màng" đàn hồi hình thành trên bề mặt chất lỏng. Đó là lý do tại sao nước lại vảy ra. Đó là lý do tại sao côn trùng có thể chạy trên mặt nước. Và đó là lý do tại sao chai dầu gội của bạn lại hát khi bạn bóp nó sai cách.

Về toán học, điều này liên quan đến các lực tương phân tử và giảm thiểu diện tích bề mặt, nhưng sự thật chính là:

• Sức căng bề mặt = những thứ trên một bề mặt dính lại với nhau như những người theo thuyết âm mưu tại một hội nghị về Trái đất phẳng.

3. Vật lý của sức căng bề mặt và không gian-thời gian

Bây giờ, hãy giả sử vũ trụ là một chất lỏng khổng lồ. Và không gian-thời gian là bề mặt của nó. Nghe có vẻ ngớ ngẩn? Tuyệt vời, bây giờ bạn đang suy nghĩ như một nhà vật lý lý thuyết.

Có những lý thuyết thực sự – chẳng hạn như tương ứng AdS/CFT – gợi ý rằng vũ trụ có thể là lượng tử, nghĩa là mọi thứ chúng ta trải nghiệm trong không gian 3 chiều đều thực chất được chiếu từ một bề mặt 2 chiều. Giống như rạp hát IMAX kỳ lạ nhất trên thế giới.

Liệu trọng lực – người bạn cũ của chúng ta – có thể đơn giản chỉ là một loại sức căng bề mặt trong bối cảnh này không? Một lực phát sinh từ xu hướng của không gian-thời gian để giảm thiểu năng lượng bề mặt?

Giống như không gian-thời gian tự nó là một màng được kéo căng, và vật chất làm cong nó không phải bằng một lực bí ẩn mà bằng cách thay đổi sự phân bố năng lượng bề mặt cục bộ. Tương tự như việc đặt một quả bowling lên tấm lò xo. Ngoại trừ tấm lò xo vô hình và quả bowling được tạo thành từ quark.

4. Trọng lực: Người bạn trung thành của vũ trụ

Trọng lực không được đánh giá cao. Điện từ trường có tất cả những ánh đèn rực rỡ và đồ vật lấp lánh. Lực hạt nhân mạnh mẽ và yếu giữ các hạt nhân nguyên tử lại với nhau và kích hoạt sự phân hạch phóng xạ. Nhưng trọng lực? Trọng lực chỉ đơn giản là hút.

Nó kéo các thiên hà, các ngôi sao và bạn sau khi tập thể dục. Và không giống như Wi-Fi của bạn, nó luôn được bật.

Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu "sự hút" này chỉ là hiệu ứng của sự cong do sức căng bề mặt gây ra? Nếu bạn thả một vật chất khổng lồ vào không gian-thời gian, liệu bạn có thể đơn giản chỉ làm biến dạng bề mặt vũ trụ và để những thứ khác "trượt" đi được không? giống như kiến trên chiếc đĩa bay nghiêng?

Hãy tưởng tượng mô hình tấm cao su nổi tiếng của Einstein – nhưng bây giờ hãy thêm nước vào. Bạn vừa tạo ra một súp không gian-thời gian.

5. Mô hình trọng lực về sức căng bề mặt

Hãy phát triển lý thuyết tưởng tượng của chúng ta. Đây là kế hoạch:

• Vật chất tồn tại trong một vũ trụ có ranh giới – một "bề mặt" từ chất lỏng đa chiều.

• Sự hiện diện của vật chất làm thay đổi năng lượng của bề mặt này, tạo ra gradient sức căng bề mặt.

• Những gradient này thúc đẩy chuyển động – các đối tượng được "kéo" đến những vùng có năng lượng thấp hơn, tức là hướng tới khối lượng.

Nói cách khác: trọng lực không gì khác ngoài mao dẫn vũ trụ. Các vật thể nhỏ "leo" lên đường cong năng lượng của các khối lượng lớn, giống như nước miễn cưỡng leo lên một miếng vải giấy.

Điều này thậm chí còn phù hợp với cách trường hấp dẫn suy yếu khi khoảng cách tăng lên. Giống như lực căng bề mặt suy giảm.

Nó cũng giúp giải thích các lỗ đen! Khi quá nhiều vật chất tích tụ, nó sẽ kéo giãn sức căng bề mặt đến giới hạn – một vết rách hoặc một "hố" hình thành trong màng không gian-thời gian.

6. Bằng chứng và thí nghiệm tư duy

A) Trái đất Bong bóng Xà Phòng

Hãy tưởng tượng Trái Đất là một bong bóng xà phòng, và bạn đặt một viên bi lên đó. Viên bi làm biến dạng bề mặt một chút và các viên bi khác xung quanh lăn về phía nó. Đó là trọng lực, bé.

Bây giờ hãy thay thế viên bi bằng một hành tinh và màng xà phòng bằng không gian-thời gian. BOOM: Sức căng bề mặt tương tự như thuyết tương đối rộng. Giống như vậy đó.

B) Tách cà phê vũ trụ

Trải sữa vào cà phê. Quan sát cách nó chảy về phía các vùng đậm đặc, giàu năng lượng hơn. Bây giờ hãy tưởng tượng không gian-thời gian là cà phê và sữa là… Được rồi, phép tương tự sụp đổ. Nhưng trông thật thú vị phải không?

7. Vấn đề, chỉ trích và các nhà vật lý tức giận

Ở đây cần lưu ý rằng các nhà vật lý thực thụ sẽ cảm thấy rất khó chịu với điều này.

Dưới đây là một số vấn đề:

• Không có môi trường nào được biết đến có thể tạo thành bề mặt không gian-thời gian. Trừ khi chúng ta sống trong một chất lỏng đa chiều… Đó là một vấn đề hoàn toàn khác với các vấn đề về lượng tử.

• Thuyết tương đối rộng giải thích trọng lực rất tốt. GPS sẽ không hoạt động nếu không có nó.

• Sức căng bề mặt có những đặc tính đã biết không phù hợp với mọi hành vi của trọng lực. Ví dụ, sức căng bề mặt không vô hạn tại các điểm kỳ dị.

Hơn nữa, toán học trở nên thực sự kỳ lạ khi bạn cố gắng mô hình hóa không gian-thời gian như một bong bóng xà phòng. Trừ khi bạn thích giải tích tensor dưới những giọt nước mắt.

Nhưng chúng ta không muốn làm hỏng niềm vui.

8. Nguyên tắc lượng tử và trọng lực nổi lên

Đến đây mọi thứ trở nên thực sự kỳ lạ. Một số nhà vật lý – chẳng hạn như Erik Verlinde – đã gợi ý rằng trọng lực không phải là nền tảng, mà còn phát sinh từ các gradient entropy.

Về cơ bản, khối lượng ảnh hưởng đến lượng thông tin có thể được mã hóa trên bề mặt một vùng không gian-thời gian. Do đó, trọng lực là một kết quả của việc hệ thống cố gắng tối đa hóa entropy, giống như bàn làm việc của bạn vào cuối tuần.

Trong quan điểm này, trọng lực như một sức căng bề mặt không quá xa vời. Đó chỉ là một phép tương tự với răng số lượng tử. Không gian-thời gian muốn được mượt mà. Và vật chất chỉ là một nếp nhăn cục bộ trong tấm phủ thực tế.

Đến lúc đó, chúng ta có thể thoải mái hơn rồi đấy.

9. Một phép tương tự quá xa vời? Khi các phép tương tự trở thành thuyết âm mưu

Đây là nơi nguy hiểm: không phải mọi phép tương tự đều có khả năng mở rộng. Chỉ vì trọng lực giống như sức căng bề mặt, điều đó không có nghĩa là nó là sức căng bề mặt. Đó giống như việc nói rằng một con chó là một lò vi sóng vì cả hai đều sủa khi bạn nhấn nút của chúng.

Tuy nhiên, đặt câu hỏi về những ý tưởng này làm phong phú thêm trực giác của chúng ta. Nó mở ra những cánh cửa kỳ lạ. Và đôi khi vật lý cần thứ gì đó kỳ lạ.

Chỉ cần hỏi con mèo Schrödinger. Hoặc không. Có thể nó đã chết rồi. Hoặc có lẽ không.

10. Kết luận: Chúng ta có sống trong một giọt lớn không?

Thành thật mà nói, chúng ta có thể không bao giờ biết trọng lực thực sự là gì. Đó có phải là một lực hay không? Một sự cong hay không? Một hiện tượng bề mặt hay không? Một lỗi trong ma trận?

Điều chúng ta biết là việc khám phá những ý tưởng này giữ cho vật lý còn sống. Nó nhắc nhở chúng ta rằng khoa học không chỉ về sự kiện – nó là về trò chơi, sự kinh ngạc và đôi khi là hét lên vào lúc 3 giờ sáng: "Nếu vũ trụ được làm từ thạch cao thì sao?".

Vì vậy, lần tới khi bánh mì nướng của bạn rơi xuống và rơi úp mặt xuống, đừng rủa xả trọng lực. Chỉ cần mỉm cười và thì thầm:

"Ồ đúng rồi… sức căng bề mặt lại thắng thế."

BẢN QUYỀN ToNEKi Media UG (trách nhiệm hữu hạn)

TÁC GIẢ:  THOMAS JAN POSCHADEL

Tài liệu tham khảo

• Einstein, A. (1915). Các phương trình trường của trọng lực.

• Verlinde, E. (2011). Về nguồn gốc của trọng lực và các luật Newton.

• Bong bóng. (Mãi mãi). Khó chịu và bí ẩn một cách kỳ lạ.

• Tắm bồn của bạn, phòng thí nghiệm tốt nhất để nghiên cứu động lực học chất lỏng.