Chương 9: Các Vạch Nguyên của Thuyết Tương Đối

Trong những chương trước, chúng ta đã theo dõi quá trình phát triển của lý thuyết đặc biệt và lý thuyết tổng quát về tương đối, và khám phá những tác động sâu sắc của chúng đối với sự hiểu biết của chúng ta về không gian, thời gian, trọng lực và vũ trụ như một thể thống nhất. Những lý thuyết này đã thay đổi toàn diện cách nhìn của chúng ta về thế giới vật lý, thay thế cho không gian và thời gian tuyệt đối của cơ học Newton bằng một "vải" không gian thời gian có thể điều chỉnh tương tác động với vật chất và năng lượng.

Tuy nhiên, mặc dù sự thành công vang dội của lý thuyết tương đối, đó không phải là lời giải cuối cùng trong hành trình của chúng ta để hiểu những hoạt động cơ bản của tự nhiên. Vẫn còn những câu hỏi sâu sắc chưa được giải đáp và những vùng biên mà lý thuyết hiện tại của chúng ta đạt đến giới hạn của nó. Trong chương này, chúng ta sẽ khám phá một số "vạch nguyên" này, tập trung vào những nỗ lực để thống nhất lý thuyết tổng quát về tương đối với cơ học lượng tử, khả năng tồn tại của cấu trúc không gian thời gian kỳ lạ như lỗ đen và máy thời gian, và những vấn đề chưa được giải quyết chủ yếu mà vẫn thách thức và truyền cảm hứng cho các nhà vật lý ngày nay.

Trọng Lực Lượng Tử: Thống Nhất Tương Đối và Cơ Học Lượng Tử

Một trong những vấn đề không giải quyết được trong vật lý lý thuyết là sự không tương thích giữa lý thuyết tổng quát về tương đối và cơ học lượng tử. Hai lý thuyết này là những cột mốc đôi của vật lý thế kỷ 20, cung cấp mô tả về tự nhiên cực kỳ chính xác và mạnh mẽ ở các tỷ lệ lớn và nhỏ nhất tương ứng. Lý thuyết tổng quát về tương đối mô tả thế giới quy mô lớn của hành tinh, ngôi sao và dải ngân hà, trong khi cơ học lượng tử mô tả thế giới siêu nhỏ của nguyên tử, hạt và trường.

Tuy nhiên, khi chúng ta cố gắng áp dụng những lý thuyết này vào các miền mà cả hiệu ứng trọng lực và lượng tử quan trọng, chẳng hạn như thế giới rất sớm hoặc bên trong các lỗ đen, chúng ta gặp phải những khó khăn về mặt khái niệm và toán học nghiêm trọng. Không gian thời gian liên tục mượt mà của lý thuyết tổng quát về tương đối dường như không tương thích với thế giới gián đoạn, rời rạc và xác suất của cơ học lượng tử.

Nguồn gốc của vấn đề này là lý thuyết tổng quát về tương đối là một lý thuyết cổ điển, xử lý không gian thời gian như một liên tục xác định, trong khi cơ học lượng tử là bản chất phi cổ điển, dựa trên hàm sóng xác suất và mất danh quy luật khối lượng năng lượng. Các nỗ lực để số hóa trọng lực bằng cách sử dụng các kỹ thuật tiêu chuẩn của lý thuyết lĩnh vực lượng tử dẫn đến những vô hạn không chấp nhận được và sự phân kỳ không thể định.

Giải quyết sự không tương thích này và phát triển một lý thuyết lượng tử về trọng lực là một trong các ước mơ viện sĩ của vật lý lý thuyết. Một lý thuyết như vậy không chỉ cung cấp một mô tả thống nhất về tất cả các lực cơ bản của tự nhiên (vì trọng lực hiện tại không được bao gồm trong khung lượng tử mô tả tương tác điện từ, yếu và mạnh), mà còn trả lời những câu hỏi sâu sắc về bản chất của không gian, thời gian và chất liệu ở cấp độ cơ bản nhất.

Có một số phương pháp đã được theo đuổi trong việc tìm kiếm trọng lực lượng tử, mỗi phương pháp có bộ ý tưởng, kỹ thuật toán học và hậu quả vật lý riêng. Hãy tóm lược ngắn gọn một số ứng cử viên chính.

Lý Thuyết Mạch

Một trong những phương pháp tiếp cận nổi tiếng và được phát triển tốt nhất đối với trọng lực lượng tử là lý thuyết mạch. Ý tưởng cơ bản của lý thuyết mạch là rằng các khối xây dựng cơ bản của vũ trụ không phải là các hạt điểm không có chiều 0, mà là các vật thể mở rộng có chiều 1 được gọi là chuỗi. Chuỗi có thể rung theo các cách khác nhau, và mỗi chế độ rung tương ứng với một hạt khác nhau (electron, quark, photon, v.v.).

Một trong những điểm đáng chú ý của lý thuyết mạch là nó tự động bao gồm trọng lực. Một trong các chế độ rung của chuỗi tương ứng với "graviton", hạt lượng tử giả định trung gian truyền sức mạnh của trọng lực. Do đó, lý thuyết mạch cung cấp một mô tả lượng tử thống nhất về tất cả các lực và hạt của tự nhiên.

Tuy nhiên, lý thuyết mạch đi kèm với những thách thức và đặc thù riêng của nó. Để đảm bảo tính nhất quán toán học, lý thuyết mạch yêu cầu sự tồn tại của các chiều không gian bổ sung vượt quá ba chiều chúng ta quan sát - thực tế, lý thuyết dường như yêu cầu tổng cộng 10 chiều (9 chiều không gian cộng thời gian). Các chiều bổ sung này được cho là được "gom chặt" - cuộn tròn chặt lại ở mỗi điểm trong không gian, khiến chúng không thể quan sát được ở năng lượng và tỷ lệ chiều dài mà chúng ta có thể hiện tại kiểm tra.

Lý thuyết mạch cũng có một số phiên bản khác nhau (Type I, Type IIA, Type IIB, heterotic SO(32), heterotic E8xE8), ban đầu được coi là các lý thuyết riêng biệt nhưng hiện được hiểu là các hạn chế khác nhau của một khung công bố toàn diện gọi là M-theory. Tuy nhiên, công thức toán học đầy đủ của M-theory vẫn chưa được biết đến.

Mặc dù sự thanh mảnh toán học và hứa hẹn của nó về việc thống nhất, lý thuyết mạch đã bị chỉ trích vì thiếu những dự báo thực nghiệm trực tiếp. Tỷ lệ năng lượng mà hiệu ứng lý thuyết mạch trở nên rõ ràng có khả năng xa xa vượt quá khả năng của bất kỳ trạm nghiền hạt dự đoán trong tương lai. Tuy nhiên, các nhà lý thuyết mạch cho rằng lý thuyết vẫn có thể được kiểm tra gián tiếp, thông qua những tác động của nó đối với vật lý năng lượng thấp, vũ trụ học và vật lý lỗ đen.

Trọng Lực Lượng Tử Vòng Lặp

Một phương pháp quan trọng khác để nghiên cứu trọng lực lượng tử là trọng lực lượng tử vòng lặp (LQG). Không giống như lý thuyết mạch, nơi cho rằng có các khối xây dựng cơ bản mới, LQG cố gắng tỷ lệ tức thời không gian liên tục của lý thuyết tổng quát về tương đối bằng cách sử dụng các kỹ thuật của cơ học lượng tử.

Ý tưởng căn bản của LQG là không gian không phải là vô hạn chia sẻ, nhưng có một cấu trúc xác định tại tỷ lệ Planck (tỷ lệ chiều dài cực kỳ nhỏ của 10^-35 mét, nơi hiệu ứng trọng lực lượng tử trở nên quan trọng). Không gian thời gian được coi là một mạng lưới của các vòng lặp đã được tỉ lệ tức thời gọi là spin networks, tiến triển theo thời gian, tạo thành spin foams. Một trong những thành công lớn của LQG là đoán trước được rằng diện tích và thể tích đều được lượng hóa - chúng có trong các đơn vị rời rạc, tương tự như các mức năng lượng của một nguyên tử. Điều này cung cấp một giải pháp có thể cho các vấn đề vô hạn gặp phải trong các nỗ lực khác để lượng hóa trọng lực.

LQG cũng cung cấp một giải pháp tiềm năng cho vấn đề của các định lý không gian thời gian, như những gì tìm thấy ở trung tâm của lỗ đen và ở thời điểm bắt đầu của Sự Nổ Lớn. Trong LQG, những định lý này được thay thế bằng các vùng của sự cong cao cực đại nhưng hữu hạn.

Tuy nhiên, giống như lý thuyết dây, LQG cũng có một loạt thách thức riêng của nó. Lý thuyết này phức tạp về mặt toán học và vẫn đang được phát triển. Hiện vẫn chưa rõ liệu nó có thể tái tạo lại toàn bộ lý thuyết tương đối tổng quát trong giới hạn thích hợp hay đưa ra những dự đoán chuẩn để kiểm tra khác biệt so với trọng lực cổ điển.

Phương pháp khác

Không chỉ có lý thuyết dây và lượng tử xoắn nhưng lượng tử trọng lực cũng có một số phương pháp khác đã được nghiên cứu, mỗi phương pháp có những ý tưởng và kỹ thuật toán học riêng của nó. Bao gồm:

• Các tam giác động học nhân quả: Một phương pháp cố gắng xây dựng không gian thời gian như một siêu cung điện tử lượng tử của các tam giác rời rạc, kết nối theo một cách có tính nguyên nhân sao cho tái tạo cấu trúc quy mô lớn của không gian thời gian.

• Hình học không gian phi giao hoán: Một phương pháp tổng quát hóa khung cảnh hình học của lý thuyết tương đối tổng quát để bao gồm tính phi giao hoán cơ học lượng tử (ý tưởng rằng thứ tự đo các đại lượng nhất định có ý nghĩa).

• Lý thuyết bóng xoáy: Một phương pháp tái cấu trúc trọng lực lượng tử theo góc nhìn của bóng xoáy, các đối tượng toán học biểu diễn hình học của tia sáng trong không gian thời gian.

• An toàn điều khiển hữu hạn: Một phương pháp giả định rằng trọng lực có thể điều chỉnh lại không số lần một cách phi tắc xen kẽ, có nghĩa là có thể lượng tử hóa một cách nhất quán nếu ta bao gồm tất cả các tương tác có thể (không chỉ những vài tương tác quan trọng ở năng lượng thấp).

Mỗi phương pháp này đều mang đến góc nhìn riêng biệt về vấn đề của lượng tử trọng lực, và hiện vẫn chưa rõ phương pháp nào (nếu có) sẽ thành công cuối cùng để đưa ra một lý thuyết hoàn chỉnh và nhất quán. Có khả năng rằng lý thuyết cuối cùng về lượng tử trọng lực sẽ kết hợp các yếu tố từ một số phương pháp này, hoặc là một cái gì đó hoàn toàn mới mà chúng ta chưa thể tưởng tượng.

Điều rõ ràng là việc tìm kiếm lượng tử trọng lực là một trong những cuộc phiêu lưu tri thức lớn của thời đại chúng ta, đẩy ranh giới của sự hiểu biết của chúng ta về vũ trụ vật lý. Việc liên kết thành công giữa lý thuyết tương đối tổng quát và cơ học lượng tử sẽ đánh dấu một cột mốc lớn trong lịch sử vật lý, tương đương với những tổng hợp lớn của Newton và Einstein. Nó sẽ cung cấp cho chúng ta một "lý thuyết về tất cả mọi thứ" - một mô tả hoàn chỉnh và nhất quán về tất cả các khối xây dựng cơ bản của tự nhiên và các lực điều khiển chúng.

Cấu trúc không gian thời gian kỳ lạ: Lỗ đen nhân, Máy thời gian và Xa hơn

Một trong những hậu quả đầy hứng thú và gợi cảm của lý thuyết tương đối tổng quát là sự có thể của cấu trúc không gian thời gian kỳ lạ - các cấu trúc không gian thời gian rất khác so với không gian thời gian tương đối hiền hòa và dễ điều khiển mà chúng ta trải nghiệm hàng ngày. Những cấu trúc không gian thời gian kỳ lạ này đẩy ranh giới của những gì về mặt vật lý có thể theo như hiểu biết hiện tại của chúng ta về trọng lực và không gian thời gian.

Có thể ví dụ nổi tiếng nhất về một cấu trúc không gian thời gian kỳ lạ là một lỗ đen nhân. Một lỗ đen nhân về cơ bản là một đường hầm hoặc lối tắt qua không gian thời gian, kết nối hai khu vực xa xôi theo cách cho phép di chuyển nhanh hơn ánh sáng. Nếu bạn nhập vào một lỗ đen nhân, bạn có thể xuất hiện ở một phần hoàn toàn khác của vũ trụ (hoặc thậm chí ở một vũ trụ khác hoàn toàn), mà không cần đi qua không gian trung gian.

Lỗ đen nhân là một phần không thể thiếu trong khoa học viễn tưởng, nhưng chúng cũng là chủ đề nghiêm túc được nghiên cứu khoa học. Các phương trình của lý thuyết tương đối tổng quát cho phép sự tồn tại của lỗ đen nhân, ít nhất trong lý thuyết. Tuy nhiên, có một số rào cản lớn đối với việc tạo ra và duy trì một lỗ đen nhân thực tế.

Thứ nhất, lỗ đen nhân qua bản chất của chúng không ổn định. Nếu bạn cố gắng tạo ra một lỗ đen nhân bằng cách làm sụp đổ chất liệu, nó thường sẽ sụp thành một lỗ đen trước khi tạo thành một đường hầm ổn định. Để duy trì một lỗ đen nhân mở, bạn sẽ cần chèn nó với một dạng vật chất kỳ lạ có mật độ năng lượng âm (tương đương với khối lượng âm). Mặc dù các chất kỳ lạ này không bị bác bỏ bởi luật vật lý, chúng ta không có bằng chứng nào cho rằng chúng thực sự tồn tại trong tự nhiên.

Thứ hai, ngay cả khi bạn có thể tạo ra và ổn định một lỗ đen nhân, không rõ liệu điều đó có an toàn để đi qua nó. Các triều cường lực mạnh bên trong một lỗ đen có thể kéo dãn và nghiền nát bất cứ thứ gì cố gắng đi qua. Có cũng có câu hỏi về cấu trúc nguyên nhân của lỗ đen nhân - liệu chúng có cho phép các đường cong thời gian đóng (tức là các nghịch đảo điều hướng thời gian).

Mặc dù vẫn còn nhiều thách thức, lỗ đen nhân vẫn là một lĩnh vực hoạt động nghiên cứu trong vật lý lý thuyết. Một số nhà vật lý đã suy đoán rằng lỗ đen nhân có thể đóng vai trò trong một lý thuyết tương lai về lượng tử trọng lực, có thể cung cấp một cách để khám phá cấu trúc vi mô của không gian thời gian. Cũng đã có đề xuất rằng lỗ đen nhân có thể được sử dụng để kiểm tra sự phỏng đoán "ER=EPR", giả thuyết cho rằng có một mối liên hệ sâu sắc giữa lỗ đen nhân và sự liên kết lượng tử.

Một cấu trúc không gian thời gian kỳ lạ khác đã thu hút sự tưởng tượng của các nhà khoa học và công chúng là ý tưởng về máy thời gian - một thiết bị cho phép di chuyển vào quá khứ hoặc tương lai. Giống như lỗ đen nhân, máy thời gian là một phần không thể thiếu trong khoa học viễn tưởng, nhưng cũng là một chủ đề nghiêm túc được nghiên cứu khoa học. Khả năng du hành thời gian hiện diện trong cấu trúc của thuyết đặc biệt và tổng quát. Trong thuyết đặc biệt, thời gian là tương đối - các quan sát viên khác nhau có thể không đồng ý về thứ tự của các sự kiện, và có thể có một quan sát viên di chuyển nhanh trải qua thời gian đã trôi qua ít hơn một quan sát viên tĩnh (hiện tượng "nghịch lý sinh đôi"). Trong thuyết tổng quát, tính linh hoạt của không gian-thời gian còn cho phép có các khả năng kỳ quặc hơn, chẳng hạn như các đường cong giống vô cùng đã khép kín - các quỹ đạo trong không gian-thời gian mà vòng quay trở lại chính nó, cho phép du hành thời gian ngược.

Tuy nhiên, khả năng thực tế của du hành thời gian là một câu hỏi phức tạp và gây tranh cãi nhiều hơn. Có một số trở ngại và nghịch lý quan trọng liên quan đến du hành thời gian, đã khiến nhiều nhà vật lý nghi ngờ về việc có thể có được nó cuối cùng.

Nổi tiếng nhất trong số này là nghịch lý ông ngoại - ý tưởng rằng nếu bạn có thể du hành ngược thời gian, bạn có thể làm điều gì đó (như giết ông nội trước khi cha mẹ bạn được thụ tinh) để ngăn chặn sự tồn tại của chính bạn. Điều này dẫn đến mâu thuẫn logic - nếu bạn chưa bao giờ được sinh ra, bạn làm sao có thể quay lại quá khứ lúc đầu?

Cũng có các vấn đề với cấu trúc nguyên nhân của không gian-thời gian khi có máy thời gian. Nếu đường cong giống vô cùng đã khép kín được phép, nó dẫn đến vi phạm của nguyên nhân hậu quả - tác động có thể tiềm năng diễn ra trước nguyên nhân của chúng, dẫn đến mâu thuẫn logic.

Một số nhà vật lý đã lập luận rằng những nghịch lý này có thể được giải quyết bằng nguyên tắc sự nhất quán tự Novikov, nói rằng xác suất của một sự kiện sẽ dẫn đến một nghịch lý là bằng không. Nói cách khác, các luật vật lý sẽ phối hợp để ngăn bạn làm bất cứ điều gì vi phạm nguyên nhân hậu quả.

Người khác đã đề xuất rằng cơ học lượng tử có thể đóng vai trò trong việc giải quyết các nghịch lý của du hành thời gian. Giả thuyết nhiều thế giới của cơ học lượng tử, ví dụ, cho rằng mỗi sự kiện lượng tử tách cả thế giới thành nhiều dòng thời gian song song. Theo quan điểm này, nếu bạn quay trở lại quá khứ và giết ông nội, bạn chỉ tạo ra một dòng thời gian mới trong đó bạn chưa bao giờ được sinh ra, trong khi dòng thời gian ban đầu (trong đó bạn tồn tại) sẽ vẫn tồn tại.

Mặc dù các suy đoán này, khả năng thực tế của du hành thời gian vẫn là một câu hỏi còn mở. Giống như lỗ đen, máy thời gian đẩy ranh giới của sự hiểu biết vật lý hiện tại của chúng ta, và khả năng thực hiện cuối cùng có thể phụ thuộc vào chi tiết của một lý thuyết tương lai về trọng lượng lượng tử.

Ngoài lỗ đen và máy thời gian, có nhiều cấu trúc không gian-thời gian kỳ quặc khác đã được khám phá trong ngữ cảnh của thuyết tổng quát và các phần mở rộng của nó. Các cấu trúc này bao gồm:

• Lỗ đen: Khu vực trong không gian-thời gian mà lực hấp dẫn rất mạnh đến mức không có gì, kể cả ánh sáng, có thể thoát ra khỏi. Lỗ đen không kỳ quặc trong ý nghĩa là chỉ là giả thuyết hoặc giả thuyết - chúng ta có đủ bằng chứng quan sát cho sự tồn tại của chúng. Tuy nhiên, chúng đại diện cho việc biến dạng cực đoan của không gian-thời gian, và các đặc tính của chúng (như sự tồn tại của các điểm lặn và ngưỡng sự kiện) vẫn đang thách thức hiểu biết về vật lý của chúng ta.

• Lỗ trắng: Ngược đảo thời gian lý thuyết của lỗ đen, khu vực trong không gian-thời gian mà vật chất và ánh sáng chỉ có thể thoát ra nhưng không bao giờ có thể vào. Việc tồn tại của lỗ trắng là điều đặc biệt hy vọng và chưa có bằng chứng quan sát cho chúng cho đến nay.

• Lỗ giun: Đường hầm hoặc đường tắt giả thuyết thông qua không gian-thời gian có thể cho phép di chuyển với tốc độ vượt ánh sáng giữa các vùng xa nhau của vũ trụ. Như đã thảo luận trước đây, các lỗ giun được cho phép bởi các phương trình của thuyết tổng quát nhưng sẽ yêu cầu có chất liệu kỳ quái có mật độ năng lượng âm để duy trì mở, điều mà chúng ta không có bằng chứng cho nó.

• Đường cong giống vô cùng đã khép kín: Các quỹ đạo trong không gian-thời gian mà vòng quay trở lại chính nó, cho phép khả năng du hành ngược thời gian. Những đường cong như vậy có thể xảy ra trong một số giải pháp của phương trình Einstein, chẳng hạn như vũ trụ Gödel và bên trong lỗ đen quay. Tuy nhiên, khả năng thực hiện vật lý của chúng là đáng chỉ ngại do những nghịch lý mà chúng gây ra và những điều kiện cực đoan yêu cầu.

• Điểm đặc biệt: Điểm trong không gian-thời gian mà cong và mật độ trở nên vô cùng và lý thuyết tổng quát đổ vỡ. Những điểm đặc biệt xảy ra ở trung tâm của lỗ đen và ở đầu vũ trụ trong mô hình Big Bang tiêu chuẩn. Dự kiến rằng cần có một lý thuyết lượng tử về trọng lượng để thực sự hiểu về vật lý của những điểm đặc biệt.

Các cấu trúc không gian-thời gian kỳ quặc này, mặc dù có thể tính toán được trong khung của thuyết tổng quát, đẩy thuyết đến giới hạn của nó. Chúng xuất hiện trong những tình huống cực đoan nơi hiểu biết cổ điển của chúng ta về trọng lực dự kiến sẽ nhường chỗ cho một mô tả tổng quát, cơ bản hơn về lượng tử. Nghiên cứu các cấu trúc này và những ảnh hưởng của chúng là một lĩnh vực đang hoạt động của nghiên cứu, đánh đổi móng đá của thuyết đặc biệt và cấu trúc của không gian-thời gian ở mức sâu nhất.

Vấn đề chưa giải quyết và Hướng phát triển tương lai

Mặc dù thành công ấn tượng của thuyết tổng quát trong thế kỷ qua, vẫn còn nhiều câu hỏi sâu sắc và vấn đề chưa giải quyết tiếp tục thúc đẩy nghiên cứu vật lý của vũ trụ hấp dẫn ngày nay. Ở đây, chúng tôi sẽ đề cập ngắn gọn đến một số vấn đề chưa giải quyết chính và lĩnh vực nghiên cứu trong tương lai.

Một trong những vấn đề chưa giải quyết lớn nhất trong vật lý lý thuyết là sự thống nhất giữa thuyết tổng quát và cơ học lượng tử. Như chúng ta đã thấy, thuyết tổng quát cung cấp một mô tả tuyệt vời về trọng lực và không gian-thời gian ở quy mô lớn, trong khi cơ học lượng tử điều chỉnh hành vi của vật chất và năng lượng ở quy mô nhỏ. Tuy nhiên, khi chúng ta cố gắng áp dụng các lý thuyết này vào các lĩnh vực mà cả hiệu ứng trọng lực và hiệu ứng lượng tử đều quan trọng, như vũ trụ ban đầu rất sớm hoặc bên trong các lỗ đen, chúng ta gặp phải những khó khăn khái niệm và toán học sâu sắc. Việc phát triển một lý thuyết lượng tử nhất quán về trọng lực là một trong những mục tiêu quan trọng nhất của vật lý lý thuyết. Một lý thuyết như vậy không chỉ cung cấp một mô tả thống nhất về tất cả các lực cơ bản của tự nhiên, mà còn giúp ta hiểu rõ hơn về bản chất cuối cùng của không gian, thời gian và vật chất ở mức cơ bản nhất. Như đã thảo luận trước đây, lý thuyết dây và trọng lực vòng lặp là hai phương pháp tiếp cận hàng đầu trong việc giải quyết vấn đề này, nhưng lý thuyết hoàn chỉnh và có thể kiểm định vẫn còn mơ hồ.

Một vấn đề lớn khác chưa được giải quyết là bản chất của vật chất tối và năng lượng tối. Quan sát về các thiên hà và cụm thiên hà, cũng như đo đạc chính xác của phong vân vi sai nhiệt đới, cho thấy khoảng 85% vật chất trong vũ trụ có hình thức tối - một chất liệu bí ẩn và vô hình tương tác theo lực hấp dẫn nhưng không tương tác theo lực điện từ. Càng làm cho rắc rối hơn là năng lượng tối, một hình thức năng lượng tồn tại trong không gian và khiến sự mở rộng của vũ trụ tăng tốc. Cả vật chất tối và năng lượng tối cùng chiếm khoảng 95% tổng lượng năng lượng của vũ trụ, nhưng bản chất vật lý của chúng vẫn là điều chưa biết.

Giải thích về bản chất và nguồn gốc của vật chất tối và năng lượng tối là một mục tiêu quan trọng của vũ trụ học và vật lý hạt. Các lý thuyết có phạm vi từ các hạt tư tưởng chưa được khám phá như axit hoặc hạt lượng tử tương tác yếu (WIMPs) cho vật chất tối, đến các trường véc-tơ hoặc sửa đổi của trọng lực đối với năng lượng tối. Các thí nghiệm tiếp tục và sẽ tới, như các thí nghiệm phát hiện vật chất tối trực tiếp và khảo sát cấu trúc quy mô lớn, nhằm giúp ta hiểu rõ hơn về các thành phần bí ẩn trong vũ trụ này.

Lý thuyết Tổng quan cũng đối mặt với những thách thức trong việc giải thích vũ trụ sơ khai. Mô hình Big Bang tiêu chuẩn dựa trên Tổng quan dự đoán rằng vũ trụ bắt đầu từ trạng thái tỉ trọng và cong vô hạn - một hình đơn điệu. Tuy nhiên, lý thuyết này sụp đổ tại điểm đơn đặc ban đầu này, cho thấy hiệu ứng lượng tử trọng lực trở nên quan trọng. Các lý thuyết như suy đoán về bất quy tắc duong đời có mục tiêu giải quyết một số vấn đề của mô hình Big Bang tiêu chuẩn, như vấn đề về phẳng và chướng ngại vật xa, nhưng vật lý của suy đoán và sự liên quan của nó với lượng tử trọng lực vẫn chưa rõ ràng.

Các câu hỏi khác bao gồm bản chất của điểm đặc không gian-thời gian bên trong lỗ đen, nghi vấn về thông tin (thông tin rơi vào lỗ đen xảy ra như thế nào), khả năng quan sát thêm chiều không gian hoặc bằng chứng cho lý thuyết dây và các bất thường như sự thông suốt tối và trục của ác quỷ có thể chỉ ra vật lý mới nằm ngoài mô hình vũ trụ tiêu chuẩn.

Cuối cùng, việc trả lời những câu hỏi sâu sắc này sẽ yêu cầu sự kết hợp giữa tiến bộ lý thuyết và dữ liệu quan sát mới. Các kính thiên văn mạnh mẽ mới, thiết bị phát hiện sóng trọng lực, các máy va đập hạt và thiết bị đo lường chính xác đang mở ra những cửa sổ mới về vũ trụ và nghiên cứu trọng lực trong các giới hạn ngày càng khắc nghiệt hơn. Đồng thời, các tiến bộ lý thuyết và tính toán cho phép ta khám phá hệ quả và dự đoán của Tổng quan và các sự mở rộng của nó với chi tiết chưa từng có.

Khi ta tiếp tục mở rộng giới hạn kiến thức, Tổng quan chắc chắn sẽ là một trong những trụ cột quan trọng trong việc hiểu vũ trụ của chúng ta. Tuy nhiên, khá rõ ràng rằng lý thuyết sẽ cần được mở rộng hoặc sửa đổi để chứa đựng hiện tượng mới và phù hợp với một khung lớn hơn bao gồm cơ học lượng tử. Sự dựu mục đích để đơn giản hoá trọng lực cùng các lực khác trong tự nhiên, và để giải mã những bí ẩn sâu nhất về không gian và thời gian, đó là một trong những cuộc phiêu lưu khoa học hùng vĩ của thời đại chúng ta.

Kết luận

Trong chương này, ta đã khám phá một số vấn đề biên giới của Tổng quan, từ việc tìm kiếm một lý thuyết lượng tử của trọng lực đến các khả năng hình học kỳ lạ mà lý thuyết cho phép. Ta đã thấy cách việc đoàn kết của Tổng quan với cơ học lượng tử vẫn là một trong những vấn đề chưa có lời giải kỳ lạ nhất trong vật lý lý thuyết, với lý thuyết dây và trọng lực vòng lặp mang đến những tiếp cận hứa hẹn nhưng chưa hoàn chỉnh. Ta cũng đã thấy cách Tổng quan cho phép tồn tại của các cầu giảng, máy thời gian và các cấu trúc không gian-thời gian khác vượt qua giới hạn của sự vật lý có thể.

Nhìn về tương lai, ta đã chỉ ra một số vấn đề chưa được giải quyết và lĩnh vực nghiên cứu trong tương lai, từ bản chất của vật chất tối và năng lượng tối đến vật lý của vũ trụ sơ khai và lỗ đen. Để trả lời những câu hỏi này, ta cần sự kết hợp giữa tiến bộ lý thuyết, mô phỏng tính toán và dữ liệu quan sát mới từ khắp phạm vi phổ điện từ và xa, từ sóng trọng lực tới va chạm hạt.

Khi ta tiếp tục kiểm tra và khám phá những hệ quả của Tổng quan, ta có thể kỳ vọng các điều bất ngờ mới và những thách thức mới đối với hiểu biết của chúng ta. Nhưng ta cũng có thể tự tin rằng lý thuyết đáng ngạc nhiên của Einstein sẽ tiếp tục chỉ dẫn chúng ta khi ta cố gắng giải mã những bí ẩn sâu nhất của vũ trụ. Tổng quan đã gây cách mạng cho việc hiểu biết của chúng ta về không gian, thời gian và trọng lực, và nó chắc chắn sẽ tiếp tục hình thành quan điểm vũ trụ của chúng ta trong những thế hệ sắp tới.

Câu chuyện về Tổng quan, từ sự ra đời trong tâm trí của Einstein đến sự tiến hóa liên tục của nó ngày nay, là một trong những trọn đời nguyên thuỷ vị thành niên của lịch sử tri thức nhân loại. Đó là một câu chuyện về những ý tưởng đột phá, những phép toán cặn kẽ và những xác nhận đáng kinh ngạc, từ sự bẻ cong ánh sáng sao đến những gợn sóng của không gian-thời gian chính mình. Nhưng đây cũng là một câu chuyện chưa hoàn thành, với nhiều chương vẫn chưa được viết.

Khi chúng ta bắt đầu thế kỷ mới của Tổng quan, ta mong đợi những kiểm tra mới, những ứng dụng mới và những sự mở rộng mới của lý thuyết. Từ quy mô nhỏ nhất của trọng lực lượng tử tới quy mô lớn nhất của vũ trụ, Tổng quan sẽ tiếp tục là nguồn hướng dẫn và nguồn cảm hứng cho chúng ta. Và khi ta cứ tiếp tục vượt qua đỉnh trọng lực và không gian-thời gian, ta sẽ tiếp tục ngạc nhiên trước vũ trụ tinh tế được tiết lộ bởi lý thuyết phi thường của Einstein.