Vũ trụ đang ẩn chứa một chiều không gian thứ năm

Chúng ta thường trải nghiệm vũ trụ với bốn chiều: ba chiều không gian và một chiều thời gian. Nhưng một nghiên cứu mới cho rằng số chiều hiệu dụng của không-thời gian có thể không phải lúc nào cũng cố định. Trong những môi trường cực đoan, chẳng hạn vùng có độ cong không-thời gian rất lớn, một chiều bổ sung có thể trở nên “hiển hiện” về mặt toán học.

Nghiên cứu của các nhà khoa học tại Đại học Istanbul đưa ra một mô hình toán học mới để mô tả khả năng này. Theo mô hình, những vùng có độ cong không-thời gian cực mạnh — như vũ trụ sơ khai hoặc các vật thể cực kỳ đặc — có thể biểu hiện nhiều hơn bốn chiều hiệu dụng quen thuộc.

Điều gì xảy ra với không-thời gian trong những điều kiện cực đoan?

Trong cuộc sống hằng ngày, chúng ta có thể mô tả vị trí của một vật bằng ba chiều không gian: chiều dài, chiều rộng và chiều sâu. Khi thêm thời gian, chúng ta có một không-thời gian bốn chiều, nền tảng của thuyết tương đối rộng.

Tuy nhiên, ở những khoảng cách cực nhỏ hoặc mức năng lượng cực cao, không-thời gian có thể không còn thể hiện theo cách đơn giản như trong môi trường thông thường. Đây là vấn đề đặc biệt quan trọng khi nghiên cứu những giai đoạn đầu tiên của vũ trụ, khi vật chất và năng lượng bị nén trong những điều kiện cực kỳ khắc nghiệt.

Trong những vùng có độ cong không-thời gian đủ lớn, số chiều hiệu dụng có thể thay đổi thay vì luôn cố định ở bốn chiều.

Các nhà nghiên cứu Lina Yıldız, Deha Kaykı và Ertan Güdekli đã phát triển mô hình dựa trên ý tưởng rằng số chiều hiệu dụng có thể phản ứng với độ cong cục bộ của không-thời gian. Công trình của họ được công bố trên European Physical Journal C.

Hình học fractal và vô hướng Ricci

Để xây dựng mô hình, nhóm nghiên cứu sử dụng hình học fractal cùng một đại lượng gọi là vô hướng Ricci (Ricci scalar). Đây là một đại lượng mô tả đặc điểm của độ cong không-thời gian.

Ý tưởng quan trọng của mô hình là số chiều hiệu dụng không cần phải là một con số cố định ở mọi nơi. Thay vào đó, nó có thể thay đổi động theo mức độ cong của không-thời gian tại từng khu vực.

Điều đáng chú ý là khi độ cong giảm xuống, thành phần bổ sung trong mô hình cũng tiến dần về không. Điều này giúp mô hình không làm xáo trộn những vùng không-thời gian tương đối phẳng mà các nhà vật lý đã hiểu khá rõ.

Chiều thứ năm không có nghĩa là chúng ta có thể nhìn thấy một hướng mới

Khái niệm “chiều bổ sung” trong nghiên cứu này không nên được hiểu đơn giản là con người sắp có thể bước vào một hướng không gian mới. Đây là một chiều hiệu dụng xuất hiện trong mô tả toán học của những vùng không-thời gian đặc biệt.

Nói cách khác, mô hình không khẳng định rằng xung quanh chúng ta đang tồn tại một chiều không gian thứ năm mà chúng ta có thể quan sát trực tiếp. Nó cho thấy rằng trong những điều kiện cực đoan, cách mô tả hình học của không-thời gian có thể cần thêm một bậc tự do hiệu dụng.

Vũ trụ sơ khai và những vật thể cực đặc

Những môi trường được quan tâm đặc biệt gồm vũ trụ sơ khai và các vật thể có mật độ cực cao, chẳng hạn những vật thể nhỏ gọn như sao neutron hoặc các vùng liên quan đến hố đen.

• Vũ trụ sơ khai: vật chất và năng lượng từng tồn tại trong trạng thái cực kỳ nóng và đậm đặc.
• Hố đen: vùng không-thời gian có độ cong rất mạnh, đặc biệt khi tiến gần khu vực trung tâm.
• Sao neutron: những vật thể có mật độ vật chất cực lớn, tạo ra môi trường thuận lợi để kiểm tra các mô hình vật lý cực hạn.

Theo nhóm nghiên cứu, những môi trường có độ cong lớn này có thể được mô tả bằng một mô hình vẫn xuất phát từ thuyết tương đối rộng, thay vì phải đưa thêm một dạng vật chất độc lập với nhiều tham số mới.

Mối liên hệ với lý thuyết vô hướng–tensor

Mô hình mới cũng có thể được đặt trong khuôn khổ của lý thuyết vô hướng–tensor (scalar-tensor theory). Đây là một lớp lý thuyết mở rộng cách mô tả hấp dẫn bằng cách kết hợp trường tensor quen thuộc với một trường vô hướng.

Điểm đáng chú ý là mô hình được xây dựng sao cho có thể hòa hợp với khuôn khổ toán học hiện có mà không cần bổ sung quá nhiều thành phần độc lập. Điều này có thể giúp các nhà vật lý sử dụng nó như một công cụ để nghiên cứu những trường hợp cực đoan của vũ trụ.

Nhưng đây vẫn chưa phải bằng chứng về một chiều không gian mới

Các nhà nghiên cứu hiện mới áp dụng mô hình trong một phạm vi toán học nhất định, nơi những hiệu chỉnh do độ cong đặc biệt có thể được xử lý theo phương pháp nhiễu loạn. Vì vậy, còn rất nhiều việc cần làm trước khi có thể nói rằng một chiều bổ sung thực sự tồn tại trong tự nhiên.

Mô hình cho thấy chiều bổ sung có thể xuất hiện về mặt hiệu dụng trong những vùng có độ cong không-thời gian cực lớn, chứ chưa chứng minh rằng vũ trụ thực sự có một chiều không gian thứ năm có thể quan sát trực tiếp.

Dù còn hạn chế, nghiên cứu này cung cấp cho các nhà vũ trụ học một công cụ toán học mới để tiếp tục khám phá những vùng cực hạn của vật lý. Nếu mô hình được kiểm chứng và mở rộng trong tương lai, nó có thể giúp chúng ta hiểu rõ hơn về những điều kiện tồn tại trong những khoảnh khắc đầu tiên của vũ trụ cũng như bên trong các vật thể cực đặc.

Vì vậy, câu hỏi liệu vũ trụ có đang “ẩn giấu” một chiều bổ sung hay không vẫn chưa có câu trả lời cuối cùng. Điều mà nghiên cứu mới cho thấy là trong những vùng không-thời gian cong mạnh, vũ trụ có thể biểu hiện một số chiều hiệu dụng vượt quá bốn chiều quen thuộc — mở ra thêm một cách tiếp cận để khám phá những giới hạn sâu nhất của vật lý.