Vũ trụ lượng tử

Như chúng ta biết, Max Tegmark đã phân vũ trụ thành bốn mức1, trong đó mức III được gọi là mức Đa thế giới lượng tử (Quantum many worlds). Trong vũ trụ học, lý thuyết lạm phát vĩnh cửu lại dẫn chúng ta đến đối tượng Đa vũ trụ (Multiverse). Một điều đáng ngạc nhiên là hiện nay các nhà vật lý muốn minh giải rằng hai khái niệm đó là một 2,3,4. Nói cách khác, các nhà vật lý muốn ứng dụng Cơ học lượng tử (Quantum mechanics) cho toàn thể vũ trụ. Liệu đây có phải là một bước tiến bộ trong việc làm xích gần hấp dẫn với lượng tử?

Đa thế giới lượng tử

Đây là một ý tưởng mới mẻ và lý thú khi cho rằng Đa thế giới lượng tử và Đa vũ trụ là một. Hai đối tượng đó được nhìn một cách khác nhau chỉ vì quan điểm về vấn đề hấp dẫn và lượng tử chưa thấu đạt.

Nhà vũ trụ học Tegmark xếp các vũ trụ thành bốn mức:

Mức I: khác nhau về điều kiện ban đầu, cách nhau rất xa song cư trú trong một bong bóng (bubble),

Mức II: khác nhau vì trị số các hằng số vật lý và các hạt cơ bản và cấu thành bởi nhiều bong bóng (bubble),

Mức III: không đưa thêm vào những loại vũ trụ mới, song kéo các vũ trụ song song về quanh ta, mô tả nhờ cơ học lượng tử,

Mức IV: khác nhau vì các định luật vật lý ứng với những cấu trúc toán học khác nhau.

Đa thế giới lượng tử chính là các nhánh của hàm sóng của cơ học lượng tử hay các màng song song trong Lý thuyết dây (String theory).

Chúng ta chỉ có thể nhìn thấy con mèo Schrodinger hoặc chết hoặc sống. Một trong hai khả năng không tồn tại. Song theo diễn dịch của Everett (Everett interpretation) thì cả hai khả năng đều tồn tại tuy nhiên thuộc hai thế giới khác nhau: trong thế giới này con mèo là chết, trong thế giới kia thì con mèo là sống.

Tegmark phát biểu rằng hàm sóng không biểu diễn một tập tưởng tượng nào mà biểu diễn một tập thực tế đồng nhất song tồn tại trong nhiều thế giới.

Đa vũ trụ

Vũ trụ của chúng ta là một trong nhiều vũ trụ khác (suy từ từ Lý thuyết dây và lạm phát vĩnh cửu – eternal inflation).

Trong Đa vũ trụ, khi ta nói một bong bóng đang hình thành và phát triển thì thực chất ở đấy tồn tại một biên độ lượng tử (quantum amplitude) để cho bong bóng đó xuất hiện và phát triển còn các bong bóng khác thì không xuất hiện và phát triển. Điều này tương tự như trường hợp của con mèo Schrodinger.

Trong vũ trụ với ρΛ > 0 (mật độ hằng số vũ trụ Λ ) sẽ xảy ra lạm phát, và một khi đã giãn nở thì vũ trụ đó tiếp tục giãn nở và chúng ta có Lạm phát vĩnh cửu.

Nguyên lý bổ sung

Việc xem Đa thế giới lượng tử bằng Đa vũ trụ dường như phù hợp với ý tưởng về nguyên lý bổ sung (complementarity). Theo Niels Bohr, “ta có thể nghĩ về electron như một hạt hoặc một sóng chứ không bao giờ electron có thể vừa là hạt vừa là sóng trong cùng một lúc”.

Hai tính chất hạt và sóng đều là tính chất của một đối tượng song không thể biểu hiện cùng một lúc được vì thuộc hai thế giới khác nhau.

Đối với một lỗ đen nguyên lý bổ sung là như sau: ta chỉ có thể nói đến một đối tượng đang chuyển động ngoài lỗ đen hoặc trong lỗ đen chứ không thể nói đến chuyển động của đối tượng đó trong lỗ đen và ngoài lỗ đen cùng lúc được.

Theo Susskind, Thorlacius, và Uglum một quan sát viên đứng ngoài lỗ đen không thể nói gì về chuyển động của một đối tượng nào đó trong lỗ đen, anh ta chỉ có thể nói đến các thông tin về đối tượng đó mã hóa trên đường chân trời – Hawking radiation (ngoài lỗ đen).

Ý tưởng này phù hợp với nguyên lý toàn ảnh (holographic principle). Chú ý rằng entropy lỗ đen chỉ phụ thuộc vào diện tích đường chân trời chứ không phụ thuộc vào thể tích nội vùng lỗ đen.
Chúng ta cũng có thể nói đến chân trời vũ trụ (xem hình 1) ngăn cách chúng ta với những vùng vũ trụ chưa biết đến và xem biên chân trời như đường chân trời trong lỗ đen và ta có vùng trong và vùng ngoài của vũ trụ.

Hình 1. Đường lấm chấm trên hình vẽ là đường chân trời vũ trụ

Đa vũ trụ và Đa thế giới lượng tử là một

Các nhà vật lý muốn thay thế đa vũ trụ nằm trong những trạng thái cư trú ở những vùng xa nhau của không thời gian bằng một vũ trụ định xứ (localized) trong đó các trạng thái khác nhau nằm ngay tại đây, quanh chúng ta (mức III của Tegmark) và là những nhánh khác nhau (different branches) của hàm sóng.

Trong khuynh hướng hiện đại các nhà vật lý muốn nâng cao vai trò quan trọng của Cơ học lượng tử trong việc tìm hiểu Đa vũ trụ nằm ở những kích thước rất lớn.

Chúng ta sẽ phải thay đổi một cách cách mạng ý niệm về không thời gian, hấp dẫn và ta sẽ thống nhất Lạm phát vĩnh cửu trong Đa vũ trụ với Đa thế giới lượng tử của cơ học lượng tử.

Ta sẽ phải thay đổi ý niệm về không thời gian, hấp dẫn (sự thay đổi này dẫn đến sự phù hợp với nguyên lý toàn ảnh và nguyên lý bổ sung). Và chúng ta có sơ đồ:

Đa vũ trụ (suy từ lạm phát vĩnh cửu) = Đa thế giới lượng tử (suy từ cơ học lượng tử)= cùng một khái niệm.

Trong lý thuyết trường lượng tử hãy xét tán xạ electron- positron.

Hàm sóng mô tả tán xạ electron- positron cho ta các trạng thái khác nhau của kết quả tán xạ:

Ψ(t = – ∞) = |e+e- > → Ψ(t = + ∞) > = ce |e+e- > + cµ|µ+µ- > +…

Các hệ số c tính theo phương trình Schrodinger.

Trong Đa vũ trụ ta cũng có điều tương tự trên cơ sở khái niệm Đa vũ trụ = Đa thế giới lượng tử:

Ψ(t-to) = |Σ > →
               ↑
eternaly Inflation (lạm phát vĩnh cửu)

Hàm sóng từ lạm phát vĩnh cửu sẽ cho chúng ta nhiều trạng thái mô tả Đa vũ trụ.

Đa vũ trụ tồn tại trong không gian các xác suất. Xác suất trong vũ trụ học sẽ có cùng một cội nguồn như trong cơ học lượng tử.

Hình 2 mô tả sự tiến triển theo thời gian của hàm sóng Ψ(0), khi hàm sóng tiến triển ta sẽ có nhiều trạng thái trong các bong bóng của Đa vũ trụ ở nhiều điểm khác nhau của không thời gian.

Hình 2. Sự tiến triển của hàm

Tóm lại, sự thay đổi quan điểm cách mạng về không thời gian và hấp dẫn trong sơ đồ Đa vũ trụ = Đa thế giới lượng tử cho phép chúng ta đạt được sự phù hợp với hai nguyên lý quan trọng:

* Nguyên lý toàn ảnh (Holographic principle),

* Nguyên lý bổ sung đường chân trời (Horizon complementarity).

Cơ học lượng tử như vậy đóng vai trò quan trọng ngay ở những kích thước rất lớn và vũ trụ trở thành vũ trụ lượng tử (quantum universe). Ý tưởng xem Đa vũ trụ (từ lạm phát vĩnh cửu) và Đa thế giới lượng tử (từ cơ học lượng tử) là một đã giúp lý thuyết tiến lên một bước trong việc thống nhất hấp dẫn và lượng tử.
————-
Tài liệu tham khảo
[1] Max Tegmark, Our Mathematical Universe, 2014
[2] Quantum Mechanics, Gravity, and the Multiverse
Yasunori Nomura
Berkeley Center for Theoretical Physics, Department of Physics,
University of California, Berkeley,
Theoretical Physics Group, Lawrence Berkeley National Laboratory,
arXiv:1205.2675v2 [hep-th] 30 Jul 2012
[3] Sean Carroll, Are Many Worlds and the Multiverse the Same Idea?
http://www.preposterousuniverse.com/blog/2011/05/26/are-many-worlds-and-the-multiverse-the-same-idea/
[4] Dan Falk, Mutiverse
http://cosmos.nautil.US/feature/88/the-multiple-multiverses-may-be-one-and-the-same