Giá trị bí ẩn của hằng số
Hình minh họa về cách lực hấp dẫn của thiên hà làm cong không-thời gian theo thuyết tương đối rộng của Einstein (Ảnh: Science Library).
Nhìn vào bầu trời đêm, chúng ta thường tự hỏi vì sao vũ trụ tồn tại theo cách nó đang có: Từ sự sống, các ngôi sao, hành tinh đến cả chính con người. Thế nhưng ít ai biết rằng, mọi thứ trong vũ trụ được điều khiển bởi một nhóm con số đặc biệt, gọi là các hằng số cơ bản của tự nhiên.
Những con số này không phải là phát minh của con người, mà là giá trị cố định mô tả cách thức mà các lực và vật chất trong vũ trụ tương tác với nhau.
Thí dụ, tốc độ ánh sáng trong chân không luôn là khoảng 299.792.458 m/s, hằng số hấp dẫn G là 6,674x10⁻¹¹ m³/kg/s², hay khối lượng của electron là 9,1 x 10⁻³¹ kg…
Đây là những con số mà nếu thay đổi dù chỉ rất nhỏ, vũ trụ có thể sẽ hoàn toàn khác biệt, thậm chí sự sống có thể không tồn tại. Câu hỏi lớn được đặt ra: Tại sao các con số đó lại có giá trị như hiện tại? Chúng đến từ đâu? Có phải ngẫu nhiên không?
Nhờ vật lý, chúng ta có thể xây dựng các phương trình và mô hình rất chính xác để mô tả thế giới - từ sự rơi của một hòn đá đến sự giãn nở của toàn vũ trụ. Tuy nhiên, mỗi phương trình đều cần được "cung cấp" một số giá trị đầu vào, tức là các hằng số.
Chúng giống như các "thanh dầm" giúp chống đỡ ngôi nhà vật lý học hiện đại. Nhưng kỳ lạ thay, không một lý thuyết nào hiện nay có thể lý giải chúng đến từ đâu. Các nhà khoa học chỉ biết đo đạc giá trị thực nghiệm và đưa chúng vào mô hình.
Thử tưởng tượng, bạn đang mô phỏng chuyển động của một quả bóng. Bạn có thể sử dụng định luật Newton để mô tả lực tác động, nhưng bạn cần biết "lực hấp dẫn mạnh đến mức nào". Điều đó không đến từ mô hình, mà phải đo từ thực tế.
Tương tự, các hằng số như cường độ lực điện từ, hằng số Planck, hay tỉ lệ giữa các hạt cơ bản đều là những thông số "cho sẵn", không thể tính ra từ lý thuyết nền hiện tại.
Liệu các hằng số có thực sự "bất biến"?
Einstein là người đưa ra thuyết tương đối tổng quát, trong đó bao gồm khái niệm hằng số hấp dẫn G - một đại lượng không thể thiếu để mô tả mức độ "cong" của không-thời gian (Ảnh: Getty).
Vấn đề trở nên hấp dẫn hơn khi các nhà vật lý đặt câu hỏi: liệu những con số này có thật sự là "hằng số", tức là không bao giờ thay đổi?
Nếu một trong số chúng thay đổi, dù chỉ là rất nhỏ theo thời gian, không gian, hoặc hoàn cảnh vật lý, thì điều đó có nghĩa chúng không thật sự cơ bản, mà chỉ là biểu hiện của một lý thuyết sâu hơn mà con người chưa khám phá.
Để kiểm chứng điều này, các nhà khoa học đã thiết kế nhiều thí nghiệm có độ chính xác cực cao, cả ở Trái Đất và trong không gian. Trong phòng thí nghiệm, họ dùng đồng hồ nguyên tử. Đây là thiết bị cực kỳ tinh vi có thể phát hiện thay đổi nhỏ nhất trong dao động của nguyên tử, có thể theo dõi sự thay đổi theo thời gian của các hằng số như hằng số cấu trúc tinh tế (FSC).
Tính đến nay, độ chính xác đo lường đã đạt tới mức phát hiện thay đổi 1 phần tỷ mỗi năm, nhưng vẫn chưa ghi nhận bất kỳ sự thay đổi đáng kể nào.
Về phía thiên văn học, các nhà nghiên cứu quan sát ánh sáng từ quasar - những thiên thể cực sáng cách Trái Đất hàng tỷ năm ánh sáng. Cùng với đó là phân tích nền vi sóng vũ trụ (CMB). Chúng là tàn dư ánh sáng từ thời điểm vũ trụ vừa hình thành.
Ý tưởng ở đây là nếu các hằng số đã thay đổi trong quá khứ xa xôi, thì ánh sáng từ các thiên thể xa xôi sẽ bị ảnh hưởng và cho thấy sự khác biệt. Tuy nhiên, các quan sát vẫn cho thấy sự ổn định kỳ lạ của các hằng số này.
Điều đáng lưu ý là: chúng ta không thể khẳng định 100% rằng chúng là hằng số. Dù chưa phát hiện sự thay đổi, luôn tồn tại một mức độ bất định trong mọi phép đo, và vì thế, luôn có khả năng rằng các hằng số đang thay đổi nhưng với tốc độ quá nhỏ để bị phát hiện.
Vũ trụ vẫn còn nhiều bí ẩn
Các hằng số cơ bản không chỉ là những con số khô khan, mà chúng là nền tảng định hình toàn bộ sự tồn tại của vũ trụ. Chúng xác định cách các lực tương tác, các nguyên tử hình thành, các ngôi sao cháy sáng, và sự sống phát triển.
Nếu những con số đó chỉ lệch đi một phần nhỏ, vũ trụ có thể sẽ trống rỗng, hỗn loạn hoặc hoàn toàn không thể có sự sống như chúng ta đang thấy.
Dù vậy, khoa học vẫn chưa lý giải được "tại sao chúng lại như vậy?". Liệu các hằng số là kết quả ngẫu nhiên? Hay là biểu hiện của một lý thuyết vũ trụ sâu xa hơn, vượt ra ngoài tầm hiểu biết hiện tại?
Chúng ta có thể chưa có câu trả lời, nhưng việc tiếp tục đặt câu hỏi và tìm hiểu về chúng có thể sẽ dẫn nhân loại đến bước ngoặt lớn trong vật lý hiện đại - giống như cách mà thuyết tương đối và cơ học lượng tử đã từng làm rung chuyển nền khoa học thế kỷ 20.
