Giải mã bí ẩn: Vũ trụ có hình gì? Người giải được đã từ chối nhận 1 triệu USD tiền thưởng, ông là ai?

VŨ TRỤ BAO LA RỘNG LỚN CỦA CHÚNG TA CÓ HÌNH GÌ?

Sở dĩ có điều đó là do so với con người, Trái Đất quá to lớn khiến độ cong của nó gần như là bằng không ( giống như một mặt phẳng ) khi con người quan sát bằng mắt thường và rất khó để phát hiện ra thực sự rằng Trái Đất là một khối hình cầu .

Mở rộng hơn, vậy hình dạng của vũ trụ là hình gì? Đây quả là một câu hỏi hóc búa mà không phải ai cũng có thể trả lời được.

Để hoàn toàn có thể vấn đáp được câu hỏi này thì tất cả chúng ta phải xét trên cả hai phương diện : Một là góc nhìn hình học ( góc và diện tích quy hoạnh … ) và góc nhìn còn lại là topo ( cấu trúc link giữa những thành phần trong một hệ ) .Những dẫn chứng về vũ trụ học ( cosmology – là khoa học nghiên cứu và điều tra toàn diện và tổng thể về vũ trụ ) cho thấy vũ trụ quan sát được là một khoảng trống giống hệt và trơn. Kết cẩu địa phương của khoảng trống cũng tương đương với mỗi điểm và mỗi hướng .Chỉ có 3 hình học thích hợp với những miêu tả này, đó là hình học phẳng, hình học hình cầu và hình học hình học hyperbol. Trong đó, hình học phẳng chính là hình học Euclid mà tất cả chúng ta được học ở đại trà phổ thông, hai hình học còn lại gọi là hình học phi Euclid .

Hãy lần lượt xét cả 3 hình học trên (về hình học, topo và bằng chứng vũ trụ học) để xem liệu hình học nào sẽ mô tả tốt nhất vũ trụ của chúng ta.

HÌNH HỌC PHẲNG

Đây là hình học cơ bản mà chúng ta được học khi còn là học sinh nhằm mô tả không gian ba chiều mà theo đó tổng 3 góc của 1 tam giác bằng 180 độ và diện tích hình tròn là πr2 và một ví dụ cụ thể nhất cho hình học này chính là mặt phẳng 3 chiều (không gian euclid).

Không gian Euclid. Ảnh : QuantamagazineKhông gian này hơi khó để tưởng tượng nhưng tất cả chúng ta hoàn toàn có thể thiết kế xây dựng một vài hiểu biết qua trực giác bằng việc nghĩ về khoảng trống hai chiều thay vì ba. Hãy tưởng tượng một phần mặt phẳng là một tờ giấy và bạn hoàn toàn có thể uốn cong để mép này trùng khớp mép kia .Khi đó, tất cả chúng ta sẽ có một hình tròn trụ như hình dưới đây :Uốn cong mặt tờ giấy để được 1 hình tròn trụ. Ảnh : QuantamagazineTiếp theo, hãy uốn cong hình tròn trụ này để hai đầu hoàn toàn có thể chạm nhau và lúc đó bạn sẽ có ngay một chiếc bánh doughnut ( trong toán học gọi hình này là hình xuyến ), xem ảnh bên dưới .Uốn cong hình tròn trụ để được hình xuyến. Ảnh : QuantamagazineBây giờ bạn hoàn toàn có thể sẽ nghĩ : ” Đây không giống như một mặt phẳng so với tôi ” và trong thực tiễn bạn trọn vẹn có lý vì nếu lấy một tờ giấy và làm theo thì bạn sẽ không thể nào ráp hai đầu của hình tròn trụ lại với nhau để được hình xuyến như bên dưới .Tờ giấy sẽ bị cong và nhăn nheo ( không trơn ) ở phần mép cong bên trong của hình xuyến vì độ cong của phần đường tròn bên ngoài và bên trong của hình xuyến là trọn vẹn khác nhau. Bạn cũng hoàn toàn có thể dùng một vật tư nào đó co và giãn và đàn hồi hơn tờ giấy .Thế nhưng điều đó có nghĩa là bạn đã làm đổi khác ( bóp méo ) độ dài và góc, nghĩa là biến hóa yếu tố hình học của nó. Thực tế thì trong khoảng trống ba chiều, không có bất kể cách nào để kiến thiết xây dựng một hình xuyến vật lý trơn từ một mặt phẳng mà không làm bóp méo mặt phẳng đó .Tuy nhiên, ví dụ trên sẽ giúp bạn tưởng tượng về việc sống trong một khoảng trống ba chiều sẽ như thế nào ( trong đó bạn là một sinh vật sống trong một mặt phẳng hai chiều và mặt phẳng đó lại nằm trong một hình xuyến ba chiều ) .Hãy tưởng tượng bạn là một sinh vật hai chiều và vũ trụ là một hình xuyến với hình học của vũ trụ này được tạo nên từ một miếng giấy phẳng, tức những gì tất cả chúng ta biết về hình học phẳng đều đúng ( tổng 3 góc tam giác là 180 độ … ) .Thế nhưng sự đổi khác topo tất cả chúng ta tạo nên từ việc cắt và nối tờ giấy lại nghĩa là những thưởng thức đời sống trên khoảng trống mới này là rất độc lạ so với trước kia. Ví dụ như đường thẳng ở mặt phẳng sẽ trở thành những đường cong như hình dưới .Đường thẳng tương ứng trong mặt xuyến và mặt phẳng. Ảnh : QuantamagazineNghĩa là nếu ở vũ trụ hình xuyến, đường truyền của ánh sáng hoàn toàn có thể bị bẻ cong và bạn thậm chí còn hoàn toàn có thể nhìn thấy chính mình khi nhìn theo hướng của những đường thẳng trên .Thật mê hoặc phải không nào ?Bạn sẽ nhìn thấy cái sống lưng của mình trong vũ trụ hình xuyến. Ảnh : QuantamagazineCòn trong quốc tế hai chiều của tờ giấy, ánh sáng đi từ phía sau bạn sẽ đi tới mép giấy bên trái và sau đó Open ở phía bên phải gần như ngay lập tức. Nói cách khác, ánh sáng trở lại đúng nơi mà nó xuất phát .Ánh sáng truyền tới bạn trong mặt phẳng. Ảnh : QuantamagazineBạn cũng hoàn toàn có thể tưởng tượng mình đi tới một trong 1 mép giấy, sau đó biến mất và Open trong một ” căn phòng ” mới nhưng thực ra là cùng một phòng. Tức là trong vũ trụ này, bạn hoàn toàn có thể đi tới vô hạn căn phòng giống hệt căn phòng bắt đầu mình đứng .Bạn hoàn toàn có thể đi tới vô hạn căn phòng giống hệt căn phòng khởi đầu mình đứng. Ảnh : QuantamagazineĐiều này còn có nghĩa là bạn cũng hoàn toàn có thể nhìn thấy vô hạn những bản copy của chính mình khi nhìn theo những hướng khác nhau, gọi là hiệu ứng ” phòng gương ” ( hall-of-mirrors effect ) .Xem ảnh dưới :

Hiệu ứng ” phòng gương “. Ảnh : QuantamagazineTrong vũ trụ hình chiếc bánh doughnut, những điều này tương ứng với nhiều vòng khác nhau mà theo đó ánh sáng hoàn toàn có thể đi từ phía trước bạn đến phía sau sống lưng .Ánh sáng truyền đi theo 1 đường cong khép kín. Ảnh : QuantamagazineTương tự, tất cả chúng ta hoàn toàn có thể kiến thiết xây dựng nhiều vũ trụ hình xuyến ba chiều như vậy bằng cách dán những mặt đối lập của một hình hộp lại, khi đó đời sống trong khoảng trống hai chiều thuộc hình xuyến cũng giống như những hình chữ nhật xếp cạnh nhau .Còn đời sống trong khoảng trống ba chiều lại giống như những căn phòng hình lập phương giống hệt nhau và bạn cũng sẽ thấy vô số bản copy của mình trong khoảng trống này .Hiệu ứng gương trong khoảng trống 3 chiều. Ảnh : QuantamagazineKhông gian hình xuyến 3 chiều chỉ là một trong 10 quốc tế hữu hạn phẳng khác nhau. Có những quốc tế vô hạn có quy mô hóa 3 chiều như hình tròn trụ. Trong mỗi quốc tế này là những thưởng thức ” phòng gương ” khác nhau .

Có phải vũ trụ của chúng ta là một trong những hình phẳng này?

Khi tất cả chúng ta nhìn vào khoảng trống, tất cả chúng ta không hề thấy những vô số bản thế của chính mình. Thế nhưng thật khó để Kết luận rằng vũ trụ không thuộc 1 trong số những hình dạng phẳng này .Có một điểm chung giữa chúng, đó là toàn bộ khoảng trống này đều có đặc thù hình học giống với khoảng trống Euclid và nếu bạn không thấy bản sao của chính mình thì những hình ảnh ở xa mà bạn thấy ( thiên hà, ngôi sao 5 cánh, lỗ đen … ) lại cho thấy quá khứ xa xôi .Sở dĩ giờ đây bạn hoàn toàn có thể nhìn thấy quá khứ vì vận tốc ánh sáng tuy rất nhanh nhưng lại hữu hạn và nó phải mất một thời hạn dài mới hoàn toàn có thể truyền đến bạn. Do đó, hoàn toàn có thể tất cả chúng ta đang nhìn thấy một bản sao không hề nhận ra ở ngoài kia .Hay những bản copy của bạn lại khác nhau tùy thuộc khoảng cách đến bạn và chúng quá xa để bạn hoàn toàn có thể nhìn thấy ( do vũ trụ quá to lớn và bạn không hề sống mãi để hoàn toàn có thể nhìn thấy điều kỳ diệu này ) .

Bằng chứng vũ trụ học

Thực tế, các nhà thiên văn không tìm kiếm bản sao này mà thay vào đó, họ tìm kiếm những đặc điểm lặp lại ở một nơi xa nhất mà chúng ta có thể thấy: Nền vi sóng vũ trụ (Cosmic Microwave Background – CMB).

Nền vi sóng vũ trụ chính là ” tàn dư ” của vũ trụ sau vụ nổ Big Bang, điều đó cũng có nghĩa là khi tìm thấy một cặp CMB tương ứng với hai điểm trung tâm và điểm lạnh thì hoàn toàn có thể Dự kiến chúng thuộc cùng một vòng tròn khi nhìn từ hai hướng khác nhau .Hình ảnh của bức xạ nền vi sóng vũ trụ, được chụp bởi vệ tinh Planck của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu ( ESA ) vào năm 2013, cho thấy những xê dịch nhỏ trên khung trời Credit : ESA / Planck CollaboratioTuy nhiên, đến năm năm ngoái thì những nhà thiên văn đã sử dụng kính viễn vọng khoảng trống Planck của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu ( ESA ) để chụp lại bức ảnh có độ đúng mực cao nhất của CMB, tuy nhiên sự dịch chuyển của CMB ở những thang góc lớn không tương thích với Dự kiến .Các nhà khoa học đã thất bại trong việc tìm kiếm ” bản sao ” nhưng điều đó cũng hoàn toàn có thể là do vũ trụ của tất cả chúng ta quá lớn và những ” bản sao ” ấy nằm ngoài vũ trụ quan sát được ( vùng khoảng trống mà con người hoàn toàn có thể quan sát được bằng những thiết bị khoa học văn minh nhất ) .Lưu ý : Đường kính vũ trụ quan sát được là khoảng chừng 93 tỷ năm ánh sáng và đó chỉ là phần nổi trong ” tảng băng chìm ” là phần vũ trụ không quan sát được .

HÌNH HỌC HÌNH CẦU

Hình học hình cầu cũng tựa như với hình cầu hai chiều như mặt phẳng quả cam, quả bóng hay Trái Đất. Nhưng điều đó sẽ có nghĩa như thế nào so với vũ trụ của tất cả chúng ta nếu nó là một khối cầu ba chiều ?Tương tự như ở hình học phẳng, tất cả chúng ta hoàn toàn có thể sử dụng phép suy luận loại suy hay phép tương tự như để tưởng tượng yếu tố. Hãy mở màn bằng mặt cầu 2 chiều ( bao gôm tập hợp tổng thể những điểm cách đều 1 điểm gọi là tâm mặt cầu ) .Đây là hình ảnh mặt cầu hai chiều thường thì trong khoảng trống ba chiều, tương tự như một hình cầu 3 chiều trong khoảng trống 4 chiều cũng sẽ là tập hợp những điểm cách đều 1 điểm .Sự sống trong khoảng trống hình cầu ba chiều sẽ rất khác so với khoảng trống hình cầu hai chiều, tất cả chúng ta đang sống trên bề mặt Trái Đất cũng là một ví dụ đơn cử nhất cho việc sống trong một khoảng trống hình cầu hai chiều .Chúng ta khó lòng hoàn toàn có thể cảm nhận chiều khoảng trống hình cầu 3 chiều của vũ trụ, trong khoảng trống đó ánh sáng truyền đi theo đường ngắn nhất và là một đường tròn lớn và so với tất cả chúng ta thì đường tròn lớn đó lại như một đường thẳng .Ánh sáng truyền đi trong khoảng trống mặt cầu. Ảnh : QuantamagazineBạn hoàn toàn có thể hiểu nó một cách thuận tiện như sau, khi bạn đứng trên mặt đất và thấy một ánh sáng từ phía xa. Bạn cho rằng ánh sáng đi theo 1 đường thẳng từ nguồn sáng tới mắt mình, thế nhưng thực sự thì đường truyền đó lại là một đường cong ( theo bề mặt Trái Đất ) .Dễ hiểu hơn, giả sử bạn đang ở 1 khu vực A và muốn đi tới khu vực B, bạn đi theo đường thẳng ngắn nhất tới điểm đích nhưng thật ra quãng đường bạn đi lại là một đường cong vì bề mặt Trái Đất là hình cầu .Xem ảnh dưới :Tổng 3 góc tam giác lớn hơn 180 độ. Ảnh : QuantamagazineNhững đoạn thẳng AB, AC, BC vốn được cho là đường thẳng so với tất cả chúng ta trên mặt đất thì thực ra lại là những đường cong và một hệ quả quan trọng đó là tổng ba góc trong tam giác sẽ lớn hơn 180 độ .Từ đó hoàn toàn có thể thấy khi ánh sáng truyền đi theo một đường tròn khép kín như vậy thì bạn hoàn toàn có thể nhìn thấy chính mình khi ánh sáng quay trở về nơi xuất phát .Như vậy trên khoảng trống mặt cầu tất cả chúng ta vẫn có hiệu ứng ” phòng gương ” tương tự như như trên khoảng trống phẳng, chỉ có điều số ” căn phòng ” để đi qua là hữu hạn thay vì vô hạn như ở khoảng trống phẳng .

Vậy có phải vũ trụ là một hình cầu?

Giống như khoảng trống phẳng, tất cả chúng ta không hề nhìn thấy chính mình nhưng điều đó cũng có nghĩa là khoảng trống hình cầu của vũ trụ là không sống sót mà là do vòng tròn đó quá lớn ( lớn hơn size của vũ trụ quan sát được ) nên phải rất lâu nữa tất cả chúng ta mới thấy … chính mình .

Bằng chứng vũ trụ học

Thực tế, những nhà khoa học triển khai đo những tam giác trong vũ trụ để hoàn toàn có thể tính được độ cong của vũ trụ trải qua tam giác có hai đỉnh là điểm trung tâm, điểm lạnh và điểm còn lại chính là Trái Đất, rồi thực thi đo góc để tính độ cong .Trong hầu hết những phép đo về độ cong, hiệu quả cho thấy vũ trụ có độ cong rất nhỏ và gần như là một mặt phẳng nhưng năm 2018. Điều này cũng giống như tất cả chúng ta cảm nhận về mặt đất như một mặt phẳng do con người quá nhỏ so với Trái Đất .Các phép đo bằng kính viễn vọng Planck của 1 nhóm những nhà khoa học lại cho thấy vũ trụ là 1 hình cầu. Mặc dù vậy những nhà nghiên cứu khác vẫn xem đó là sự ngẫu nhiên trong thống kê .

HÌNH HỌC HYPERBOL

Không giống như hình cầu với độ cong lên chính nó, hình học hyperbol lại lan rộng ra vô hạn về mọi hướng như trong hình học phẳng, đó là hình học của rặng sinh vật biển, đèo núi … hay hình đĩa Poincaré dưới đây là một ví dụ tiêu biểu vượt trội .Hình đĩa Poincaré. Ảnh : QuantamagazineSự lan rộng ra của khoảng trống hình học hyperbol lại rất độc lạ so với hai khoảng trống tất cả chúng ta đã xét đến trước đó. Nếu nhìn những hình trên bạn sẽ nghĩ rằng những tam giác gần biên giới đường tròn sẽ nhỏ hơn tam giác nằm ở bên trong .Thực tế thi toàn bộ chúng đều bằng nhau và một điều đặc biệt quan trọng nữa, đó là tổng 3 góc trong tam giác luôn bé hơn 180 độ .Tất cả những tam giác đều bằng nhau dù ở gần biên vòng tròn hay ở TT. Ảnh : MathematicTam giác trong hình đĩa Poincaré có tổng luôn bằng 165 độ. Ảnh : QuantamagazineNhà toán học người Pháp Jules Henri Poincaré ( 1854 – 1912 ) lỗi lạc nhất nước Pháp và có lẽ rằng là cả quốc tế lúc bấy giờ, đồng tác giả của thuyết tương đối ” thu hẹp ” và cha đẻ của topo học đã đưa ra giả thuyết mang tên mình nhằm mục đích phỏng đoán táo bạo về hình dạng khả dĩ của vũ trụ .Giả thuyết Poincaré được đề ra năm 1904 đã trở thành bài toán thử thách lớn nhất của toán học thế kỷ 20. Bài toán cũng được Học viện Toán học Clay xếp vào 1 trong 7 bài toán hóc búa chưa có giải thuật để thách đố những nhà toán học thế kỷ 21 và đưa ra phần thưởng tới 1 triệu USD .

Vậy liệu có phải vũ trụ có hình hyperbol?

Bài toán tưởng chừng không có lời giải trên đã được thiên tài toán học người Nga lỗi lạc của thế kỷ 21 là Grigori Perelman (sinh năm 1966) giải quyết năm 2002 nhưng vớ cá tính kỳ quặc, lập dị của mình, ông đã từ chối nhận số tiền thưởng 1 triệu USD và cả huy chương Fields…

Tuy nhiên ông lại không đưa ra một khu công trình khá đầy đủ về chứng mình của mình trên những tạp chí khoa học ngoài hai bản nghiên cứu và điều tra dài khoảng chừng 61 trang viết tay. Có tới 3 nhóm chuyên viên số 1 thao tác độc lập để kiểm tra khu công trình phức tạp này .Người ta không phát hiện ra lỗi nào trong những chứng tỏ nhưng cũng không có ai dám đứng ra xác nhận khu công trình này là đúng mà phải đến năm 2006, ba nhóm chuyên viên mới thống nhất rằng cách chứng tỏ của Perelman là đúng mực .Tuy nhiên, Perelman chứng tỏ được hàng loạt Giả thuyết Hình học hóa hay chưa nhằm mục đích vấn đáp câu hỏi về hình dáng vũ trụ có lẽ rằng còn phải chờ thêm một thời hạn nữa. Do đó, vũ trụ có hình hyperbol vẫn là một đáp án còn bỏ ngõ !Perelman trình diễn cách chứng tỏ giả thuyết Poincaré tại giảng đường Weaver Hall, ĐH Thành Phố New York vào tháng 4/2003 ( Ảnh : Frances M. Roberts )

Chúng ta không thể chắc chắn rằng vũ trụ mà chúng ta sinh sống có hình cầu hay hyperbol bởi vì nếu xét trên 1 phần nhỏ của không gian này thì không gian được xét đến gần như là phẳng. Đó cũng là nguyên nhân khiến con người trước kia cho rằng Trái Đất phẳng.

Bài viết được dịch từ những nguồn :

Quantamagazine, sách Giả thuyết Poincaré – Cuộc tìm kiếm hình dạng vũ trụ, Space

Source: https://mix166.vn
Category: Công Nghệ