Nghiên cứu mới phủ nhận vật chất tối và năng lượng tối: Có thể mơ giải Nobel Vật lý 2026

4 giờ trướcBài gốc

Trong nhiều năm qua, giới khoa học tin rằng vật chất tối và năng lượng tối chiếm phần lớn cấu trúc của vũ trụ. Tuy nhiên, một công trình nghiên cứu mới đây đã thách thức giả thuyết này, cho rằng hai yếu tố bí ẩn ấy có thể… không hề tồn tại. Thay vào đó, những hiện tượng mà con người cho là “vật chất tối” và “năng lượng tối” có thể chỉ là hệ quả của việc các lực cơ bản - như lực hấp dẫn - dần suy yếu khi vũ trụ giãn nở và "lão hóa".

Khi các lực của tự nhiên yếu dần theo thời gian

Công trình này do Giáo sư Rajendra Gupta, giảng viên kiêm nhiệm tại Khoa Vật lý, Đại học Ottawa (Canada) chủ trì. Ông cho rằng nếu “độ mạnh” của các lực tự nhiên thay đổi chậm chạp theo không gian và thời gian, thì chính điều đó có thể giải thích nhiều hiện tượng gây bối rối lâu nay trong thiên văn học - như cách các thiên hà quay, tiến hóa, hay lý do vì sao vũ trụ vẫn tiếp tục giãn nở.

Giáo sư Rajendra Gupta nêu giả thuyết chấn động

Giáo sư Gupta giải thích: “Lực trung bình của vũ trụ thực ra yếu dần khi nó giãn nở. Sự suy yếu này khiến ta tưởng rằng có một lực bí ẩn nào đó đang đẩy vũ trụ giãn nở nhanh hơn (mà ta gọi là năng lượng tối). Tuy nhiên, trong các thiên hà và cụm thiên hà, sự biến thiên của các lực trong không gian chịu ảnh hưởng của hấp dẫn có thể tạo ra hiệu ứng hấp dẫn dư - hiện tượng lâu nay được cho là do vật chất tối gây ra. Thực chất, theo nghiên cứu mới, đó có thể chỉ là ảo ảnh, một hệ quả tất yếu của việc các hằng số vật lý thay đổi theo thời gian.

Ông giải thích: “Có hai hiện tượng khác nhau mà trước đây khoa học phải dùng đến khái niệm vật chất tối và năng lượng tối để lý giải.

Thứ nhất, ở quy mô vũ trụ học - tức những không gian lớn hơn 600 triệu năm ánh sáng - vũ trụ được giả định là đồng nhất và không có hướng ưu tiên. Thứ hai, ở quy mô thiên văn học nhỏ hơn, vũ trụ lại rất 'không đều', nơi thì đặc, nơi thì rỗng.

Trong mô hình chuẩn, hai hiện tượng này cần hai bộ phương trình riêng biệt để giải thích - một cho vật chất tối, một cho năng lượng tối. Nhưng trong mô hình mới của chúng tôi, chỉ cần một phương trình duy nhất, và không cần giả định rằng vật chất tối hay năng lượng tối thực sự tồn tại".

Ông nói thêm: “Điều thú vị là cách tiếp cận này vẫn có thể giải thích hầu hết các quan sát thiên văn, từ chuyển động quay của thiên hà, sự kết cụm giữa chúng, cho đến hiện tượng bẻ cong ánh sáng khi đi qua vật thể có khối lượng lớn - mà không cần giả định có "thứ gì đó ẩn nấp đâu đó trong không gian". Tất cả chỉ là hệ quả tự nhiên của việc các hằng số cơ bản trong vũ trụ thay đổi theo thời gian, khi vũ trụ ngày càng trở nên ‘lổn nhổn’ và phức tạp hơn".

Mô hình mới ở quy mô thiên văn

Năm ngoái, Giáo sư Gupta đã từng công bố nghiên cứu thách thức sự tồn tại của vật chất tối ở quy mô vũ trụ học. Trong công trình mới này, được mở rộng sang quy mô thiên văn học, ông tiếp tục đặt nghi vấn với các mô hình lý thuyết hiện nay - vốn được dùng để mô tả đường cong quay của các thiên hà.

Trong mô hình mới, một biến số gọi là α được đưa vào, đại diện cho sự thay đổi của các “hằng số ghép nối” - những đại lượng mô tả cách các lực cơ bản tương tác. Hiệu ứng của α khiến phương trình hấp dẫn có thêm một thành phần phụ, tạo ra những tác động tương tự như cái mà giới thiên văn gán cho vật chất tối và năng lượng tối.

Vật chất tối dùng để giải thích chuyển động nhanh không thể giải thích của các sao ở xa trung tâm thiên hà.

Ở quy mô vũ trụ học, α có thể xem là hằng số (được xác định bằng dữ liệu quan sát như siêu tân tinh). Nhưng ở quy mô nhỏ hơn - trong phạm vi một thiên hà - do phân bố của vật chất thông thường (hố đen, sao, hành tinh, khí, bụi...) thay đổi rất mạnh, nên α cũng biến đổi theo, khiến hiệu ứng hấp dẫn phụ thuộc vào mật độ của vật chất xung quanh. Theo lý thuyết này, nơi nào mật độ vật chất thông thường cao thì hiệu ứng hấp dẫn dư yếu hơn và ngược lại.

Như vậy, thay vì phải thêm “vầng vật chất tối” bao quanh thiên hà để lý giải vì sao các ngôi sao ở rìa vẫn quay nhanh như ở trung tâm, mô hình của Gupta cho rằng chính α tạo ra hiệu ứng đó. Nó tái hiện chính xác các “đường cong quay phẳng” mà các nhà thiên văn đã quan sát - nghĩa là các sao ở rìa thiên hà không hề chậm lại như dự đoán theo định luật hấp dẫn cổ điển.

Hệ quả và tác động tới ngành thiên văn

Giáo sư Gupta tin rằng ý tưởng này có thể giải quyết nhiều bí ẩn lớn của vũ trụ học hiện đại. Ông nói: “Trong nhiều năm, chúng ta đã phải vật lộn để lý giải tại sao các thiên hà thời sơ khai lại hình thành quá nhanh và có khối lượng quá lớn. Với mô hình của chúng tôi, không cần giả định hạt kỳ lạ nào hay phá vỡ các quy luật vật lý. Đơn giản là dòng thời gian của vũ trụ được ‘kéo giãn’ ra, gần như tăng gấp đôi so với ước tính hiện nay - điều này cho phép mọi cấu trúc phức tạp như thiên hà hay hố đen có đủ thời gian để hình thành”.

Trên thực tế, việc “kéo giãn thời gian” này khiến quá trình hình thành sao và thiên hà trở nên hợp lý hơn nhiều, giúp giải thích tại sao các cấu trúc khổng lồ có thể đã xuất hiện sớm đến vậy trong lịch sử vũ trụ.

Năng lượng tối dùng để giải thích vũ trụ giãn nở tốc độ nhanh hơn cả vận tốc ánh sáng

Nếu giả thuyết của Giáo sư Gupta được xác nhận, nó có thể thay đổi hoàn toàn cách nhân loại hiểu về vũ trụ. Nó thậm chí còn gợi ý rằng việc tìm kiếm các hạt vật chất tối – thứ mà giới khoa học đã tiêu tốn hàng thập niên và hàng tỉ USD để săn lùng – có thể… là không cần thiết. Do vậy, nếu Gupta có thể chứng minh được giả thuyết của mình trong thời gian tới thì ông rất dễ ăn giải Nobel Vật lý 2026.

Gupta nói thêm: “Ngay cả khi những hạt kỳ lạ đó thực sự được tìm thấy. Chúng cũng chỉ chiếm khoảng sáu lần khối lượng của vật chất thông thường mà thôi” và kết luận: “Đôi khi lời giải đơn giản nhất lại là lời giải đúng nhất. Có thể những bí mật lớn nhất của vũ trụ chỉ là những ‘ảo ảnh’ do các hằng số của tự nhiên đang từ từ thay đổi mà chúng ta chưa nhận ra”.

Tìm hiểu biến số α, mấu chốt trong lý thuyết của Gupta

Biến số α là điểm then chốt trong mô hình của Giáo sư Rajendra Gupta. Do vậy, nếu hiểu rõ biến số α thì sẽ thấy được toàn bộ ý tưởng của ông sáng rõ hơn. Ai cũng biết trong vật lý, “α” (chữ Hy Lạp an-pha) thường dùng để biểu thị một hằng số ghép nối (coupling constant) - nghĩa là đại lượng mô tả độ mạnh của một lực cơ bản trong tự nhiên.

Ví dụ: Trong điện từ học, có hằng số cấu trúc mịn (fine-structure constant), ký hiệu là α ≈ 1/137, thể hiện độ mạnh của tương tác giữa ánh sáng (photon) và điện tích. Trong hấp dẫn học, các phương trình Einstein cũng có hằng số mô tả “độ mạnh” của trọng lực, mà ta quen gọi là hằng số hấp dẫn G.

Tuy nhiên, trong mô hình của Gupta, α không phải là một hằng số cố định mà là biến số có thể thay đổi theo thời gian và không gian – nghĩa là nó “tiến hóa” cùng với vũ trụ. Khi vũ trụ giãn nở và già đi, α sẽ dần thay đổi giá trị, kéo theo sự thay đổi nhỏ trong độ mạnh của các lực cơ bản.

Câu hỏi đặt ra là vì sao việc α thay đổi lại quan trọng đến thế? Trong các lý thuyết vật lý hiện nay, người ta luôn giả định các hằng số cơ bản là cố định. Nhưng nếu giả định ấy sai – nghĩa là các hằng số này có thể yếu đi hoặc mạnh lên theo thời gian – thì rất nhiều hiện tượng bí ẩn trong vũ trụ sẽ có thể được giải thích mà không cần viện đến vật chất tối hay năng lượng tối.

Khi α thay đổi theo không gian, vùng nào có nhiều vật chất (sao, hành tinh, khí, bụi, hố đen...) thì α sẽ nhỏ hơn lực hấp dẫn yếu đi một chút. Còn ở những vùng thưa vật chất, α lớn hơn hiệu ứng hấp dẫn dường như mạnh hơn.

Hệ quả: Ở rìa các thiên hà, nơi vật chất thưa thớt, α lớn hơn sao ở rìa quay nhanh hơn dự kiến, giống như thể có “vật chất tối” đang tăng thêm lực hấp dẫn. Ở quy mô toàn vũ trụ, khi α trung bình giảm dần theo thời gian, vũ trụ trông như đang bị đẩy giãn nở nhanh hơn, đúng với những gì người ta gán cho “năng lượng tối”. Nói cách khác, α là biến số mới thay thế cho vai trò của vật chất tối và năng lượng tối trong các phương trình mô tả vũ trụ.

Vậy α hoạt động ra sao trong thực tế tính toán? Gupta đưa α vào phương trình trường hấp dẫn (gravitational field equations). Trong các phương trình ấy, α đóng vai trò như một thành phần phụ (extra term), tạo ra một hiệu ứng bổ sung vào lực hấp dẫn cổ điển của Newton hay thuyết tương đối của Einstein.

Ở quy mô vũ trụ học, α được xem gần như một hằng số toàn cục, vì ở tầm hàng trăm triệu năm ánh sáng, mọi thứ trung bình khá đồng nhất. Nhưng ở quy mô thiên hà, α thay đổi cục bộ tùy theo mật độ vật chất tạo ra các “biến động hấp dẫn” mô phỏng y như hiện tượng vật chất tối.

Vì vậy, thay vì thêm hàng tấn hạt tối vô hình vào mô hình, Gupta chỉ cần cho phép α “thở” một chút - tức biến đổi nhẹ - là đủ tái hiện toàn bộ các quan sát về chuyển động thiên hà, cụm sao, ánh sáng bị bẻ cong…

Để dễ hình dung, hãy tưởng tượng vũ trụ là một tấm cao su khổng lồ, các lực cơ bản giống như độ co giãn của tấm cao su đó. Theo thời gian, cao su giãn ra, mất đàn hồi một chút – tức lực yếu đi. Ở những chỗ có nhiều “khối lượng” đè lên (như sao, hành tinh), cao su căng hơn, đàn hồi kém hơn lực yếu đi cục bộ. Ngược lại, ở chỗ trống trải, tấm cao su ít bị đè, đàn hồi tốt hơn lực dường như mạnh hơn.

Khi đo đạc từ xa, ta tưởng rằng có “một thứ vô hình” đang làm thay đổi trọng lực – nhưng thật ra chỉ là bản thân tấm cao su (tức các hằng số vật lý) đang biến đổi. Biến số α chính là cách định lượng mức độ biến đổi đó.

Bùi Tú

Nguồn Một Thế Giới : https://1thegioi.vn/nghien-cuu-moi-phu-nhan-vat-chat-toi-va-nang-luong-toi-co-the-mo-giai-nobel-vat-ly-2026-238600.html