Liệu hình học không gian có thể thay thế cho trường Higgs?

Các nghiên cứu lý thuyết mới nhất đang mở ra một viễn cảnh chấn động: Hình học của chính không gian có thể đóng vai trò trung tâm trong vật lý hơn chúng ta tưởng. Thay vì chỉ là "phông nền" cho các lực tương tác, cấu trúc không-thời gian có thể chính là thực thể tạo ra các lực và hạt cấu thành nên vũ trụ.

Nghiên cứu này gợi ý rằng các hành vi cơ bản của tự nhiên nảy sinh trực tiếp từ cấu trúc không-thời gian, đưa hình học trở thành nguồn gốc chung của mọi tương tác vật lý.

Chiều không gian ẩn và cấu trúc hình học 7 chiều

Trong một bài báo công bố trên tạp chí Nuclear Physics B, nhà vật lý Richard Pincak và các cộng sự đã xem xét liệu các đặc tính của vật chất và lực có thể xuất hiện từ hình học của những chiều không gian ẩn — những chiều nằm ngoài không gian ba chiều thông thường.

Nhóm nghiên cứu đề xuất rằng vũ trụ bao gồm các chiều bổ sung không thể quan sát trực tiếp. Những chiều này có thể được nén lại và gấp khúc thành các hình dạng bảy chiều phức tạp gọi là đa tạp. Trước đây, các cấu trúc hình học này thường được coi là cố định. Tuy nhiên, nghiên cứu mới này khám phá điều gì sẽ xảy ra khi các hình dạng này tiến hóa theo thời gian thông qua một quy trình toán học gọi là dòng Ricci, giúp thay đổi dần dần hình học nội tại của chúng.

Độ xoắn hình học và cấu trúc bền vững

"Tương tự các hệ thống hữu cơ như cấu trúc xoắn của DNA hay tính thuận nghịch của các axit amin, các cấu trúc đa chiều này có thể sở hữu độ xoắn (torsion) — một dạng xoắn nội tại," Pincak giải thích. Độ xoắn này tạo ra một chuyển động quay tự thân ngay trong cấu trúc hình học.

Khi các nhà nghiên cứu mô phỏng cách những hình dạng xoắn này thay đổi theo thời gian, họ phát hiện ra rằng hình học có thể tự động ổn định thành các trạng thái bền vững gọi là soliton. Những soliton này cung cấp một lời giải thích thuần túy bằng hình học cho các hiện tượng vật lý phức tạp, chẳng hạn như sự phá vỡ đối xứng tự phát.

Tư duy lại về nguồn gốc khối lượng

Trong Mô hình Chuẩn của vật lý hạt, khối lượng sinh ra thông qua tương tác với trường Higgs — thứ tạo ra trọng lượng cho các hạt như boson W và Z. Tuy nhiên, lý thuyết mới này đề xuất một khả năng khác: Thay vì dựa vào một trường tách biệt, khối lượng có thể là kết quả của độ xoắn ngay trong hình học đa chiều.

"Trong mô hình của chúng tôi," Pincak nói, "vật chất nảy sinh từ lực cản của chính hình học, chứ không phải từ một trường bên ngoài." Theo quan điểm này, khối lượng phản ánh cách không-thời gian phản ứng với cấu trúc nội tại của chính nó, thay vì chịu ảnh hưởng từ một thành phần vật lý bổ sung.

Sự giãn nở của vũ trụ và hạt cơ bản mới "Torstone"

Các nhà nghiên cứu cũng kết nối độ xoắn hình học với độ cong của không-thời gian trên quy mô lớn. Mối liên hệ này có thể giúp giải thích hằng số vũ trụ dương, thứ liên quan đến sự giãn nở gia tốc của vũ trụ.

Bên cạnh những hệ quả về vũ trụ học, nhóm nghiên cứu còn suy đoán về sự tồn tại của một hạt cơ bản chưa từng được biết đến gắn liền với độ xoắn, mà họ gọi là hạt "Torstone". Nếu hạt này thực sự tồn tại, nó có thể được phát hiện trong các thí nghiệm vật lý hạt trong tương lai.

Mở rộng tầm hình cơ học của Einstein

Tham vọng lớn hơn của công trình này là đẩy tầm nhìn của Albert Einstein đi xa hơn. Nếu trọng lực nảy sinh từ hình học, liệu tất cả các lực cơ bản khác có chung một nguồn gốc?

Như Pincak đã đúc kết: "Tự nhiên thường ưu tiên những giải pháp đơn giản. Có lẽ khối lượng của các hạt boson W và Z không đến từ trường Higgs nổi tiếng, mà đến trực tiếp từ hình học của không gian bảy chiều."