Vũ Trụ Giãn Nở — Vì sao các Thiên hà Chạy Xa Ta

Năm 1929 Edwin Hubble hướng kính viễn vọng vào các thiên hà xa và nhận thấy hai điều: ánh sáng của chúng bị dịch đỏ (kéo dài thành bước sóng dài hơn), và càng xa thiên hà, dịch đỏ càng lớn. Đọc thành vận tốc, điều này nói mọi thiên hà xa đang lao đi xa khỏi ta, nhanh hơn khi càng xa — Định luật Hubble: $v = H_{0} d$ , với $H_{0} \approx 70$ km/s mỗi megaparsec. Năm 1998 hai nhóm độc lập đo các siêu tân tinh loại Ia phát hiện điều còn lạ hơn: sự thoái lui đang tăng tốc, không chậm lại như hấp dẫn nên làm.

Vũ trụ học tiêu chuẩn gọi đây là sự giãn nở của vũ trụ, nói "chính không gian đang co giãn" (metric FLRW trong Tương đối Tổng quát), và vá sự tăng tốc bằng cách chèn một hằng số vũ trụ

Λ

vào phương trình Einstein — được đổi tên thành năng lượng tối từ 1998.

Λ

được khớp với dữ liệu, không được dẫn xuất từ bất kỳ cơ chế nền tảng nào.

Hai câu hỏi mở khổng lồ còn lại trong câu chuyện tiêu chuẩn:

Cái gì đang làm sự co giãn? "Không gian" trong vật lý tiêu chuẩn là một hệ toạ độ thụ động; các hệ toạ độ không tự co giãn. Cái gì đó phải mang sự co giãn — nhưng mô hình tiêu chuẩn không trao cho cái đó cơ chế, chỉ một nhãn ( $Λ$ ).
Vì sao giãn nở đang tăng tốc? Cần một lực để vượt qua sự giảm tốc hấp dẫn. Mô hình tiêu chuẩn phát minh ra "năng lượng tối" — ~68% nội dung khối lượng-năng lượng của vũ trụ, không có nguồn gốc vi mô được phát hiện và không có dự đoán có thể kiểm chứng nào ngoài tốc độ nó đã được đo.

Cái Thuyết Thái Cực Vạn Vật nói đang xảy ra

Sợi dây thời gian vẫn đang chia tách. Cái Một ban đầu chia thành hai, hai chia thành bốn, bốn chia thành tám, và cứ thế (xem Chia tách — Một thành Nhiều). Quá trình không dừng ở quy mô vũ trụ ta hiện quan sát — nó vẫn đang tiếp diễn, ngay bây giờ, ở khắp mọi nơi. Mỗi khoảng thời gian Planck, lớp phủ có thêm một chút diện tích khi các cặp cực mới được sinh ra dọc rìa của nó. Tích luỹ qua 13.8 tỷ năm, sự tăng trưởng hình học này chính xác là sự giãn nở vũ trụ Hubble đã đo.

Định luật Hubble là dấu vân tay trực tiếp của sự chia tách đang tiếp diễn. Hai thiên hà càng xa nhau, càng nhiều đơn vị chia tách nằm giữa chúng, nên càng nhiều diện tích lớp phủ mới được tạo mỗi giây giữa chúng — và chúng càng xuất hiện thoái lui nhanh hơn. Tỷ lệ

v = H_{0} d

rơi thẳng ra từ "mọi mảng lớp phủ chia tách ở cùng tốc độ".

Không có "sự co giãn không gian" như một lực riêng biệt. Chỉ có lớp phủ đang lớn lên — và cái ta gọi là "không gian" là hình chiếu Càn của lớp phủ đó. Khi lớp phủ có thêm diện tích, hình chiếu trông lớn hơn từ bên trong. Các thiên hà không di chuyển qua không gian; chính không gian đang có thêm diện tích giữa chúng, bằng sự chia tách, ở mỗi khoảnh khắc.

Vì sao ánh sáng xa bị dịch đỏ

Một photon phát ra bởi một thiên hà xa đi dọc lớp phủ về phía ta. Trong khi nó đang trên đường, các cặp cực mới đang được tạo bên dưới nó trên chính rìa mà nó cưỡi. Mẫu lật của photon, ban đầu được vẽ trên một diện tích lớp phủ nhỏ hơn, giờ trải trên một diện tích lớn hơn vào lúc nó đến — bước sóng của nó đã bị kéo dài tỷ lệ với lượng diện tích mới được tạo ra trong cuộc hành trình. Ta đo sự kéo dài đó là dịch đỏ.

Dịch đỏ do đó không phải hiệu ứng Doppler. Các thiên hà không di chuyển ra xa qua không gian đã tồn tại sẵn và dịch ánh sáng của chúng bằng công thức vận tốc tương đối. Chúng đang ngồi yên trên lớp phủ trong khi lớp phủ tự tăng diện tích giữa chúng và ta — và photon, sinh trên lớp phủ nhỏ hơn và đọc trên lớp phủ lớn hơn, ra ngoài bị dịch đỏ vũ trụ học. Sự phân biệt quan trọng: cách diễn giải "vận tốc" tiêu chuẩn phá vỡ ở $z ≳ 1$ vì không có thiên hà thực nào có thể đi nhanh hơn $c$ , nhưng dịch đỏ vũ trụ học $z = 10$ và xa hơn được quan sát thường xuyên. Thuyết Thái Cực Vạn Vật không có rắc rối như vậy — lớp phủ có thể chia tách nhanh tuỳ ý mà không có gì di chuyển qua bất cứ gì.

Dịch đỏ = diện-tích-mới-tích-luỹ trên đơn vị khoảng cách. Hằng số Hubble

H_{0}

là, theo ngôn ngữ Thuyết Thái Cực Vạn Vật, tốc độ mà lớp phủ tăng diện tích trên đơn vị diện tích hiện hữu trên đơn vị thời gian — một thuộc tính hình học thực của sợi dây thời gian, không phải một tham số tự do.

Vì sao không có rìa và không có tâm

Nếu mọi thiên hà xa đang lao đi xa khỏi ta, ta có phải ở trung tâm vũ trụ không? Không. Sự chia tách xảy ra ở khắp nơi trên lớp phủ cùng lúc. Từ góc nhìn của một người quan sát ở bất kỳ thiên hà nào, mọi thiên hà khác trông như đang lao đi xa — vì diện tích lớp phủ giữa bất kỳ hai điểm nào đang lớn lên. Không có trung tâm ưu tiên; mọi vị trí đều thấy cùng sự thoái lui Định-luật-Hubble từ chính nó. Ta thấy mình ở trung tâm vì mọi người quan sát trong vũ trụ đều thấy mình ở trung tâm.

Tương tự không có "rìa" của vũ trụ để đụng vào. Lớp phủ, về mặt hình học, là một bề mặt khép kín lớn lên bằng cách chia tách nội tại — không phải bằng cách mở rộng vào một khoảng trống ngoài. Vũ trụ học tiêu chuẩn có khó khăn giải thích "bên ngoài" vũ trụ có thể có nghĩa gì; Thuyết Thái Cực Vạn Vật không cần một bên ngoài, vì sợi dây thời gian là vũ trụ và không có "không gian ngoài" vượt qua rìa của nó.

Vì sao sự giãn nở đang tăng tốc

Vũ trụ học tiêu chuẩn không có giải thích nội tại cho sự tăng tốc. Không có năng lượng tối sự giãn nở nên chậm lại (lực hút hấp dẫn giữa vật chất kéo nó lại); sự tăng tốc được quan sát phải được cung cấp bằng cách thêm $Λ$ bằng tay. Thuyết Thái Cực Vạn Vật dự đoán sự tăng tốc một cách trực tiếp, không có tham số tự do:

Diện tích lớp phủ nhiều hơn ⇒ nhiều node hơn mỗi lát. Khi lớp phủ chia tách, mọi diện tích hiện hữu tạo ra các cặp-node mới ở mọi lát (Càn và bảy lát không-Càn). Tổng số node tăng khi diện tích lớp phủ tăng.
Nhiều node hơn ở các lát không-Càn ⇒ nhiều áp suất ra ngoài hơn. Như được mô tả trong Khoảng Không Cũng Là Node Thái Cực, bảy lát không-Càn đóng góp một áp suất ra ngoài đều trên hình chiếu Càn — cái ta đo thành năng lượng tối. Kích thước áp suất đó tỷ lệ với số node không-Càn mỗi Càn-diện tích.
Sự chia tách thêm các node không-Càn nhanh hơn lực kéo hấp dẫn có thể kéo lại. Sự đẩy ra ngoài của bảy lát tăng theo tổng diện tích lớp phủ (mà bản thân đang tăng). Kết quả: sự giãn nở tăng tốc tự nó — không cần tham số năng lượng tối thêm, chỉ cần hình học của sự chia tách.

Năng lượng tối không phải một chất. Đó là tên ta đặt cho áp suất ra ngoài tích luỹ của bảy lát không-Càn trên hình chiếu Càn — và áp suất đó tăng vì lớp phủ vẫn đang chia tách, thêm các node không-Càn mới tỷ lệ với diện tích. Sự giãn nở đang tăng tốc là hệ quả hình học của sự chia tách đang tiếp diễn, không phải một lực thêm được giả định.

Vì sao các thiên hà gần vẫn hút nhau trong khi các thiên hà xa thoái lui

Tiên Nữ đang tiến đến ta với ~110 km/s và sẽ va chạm với Dải Ngân Hà trong ~4.5 tỷ năm — mặc dù Định luật Hubble cũng áp dụng cho nó. Vì sao? Vì ở khoảng cách đủ nhỏ, khớp pha hấp dẫn giữa các cụm khớp pha thắng sự lớn lên của lớp phủ giữa chúng. Hai hiệu ứng luôn cùng tồn tại:

Sự lớn lên của lớp phủ (ở khắp nơi): thêm diện tích mới giữa mọi cặp điểm tỷ lệ với khoảng cách $d$ của chúng — kéo chúng ra với tốc độ $H_{0} d$ .
Lực hút khớp pha (giữa các cụm bị giới hạn): kéo chúng lại với cường độ phụ thuộc vào khối lượng của chúng và suy giảm như $1/ d^{2}$ .

Dưới một khoảng cách tới hạn (trong Nhóm Địa phương, Siêu cụm Địa phương, bất cứ gì bị giới hạn hấp dẫn), khớp pha chiếm ưu thế và cụm giữ với nhau — Tiên Nữ và Dải Ngân Hà sẽ hợp nhất. Trên khoảng cách đó, sự lớn lên của lớp phủ chiếm ưu thế và sự thoái lui thắng — các cụm thiên hà xa đang bị mang đi xa khỏi ta chậm rãi với $H_{0} d$ . Cả hai hiệu ứng tác động ở khắp mọi nơi; chỉ cán cân thay đổi theo khoảng cách.

Phản ứng hợp hạch tại các sao như liên kết Node Thái Cực — phanh hãm cục bộ thứ ba của sự giãn nở

Sự lớn lên của lớp phủ (chia tách) và lực hút khớp pha không phải hai lực duy nhất định hình sự giãn nở vũ trụ. Có một cơ chế thứ ba, cụ thể hơn, chạy liên tục bên trong mỗi ngôi sao trong vũ trụ: phản ứng hợp hạch, mà trong Thuyết Thái Cực Vạn Vật là theo nghĩa đen sự rèn các liên kết Node Thái Cực mới. Mỗi sự kiện hợp hạch trong lõi sao là nghịch đảo của chia tách — các node tách rời khoá-pha lại với nhau thành một mẫu đồng pha chặt và mạch lạc hơn — và trên $\sim 1 0^{22}$ ngôi sao trong vũ trụ quan sát được, hiệu ứng tích luỹ là một phanh hãm thực, đo được, trừ vào sự lớn lên diện tích tự do của lớp phủ.

Cơ chế theo ngôn ngữ SPT. Một lõi sao là môi trường đồng-pha, đồng-xoay cực đoan — hàng tỷ cụm-node (hạt nhân nguyên tử) bị nén lại với nhau, tất cả xoay xấp xỉ đồng pha, tất cả lật mạch lạc ở tần số rất cao (đó là lý do lõi nóng, đặc, và sáng). Khi hai hạt nhân nhẹ (bản thân là các cụm node nhỏ đã khoá pha) được đẩy đủ gần để trục xoay khoá nhau và mẫu lật đồng bộ, chúng hợp nhất thành một cụm khoá-pha lớn hơn. Đây là hợp hạch. Hai proton + hai neutron (4 cụm khoá-pha tách rời) trở thành một hạt nhân helium-4 (1 cụm khoá-pha sâu hơn). Số node thuần tham gia lật-xoay độc lập giảm đi 3.

Vì sao điều này làm chậm giãn nở. Nhớ rằng sự lớn lên của lớp phủ (động cơ của thoái lui Hubble) xảy ra vì mọi mảng lớp phủ tự do, đang lật đồng pha, sinh các cặp cực mới tỷ lệ với diện tích của nó. Một vùng có các node bị khoá pha nặng vào một cụm bị bó sâu duy nhất hành xử như một node theo góc nhìn đếm-chia-tách của lớp phủ, không phải như nhiều. Một cụm đã khoá không thể chia tách tự do vùng bị bó của nó — lực kéo đồng pha giữ nó lại ức chế sự sinh ra các cặp cực mới bên trong thể tích liên kết. Vì thế mỗi liên kết Node Thái Cực mới được rèn bên trong một ngôi sao theo nghĩa cục bộ chuyển lớp phủ giãn nở tự do thành lớp phủ bị khoá, không giãn nở. Năng lượng giải phóng (luồng photon, cái ta thấy là ánh sao) chính xác là năng lượng-xoay được giải phóng khi nhiều mẫu lật-xoay độc lập sụp xuống một mẫu mạch lạc duy nhất — $E = m c^{2}$ của Einstein dưới dạng hình học.

Vì sao hiệu ứng nhỏ nhưng có thực. Một sự kiện hợp hạch đơn lẻ chỉ loại bỏ vài bậc tự do cặp-cực khỏi một mảng nhỏ của lớp phủ. So với khối lượng lớn của lớp phủ liên thiên hà tự do đang chia tách ở khắp nơi, đây là một hiệu chỉnh biên. Nhưng tích hợp trên $\sim 1 0^{22}$ sao × $\sim 1 0^{38}$ sự kiện hợp hạch mỗi giây mỗi sao × $\sim 1 0^{17}$ giây của lịch sử vũ trụ, tổng số liên kết Node Thái Cực bị khoá là khổng lồ. Kết quả: tổng hợp hạt nhân sao đã liên tục giảm tốc tốc độ giãn nở cục bộ bên trong mọi vùng hình thành sao trong toàn bộ tuổi của vũ trụ, đối kháng lực đẩy năng lượng tối và bù đắp một phần dòng chảy Hubble ở quy mô cụm thiên hà. Đây là một đóng góp thứ ba cho Hubble Tension chồng lên trên khớp pha thuần: các vùng giàu sao và hợp hạch hoạt động cục bộ đo $H_{0}$ thấp hơn nhẹ so với các vùng trống thực sự.

Các ngôi sao chủ động đảo ngược chia tách. Mỗi phản ứng hợp hạch trong lõi sao là việc rèn một liên kết Node Thái Cực mới — nhiều mẫu lật-xoay độc lập hợp nhất thành một cụm bị bó mạch lạc. Ánh sáng ta nhận từ các sao là năng lượng-xoay được giải phóng của sự hợp nhất đó. Diện tích lớp phủ bị khoá vào cụm bị bó không còn tham gia vào sự giãn nở tự do. Trên

\sim 1 0^{22}

ngôi sao qua

\sim 13.8

tỷ năm, đây là một phanh hãm hình học thực, có thật đối với sự giãn nở vũ trụ — và là một cơ chế đằng sau lý do các phép đo cục bộ

H_{0}

ở các vùng giàu sao đọc thấp hơn một cách hệ thống so với các phép đo quy mô CMB trong các vùng trống phân tán.

Ba phanh hãm cục bộ của sự giãn nở, theo thứ tự độ mạnh: (1) khớp pha hấp dẫn giữa các cụm bị giới hạn (hiệu ứng chiếm ưu thế bên trong các thiên hà và cụm); (2) sự ức chế chia tách gần các vùng đã khoá pha (hiệu ứng thứ cấp, đóng góp cho Hubble Tension); (3) phản ứng hợp hạch đang diễn ra rèn các liên kết Node Thái Cực mới (hiệu ứng thứ ba, tích hợp trên mọi sao). Cả ba đều theo một quy luật hình học: các vùng đã khoá pha kháng cự sự chia tách thêm. Hố đen — vùng đã khoá pha cực đoan nhất — đại diện cho giới hạn tiệm cận của phanh hãm này.

Nếu vũ trụ đang giãn nở, nó có bắt đầu trong một Vụ Nổ Lớn không?

Vũ trụ học tiêu chuẩn chạy sự giãn nở ngược thời gian và đến một khoảnh khắc mật độ vô hạn ~13.8 tỷ năm trước — kỳ dị Vụ Nổ Lớn. Toán học sụp đổ ở đó và các định luật vật lý không còn áp dụng. Thuyết Thái Cực Vạn Vật nói không có kỳ dị như vậy. Sự chia tách đệ quy và không có khởi đầu: 1 → 2 → 4 → 8 → ... chạy về phía trước mãi mãi, nhưng cũng có nghĩa khi đọc nó ngược thành $\dots \to 8 \to 4 \to 2 \to 1$ và không bao giờ thực sự đạt "không". Một luôn là Một, không thể chia, và sự chia tách không phải một sự kiện đã bắt đầu — đó là cái Một luôn làm. Xem Không có Vụ Nổ Lớn — Chỉ là Luỹ thừa của Hai để biết lập luận chi tiết.

Cái ta gọi là bức xạ phông vi sóng vũ trụ — ánh hậu nhiệt mờ ở 2.7 K — là, trong Thuyết Thái Cực Vạn Vật, bức xạ-lật trung bình thời gian dài của lớp phủ trong pha chia tách dày đặc sớm, bị dịch đỏ rất lớn bởi tất cả sự lớn lên diện tích sau đó. Cùng quan sát, không cần kỳ dị.

Các dự đoán mà Thuyết Thái Cực Vạn Vật đưa ra mà vũ trụ học tiêu chuẩn không thể

Căng thẳng Hubble được giải quyết tự nhiên. Các phép đo cục bộ ( $H_{0} \approx 73$ ) và các phép đo dựa trên bức xạ phông vũ trụ ( $H_{0} \approx 67$ ) không khớp ~9%. Thuyết Thái Cực Vạn Vật dự đoán một sự khác biệt hệ thống nhỏ giữa các phép đo cục bộ và cấp vũ trụ vì sự chia tách gần một cụm bị giới hạn hấp dẫn bị ức chế một phần bởi khớp pha — chính xác hướng và bậc độ lớn của sự căng thẳng được quan sát.
Năng lượng tối không hoàn toàn hằng định. Nó theo dõi diện tích lớp phủ nên nên rất chậm lớn lên theo thời gian khi nhiều diện tích được tạo ra hơn. $Λ$ tiêu chuẩn theo định nghĩa là hằng số; Thuyết Thái Cực Vạn Vật dự đoán một sự trôi chậm nhẹ, có khả năng kiểm chứng bởi các khảo sát thế hệ tiếp (Euclid, LSST).
Vật chất tối và năng lượng tối liên kết với nhau. Cả hai đến từ bảy lát không-Càn — vật chất tối từ các cụm cục bộ, năng lượng tối từ phông nền phân tán. Tỷ số của chúng nên theo một quan hệ hình học cố định qua lịch sử vũ trụ, không phải sự tiến hoá độc lập mà $Λ$ CDM tiêu chuẩn giả định. Đã được hỗ trợ một phần bởi sự trùng hợp vũ trụ được quan sát ( $Ω_{m} \sim Ω_{Λ}$ ngày nay).
Không có "kết thúc của vũ trụ". $Λ$ CDM cuối cùng dự đoán một cái chết nhiệt nơi mọi thứ quá xa nhau không có tương tác nào có thể. Thuyết Thái Cực Vạn Vật dự đoán sự chia tách tiếp tục: lớp phủ vẫn có thêm diện tích, nhưng các cấu trúc mới tiếp tục hình thành cục bộ vì khớp pha cũng liên tục. Vũ trụ không bao giờ kết thúc — nó chỉ tiếp tục chia tách.

Bức tranh trong một đoạn

Vũ trụ đang giãn nở vì sợi dây thời gian vẫn đang chia tách. Mỗi thời gian Planck, mỗi mảng của lớp phủ sinh ra các cặp cực mới, ở mọi lát cùng lúc. Diện tích Càn mới giữa các thiên hà xa là cái ta đọc thành sự thoái lui Hubble; diện tích không-Càn mới là cái ta đọc thành áp suất năng lượng tối đang tăng tốc. Không có kỳ dị Vụ Nổ Lớn trong quá khứ, không có rìa của không gian ở hiện tại, và không có cái chết nhiệt trong tương lai — chỉ có Một, không thể chia ở gốc, vĩnh viễn chia tách trên rìa của nó.