1.5: Độ căng quyết định vận tốc ánh sáng

Trang chủ ／ Chương 1: Lý thuyết Sợi Năng lượng

Ánh sáng là một gói nhiễu loạn truyền đi trong “biển năng lượng”. Giới hạn tốc độ của nó không phải một con số bất biến ở mọi nơi trong vũ trụ; giới hạn ấy do độ căng của môi trường tại chỗ và tại thời điểm đó đặt ra. Độ căng càng cao thì ngưỡng truyền lan cục bộ càng lớn; độ căng càng thấp thì ngưỡng càng nhỏ. Tổng thời gian đi của ánh sáng vì thế bị “viết lại” theo cách độ căng phân bố dọc theo đường đi.

Trong phòng thí nghiệm, khi đo bằng thước và đồng hồ cục bộ, chính các chuẩn này cũng cùng tỉ lệ với môi trường xung quanh. Vì vậy số đo thu được gần như không đổi; ta gọi đó là tốc độ ánh sáng đo được.

Hai nhận định vẫn thống nhất với nhau: ngưỡng cục bộ của tốc độ ánh sáng biến thiên theo độ căng, còn giá trị đo được giữ ổn định trong những thí nghiệm đủ cục bộ.

Hình dung trực quan

• Trên cùng một mặt trống, căng hơn thì tiếng vọng truyền nhanh hơn.
• Trên cùng một sợi dây, kéo căng hơn thì đỉnh sóng chạy nhanh hơn.
• Trong môi trường “cứng” hơn, âm thanh truyền nhanh hơn.

Trực giác chung: càng căng và lực kéo trở lại càng nhanh ⇒ truyền lan càng nhanh.

I. Vì sao độ căng cao làm truyền lan nhanh hơn (ba ý trực quan)

• Chuyển giao gọn gàng hơn: Khi độ căng cao, môi trường thẳng và căng. Sau một nhiễu loạn, lực phục hồi mạnh và ít do dự, đẩy dịch chuyển sang phần tử kế tiếp nhanh hơn, nên mặt sóng tiến lên mau hơn.
• Ít “rẽ ngang” sang hai bên: Độ căng thấp dễ làm nhiễu loạn phình ra, nhăn nheo và tản năng lượng sang hai phía. Độ căng cao kìm các đường vòng này, gom năng lượng vào hướng lan truyền, tăng hiệu suất.
• Tỷ lệ phục hồi so với kéo chậm tăng lên: Với “lượng vật liệu” như nhau, độ căng cao làm phục hồi mạnh hơn và giảm sự ì trệ. Kết quả tập thể là tốc độ lớn hơn.

Gói gọn một dòng: độ căng cao = phục hồi mạnh + chậm trễ ít + lệch ngang ít ⇒ truyền lan nhanh.

II. Bất biến ở cục bộ, khả biến giữa các vùng (phù hợp với thuyết tương đối)

• Nhất quán cục bộ: Ở một miền đủ nhỏ, ai đo bằng thước và đồng hồ cục bộ cũng đọc cùng một giá trị c, vì chuẩn đo co giãn giống hệt với môi trường.
• Biến thiên theo đường đi: Khi tín hiệu băng qua các vùng có độ căng khác nhau, ngưỡng cục bộ có thể thay đổi từ tốn theo môi trường. Ta chỉ yêu cầu tín hiệu không đạt tới cũng không vượt quá ngưỡng địa phương ở bất kỳ đâu; điều đổi thay là bản thân ngưỡng, chứ không phải tín hiệu “chạy nhanh hơn ngưỡng”.
• Vì sao gần trường hấp dẫn mạnh vẫn trễ dương: Gần thiên thể khối lượng lớn, độ căng cao hơn nên ngưỡng địa phương lớn hơn; tuy nhiên quang lộ bị bẻ cong và kéo dài mạnh hơn nữa. “Đường vòng dài hơn” làm chậm nhiều hơn mức “ngưỡng cao hơn” làm nhanh, nên tổng thời gian vẫn tăng — khớp với hiện tượng trễ hấp dẫn quan sát được.

III. Vì sao trong phòng thí nghiệm luôn thu được cùng một c

• Thước và đồng hồ không “đứng ngoài” hệ: Chúng là vật chất cục bộ. Khi độ căng môi trường đổi, mức năng lượng nguyên tử, tần số riêng và đáp ứng vật liệu cũng tái chuẩn.
• Đo bằng công cụ cùng tỉ lệ với môi trường: Với các chuẩn như vậy, cùng một ngưỡng địa phương luôn hiện ra cùng một con số.
• Suy ra: ngưỡng vật lý cục bộ có thể thay đổi, còn giá trị đo được vẫn giữ nguyên — ngưỡng là “trần” vật lý, số đo là đọc số cục bộ.

IV. Sự đồng đều hóa nhanh trong vũ trụ sơ khai

Ý chính: Thuở ban đầu, độ căng nền cực cao; “biển năng lượng” bị kéo căng khác thường. Ngưỡng truyền lan địa phương vì vậy rất lớn. Nhiễu loạn thông tin và năng lượng có thể vượt khoảng cách khổng lồ trong thời gian rất ngắn, nhanh chóng san phẳng chênh lệch nhiệt độ và thế năng, tạo nên tính đồng đều quy mô lớn như ta thấy hôm nay.

• Vì sao không cần “lạm phát không gian”: Mô hình chuẩn giả định bản thân không gian phình to cực nhanh để giải thích vì sao các vùng xa từng liên hệ với nhau. Ở đây, một cơ chế mang tính vật chất là đủ: độ căng cao ⇒ ngưỡng cao ⇒ liên thông nhiễu loạn rất nhanh, không cần một pha lạm phát riêng (xem Mục 8.3).
• Phân biệt với các “hiện tượng âm học” về sau: Ở thời kỳ plasma tiếp theo, nền độ căng vẫn tương đối cao, nhưng liên kết mạnh và tán xạ lặp lại làm vận tốc hành trình hiệu dụng của sóng âm tập thể thấp hơn ngưỡng địa phương. Thời kỳ đó in dấu các “khoảng cách ưa thích” trong cấu trúc, song không làm thay đổi kết luận rằng chỉ riêng độ căng ban đầu rất cao đã đủ để đồng đều hóa nhanh mà không cần lạm phát.

V. Gợi ý quan sát và so sánh (cho độc giả phổ thông)

• Ưu tiên các tỷ số không thứ nguyên: Khi so sánh những vùng rất xa, nên dùng các tỷ số như tỷ số tần số của các vạch phổ đồng nguồn, tỷ số hình dạng đường cong sáng, hoặc tỷ số trễ giữa nhiều ảnh do thấu kính hấp dẫn; như vậy tránh nhầm lẫn “chuẩn đo cùng trôi” với thay đổi thật sự của các hằng số.
• Tìm mẫu “lệch chung + tỷ số ổn định”: Trong thấu kính mạnh hay các hướng nhìn cực đoan, nếu tỷ số trễ giữa các ảnh hay sứ giả giữ ổn định nhưng thời gian tuyệt đối cùng bị lệch một lượng như nhau, dấu hiệu đó phù hợp hơn với “ngưỡng địa phương do độ căng + hình học quỹ đạo” thay vì trễ tại nguồn hay tán sắc phụ thuộc tần số.
• Đường đi càng dài càng nhạy: Gần Trái Đất, nơi độ căng khá đồng đều, đo lặp lại sẽ luôn ra cùng một giá trị. Những đường truyền vượt quãng rất xa hoặc đi qua môi trường cực đoan dễ bộc lộ khác biệt hơn.

VI. Tóm lại

• Trần cục bộ do độ căng quyết định: căng hơn ⇒ nhanh hơn; trùng hơn ⇒ chậm hơn. Giá trị đo được do công cụ cục bộ quyết định: trong miền đủ nhỏ, luôn nhận c.
• Trần do thế năng đặt ra, đồng hồ do hình học quyết định: ngưỡng đến từ độ căng địa phương; tổng thời gian đến từ phân bố độ căng và hình dạng đường đi.
• Không mâu thuẫn với thuyết tương đối: trong lát cục bộ đủ nhỏ, ngưỡng là như nhau cho mọi quan sát; khác biệt chỉ tích lũy khi đi qua các vùng.
• Ở vũ trụ sơ khai: độ căng cực cao cho phép các nhiễu loạn liên thông gần như tức thời, nhờ đó đồng đều hóa nhanh mà không cần một pha lạm phát (xem Mục 8.3).