3.3 Hiệu ứng thấu kính hấp dẫn: hệ quả tự nhiên của dẫn hướng bởi thế tensor

Trang chủ ／ Chương 3: Vũ trụ vĩ mô

Thuật ngữ
Trong mục này, “lực kéo bổ sung” cần cho thấu kính được quy về hai hiệu ứng của Hạt bất ổn tổng quát (GUP). Trong thời gian tồn tại hữu hạn của chúng, vô số lực kéo nhỏ chồng chất tạo thành một nền kéo bền vững gọi là Trọng lực tensor thống kê (STG). Khi các hạt này phân rã hoặc hủy cặp, chúng bơm năng lượng dải rộng, xuất hiện dưới dạng Nhiễu cục bộ theo tensor (TBN). Từ đây, gọi chung là hạt bất ổn; trong phần thân bài, sau lần nêu đầu tiên, chỉ dùng các tên đầy đủ Trọng lực tensor thống kê và Nhiễu cục bộ theo tensor.

I. Hiện tượng và bế tắc

Ánh sáng từ các nguồn xa bị bẻ cong khi đi qua thiên hà hay cụm thiên hà tiền cảnh, tạo cung, vòng và đa ảnh. Ở quy mô lớn hơn, hàng nghìn thiên hà hậu cảnh bị kéo giãn cùng hướng, hiện ra các hoa văn trượt của thấu kính yếu.

• Thời gian cũng “kéo dài”: Các đường đi khác nhau từ cùng một nguồn có thể chênh nhau từ vài ngày đến vài tuần. Độ trễ này đo được chắc chắn và hầu như không phụ thuộc bước sóng.
• Các chi tiết “khó chịu”: Tỷ số thông lượng thường “lệch chuẩn”, ảnh yên ngựa dễ mờ/biến mất, ảnh trung tâm bị nén hoặc không thấy, và khối lượng thấu kính chênh với khối lượng động lực học theo môi trường. Những điều này gợi ý thấu kính không chỉ đọc vật chất nhìn thấy được mà còn phản hồi cấu trúc của chính môi trường trung gian.

II. Cơ chế vật lý

1. Góc nhìn địa hình: dẫn hướng bởi thế tensor
   Hãy hình dung vũ trụ như một “biển năng lượng” có thể bị kéo căng hay thả lỏng. Cấu trúc tiền cảnh kéo mặt biển lõm vào trong, khắc nên địa hình thế tensor với các lòng chảo và sườn dốc. Ánh sáng là những bó sóng định hướng có xu hướng “tiêu ít thời gian quang học hơn” (nguyên lý Fermat). Khi đi trên địa hình này, mặt sóng bị xoay về phía lòng chảo, đường đi được định tuyến lại, vì vậy xuất hiện bẻ cong, khuếch đại và đa ảnh. Trong chân không và giới hạn quang hình học, sự định tuyến lại gần như không tán sắc; phụ thuộc tần số chỉ rõ khi đường đi xuyên plasma hoặc rơi vào miền quang học sóng (nhiễu xạ/giao thoa).
2. “Sườn dốc cộng thêm” trơn mượt: Trọng lực tensor thống kê
   Ngoài sườn dốc bên trong do vật chất nhìn thấy tạo nên, các lực kéo nhẹ của hạt bất ổn, khi lấy trung bình theo thời gian và dọc đường ngắm, tạo thêm một sườn dốc bền vững:
   • Đủ mạnh để “nâng đỡ”: Cộng với sườn dốc cơ sở làm tiêu điểm thấu kính mạnh hơn, cung dài hơn, vòng đầy đặn hơn.
   • Điều chỉnh theo môi trường: Vùng hợp nhất dày đặc, tia phản lực hoạt động, hoặc trượt vũ trụ mạnh sẽ có “sườn cộng thêm” dày hơn và thấu kính mạnh hơn; vùng yên tĩnh thì yếu hơn.
   • Hiệu ứng tích phân theo đường ngắm: Thấu kính “đọc” toàn bộ địa hình tích hợp dọc đường đi, nên khối lượng thấu kính thường lớn hơn khối lượng suy ra từ chuyển động cục bộ; chênh lệch này rõ hơn theo hướng nhiều cấu trúc quy mô lớn.
3. “Gợn tối” tinh mịn: Nhiễu cục bộ theo tensor
   Khi hạt bất ổn phân rã/hủy, chúng bơm vào môi trường các bó sóng băng rộng, độ kết hợp thấp. Vô số bó sóng chồng lên nhau tạo nên một kết cấu mịn, tán xạ, tác động lên đường sáng như những gợn tối:
   • Nhẹ nhàng “hích” đường đi: Ảnh yên ngựa nhạy nhất, vì thế dễ mờ, méo hoặc biến mất.
   • Phân phối lại thông lượng: Tỷ số sáng tối bị viết lại nhưng hầu như không phụ thuộc dải sóng, phù hợp quan sát đa băng.
   • Ảo giác vi cấu trúc: Kết cấu mịn này không phải là một “đàn vật thể nhỏ” bổ sung, nhưng vẫn để lại vết trên mặt phẳng ảnh giống như “quá nhiều hoặc quá ít cục nhỏ”, tự nhiên lý giải các đếm số vi cấu trúc mâu thuẫn.
4. “Sổ cái” thời gian: hình học + thế
   Chênh lệch thời gian đến giữa các ảnh gồm hai phần: đường đi vòng hơn (thành phần hình học) cộng với “đi chậm hơn” trên sườn dốc (thành phần thế, tương đương thời gian quang học tăng). Cả hai gần như không phụ thuộc tần số, nên độ trễ hầu như không tán sắc. Nếu địa hình biến đổi chậm trong giai đoạn quan sát—cụm dày thêm, khoảng trống hồi phục—thì sẽ tích lũy các trôi dạt cực nhỏ, không tán sắc ở vị trí ảnh hoặc độ trễ.
5. Một bản đồ, ba phép đọc: thấu kính—quay—phân cực
   Thấu kính đọc định tuyến lại trong hai chiều; đường cong quay cho thấy co chặt quỹ đạo ba chiều; phân cực và vân khí vẽ ra các “sống lưng” và “hành lang” trên sườn dốc. Các phép đo này nên đồng vị trí và đồng hướng: nơi sườn dốc sâu hơn, sọc rõ hơn, cả ba chỉ báo phải cùng trỏ về một phía trong không gian.

III. Tiên đoán có thể kiểm chứng và đối soát (áp dụng cho quan sát/khớp mẫu)

• P1 | Tính không tán sắc: Độ bẻ cong và độ trễ thời gian trong thấu kính mạnh/yếu phải đồng hướng và cùng biên độ qua các dải, sau khi loại trừ tán sắc plasma. Nếu thấy phân sắc đáng kể, trước hết quy cho môi trường hoặc hiệu ứng quang học sóng, không phải cho bản thân địa hình.
• P2 | Thiên lệch về ảnh yên ngựa: Bất thường tỷ số thông lượng nên thiên về ảnh yên ngựa và tương quan dương với cường độ kết cấu mịn, có thể dùng phát xạ vô tuyến khuếch tán, trục hợp nhất, hay tiền tuyến xung kích làm đại diện.
• P3 | Liên hệ thấu kính—môi trường: Mức vượt trội của khối lượng thấu kính so với khối lượng động lực học phải đồng biến với κ/φ và độ trượt vũ trụ dọc đường ngắm—dấu hiệu tích phân theo đường của Trọng lực tensor thống kê.
• P4 | Vi trôi đa thời-điểm: Hệ có hợp nhất mạnh hoặc tia phản lực mạnh có thể xuất hiện trôi dạt cực nhỏ ở vị trí ảnh/độ trễ qua thang thời gian năm đến thập kỷ, phù hợp tiến hóa địa hình; xu thế nên đồng hướng với biến thiên chậm của phát xạ vô tuyến khuếch tán.
• P5 | Đối soát đồng bản đồ: Trên cùng trường nhìn, đặt cung/ảnh—đẳng trị κ—phần dư đường cong quay—phát xạ vô tuyến khuếch tán—trục chính phân cực lên một bản đồ; chúng phải đồng vị trí/đồng hướng. Nếu lệch, ưu tiên kiểm tra khử tiền cảnh và đăng ký tọa độ.
• P6 | Khớp tham số tiết kiệm: Dùng mô hình ba lớp—sườn trong do vật chất thấy được + Trọng lực tensor thống kê (sườn cộng thêm) + Nhiễu cục bộ theo tensor (kết cấu mịn)—với số tham số chung ít, để khớp đồng thời vị trí ảnh/hình dạng/khuếch đại/độ trễ, và đối chứng với động lực học cùng phát xạ vô tuyến khuếch tán.

IV. So sánh với cách giải thích chuẩn

1. Điểm chung
   Cả hai bức tranh đều giải thích cung, vòng, đa ảnh và độ trễ thời gian, và đều dự đoán gần như không tán sắc khi hiệu ứng chủ đạo là hấp dẫn.
2. Khác biệt (ưu thế của bức tranh này)
   • Ít tham số hơn: Không cần “danh mục cục tối vô hình” riêng cho từng hệ; sườn cộng thêm và kết cấu mịn nảy sinh từ một quá trình thống kê duy nhất.
   • Nhiều đại lượng trên một bản đồ: Thấu kính, quay, phân cực và trường vận tốc cùng ràng buộc một địa hình thế tensor.
   • Chi tiết đi ra tự nhiên: Bất thường tỷ số thông lượng, độ mong manh của ảnh yên ngựa, và chênh lệch thấu kính—động lực học phụ thuộc môi trường đều là hệ quả trực tiếp của độ nhạy với “sườn + kết cấu mịn”.
3. Tính bao dung
   Nếu sau này xác nhận có thành phần vi mô mới, chúng có thể góp phần như nguồn vi mô của sườn cộng thêm. Ngay cả khi không cần vật chất mới, Trọng lực tensor thống kê kết hợp Nhiễu cục bộ theo tensor đã đủ để thống nhất các hiện tượng thấu kính chính.

V. So sánh bằng hình ảnh

“Thung lũng + gợn tối trên mặt nước.”
Thung lũng và sườn dốc giống như địa hình thế tensor, dẫn khách bộ hành (ánh sáng) đi theo lộ trình ít tốn sức hơn. Những gợn không thấy nguồn trên mặt nước là Nhiễu cục bộ theo tensor, khiến ảnh rung nhẹ và phân phối lại độ sáng. Cấp vĩ mô là hướng của thung lũng; cấp vi mô là tinh chỉnh của các gợn.

VI. Kết luận

• Trọng lực tensor thống kê tạo “sườn cộng thêm” trơn mượt, giúp ánh sáng hội tụ mạnh hơn, giải thích cung, vòng, đa ảnh và khuếch đại tổng thể.
• Thành phần hình học cộng với thành phần thế cùng tạo ra độ trễ thời gian gần như không tán sắc.
• Nhiễu cục bộ theo tensor “hích” nhẹ vị trí ảnh và phân phối lại thông lượng, giải thích bất thường tỷ số thông lượng, độ mong manh của ảnh yên ngựa, và ấn tượng “quá nhiều hoặc quá ít” vi cấu trúc.
• Khối lượng thấu kính cao hơn là do thấu kính tích phân toàn bộ địa hình dọc đường đi, trong khi động lực học chỉ “đọc” vùng lân cận.

Khi quy thấu kính về hiệu ứng môi trường gồm sườn dốc (Trọng lực tensor thống kê) và kết cấu mịn (Nhiễu cục bộ theo tensor), các hiện tượng cung/vòng/thời gian/độ sáng/phụ thuộc môi trường, cũng như sự đồng vị trí với đường cong quay và phân cực, đều cùng trở về một bản đồ thế tensor thống nhất. Với ít giả định hơn và nhiều ràng buộc đồng bản đồ hơn, bức tranh này đưa ra một lời giải thích vừa thống nhất vừa có thể kiểm chứng.