3.4 Vùng lạnh vũ trụ: dấu vân tay của độ dịch đỏ theo đường đi kiểu tiến hóa

Trang chủ ／ Chương 3: Vũ trụ vĩ mô (V5.05)

I. Hiện tượng và câu hỏi

• Trên bầu trời có một mảng “lạnh” khác thường:
  Bản đồ phông vi sóng vũ trụ (CMB) cho thấy một vùng khá rộng có nhiệt độ thấp hơn lân cận, hình dạng ổn định và kích thước đáng kể. Nó không giống dao động ngẫu nhiên cỡ nhỏ, nên lời giải thích “tình cờ” khó thuyết phục.
• Lạnh từ nguồn hay lạnh trên đường truyền?
  Sau khi loại trừ tiền cảnh, độ lạnh gần như không phụ thuộc tần số quan sát, cho thấy nó không bắt nguồn từ phát xạ hay hấp thụ cục bộ. Vì vậy còn hai khả năng: hoặc bức xạ “sinh ra đã lạnh hơn”, hoặc tín hiệu bị thay đổi trong quá trình truyền.
• Liên hệ với cấu trúc quy mô lớn:
  Nhiều quan sát độc lập gợi ý theo hướng đó có một “vùng thưa thớt” rất lớn dọc theo đường ngắm. Nếu thật sự tồn tại một thể tích khổng lồ có mật độ thấp và “độ căng” thấp, nghi vấn về hiệu ứng trên đường đi là tự nhiên. Nhưng để giải thích “lạnh bao nhiêu, vì sao, và đến mức nào”, cần một chuỗi lập luận vật lý rõ ràng.

II. Cơ chế vật lý

1. “Sửa hóa đơn giữa đường”, không phải nguồn phát lạnh hơn:
   Trong Lý thuyết Sợi Năng lượng (EFT), ánh sáng là gói nhiễu loạn lan truyền trong “biển năng lượng”. Từ vũ trụ sơ khai đến chúng ta, nó băng qua vô số cấu trúc. Nếu trường độ căng (tensity, theo EFT) dọc đường truyền đứng yên khi photon đi qua, độ lệch tần số lúc vào và lúc ra triệt tiêu nhau, rốt cuộc không còn hiệu ứng ròng. Ngược lại, nếu vùng đó tiến hóa trong thời gian photon lưu trú, bất đối xứng vào–ra sẽ để lại một độ dịch tần số ròng không tán sắc. Đây chính là độ dịch đỏ theo đường đi kiểu tiến hóa.
2. Chuỗi nhân–quả ba bước:

• Bước vào một thể tích lớn có độ căng thấp: sóng truyền chậm lại hiệu dụng, nhịp pha của photon giãn ra, tương đương một dịch chuyển theo hướng “lạnh” nhẹ.
• Trong khi photon còn ở bên trong, vùng này tiếp tục “hồi phục”: thể tích độ căng thấp không tĩnh tại; theo thời gian vũ trụ, nó dần nông đi.
• Khi rời khỏi, mức “bù ngược” không đủ: đến rìa vùng, môi trường đã khác so với lúc vào; phần “trả lại” khi thoát ra nhỏ hơn phần “bị kéo đi” khi đi vào, để lại độ lệch lạnh ròng.
  Chỉ khi đủ cả ba bước, độ dịch đỏ tiến hóa trên đường đi mới ổn định; nếu thiếu bước thứ hai (vùng không tiến hóa), hiệu ứng vùng lạnh sẽ không xuất hiện.

3. Vì sao cần một thể tích “lớn và biến đổi êm”:
   Độ dịch ròng phụ thuộc thời gian photon lưu lại trong vùng và mức–hướng biến đổi của vùng trong khoảng đó. Thể tích quá nhỏ hay biến đổi quá ít thì hiệu ứng không tích lũy; quá lớn hay biến đổi quá gắt lại làm biên sinh đối kháng phức tạp. Độ nổi bật của vùng lạnh phản ánh một tổ hợp “đủ lớn, biến đổi vừa phải”.
4. Không phải làm tối do thấu kính, cũng không phải “làm lạnh” do tán xạ:
   Thấu kính hấp dẫn chủ yếu bẻ cong đường đi và thay đổi thời điểm đến, nhưng bảo toàn độ sáng bề mặt. Tán xạ hay hấp thụ sẽ để lại phụ thuộc màu và méo hình thái. “Dấu vân tay” của vùng lạnh là độ hạ nhiệt không tán sắc, chỉ vào địa hình độ căng biến đổi theo thời gian, chứ không phải che khuất vật chất hay lọc sắc của môi trường.
5. Sự phân vai giữa các hiệu ứng cấu trúc:
   Trong một thể tích thưa thớt rất lớn, thiên lệch hấp dẫn thống kê từ các hạt không bền yếu đi, tạo nên nền độ căng thấp. Nhiễu loạn lởm chởm do hủy cặp hạt có thể khắc họa các họa tiết mịn ở biên và làm mép trở nên êm hơn. Tuy nhiên, đó chỉ là “đường viền”, không phải nguyên nhân chính. Căn nguyên vẫn là sự tiến hóa của vùng trong lúc photon đi qua.
6. Vì sao các đường nhìn khác nhau cho kết quả khác nhau:
   Những photon phát ra cùng thời nếu tránh vùng thưa đang tiến hóa sẽ hầu như không chịu độ dịch đỏ tiến hóa; nếu xuyên qua vùng đó, chúng sẽ mang thiên lệch nhiệt độ thấp ròng. Do đó, cùng một phông nền nhưng theo các hướng khác nhau sẽ có nhiệt độ khác nhau; “vùng lạnh” chính là dấu mốc của đường đi cắt ngang một vùng đang thay đổi.

III. So sánh minh họa

Thang cuốn đổi tốc: nếu tốc độ thang cuốn không đổi, thời điểm bạn tới chỉ phụ thuộc điểm đầu–điểm cuối. Nếu giữa chừng thang chậm lại, bạn không thể “gỡ lại” thời gian đã mất khi sắp bước xuống, nên rốt cuộc tới muộn hơn. Vùng lạnh cũng vậy: không phải “bến” nào lạnh hơn sẵn, mà là “đổi tốc giữa đường” đã kéo giãn nhịp pha.

IV. So sánh với cách tiếp cận truyền thống

• Điểm đồng—đây là hiệu ứng trên đường đi:
  Vũ trụ học chuẩn xem đây là hệ quả của sự tiến hóa theo thời gian của thế hấp dẫn dọc đường truyền. Cách diễn đạt ở đây nhấn vào việc địa hình độ căng tái sắp trong lúc photon đi qua, cũng là một hạng mục trên đường đi không tán sắc, chứ không phải nguồn phát lạnh hơn.
• Khác biệt—ngôn ngữ và trọng tâm:
  Mô tả truyền thống thiên về hình học và xử lý toán học của thế hấp dẫn; cách trình bày này nhấn mạnh động lực môi trường và độ căng: bất đối xứng vào–lưu–ra biến “tiến hóa” thành độ hạ nhiệt ròng. Hai cách nhìn không mâu thuẫn ở đại lượng quan sát—chỉ là hai mặt của cùng một đồng xu.
• Kết nối bức tranh rộng hơn:
  Lô-gic “sửa hóa đơn giữa đường” cũng xuất hiện trong trễ thời gian của thấu kính hấp dẫn mạnh và các điều chỉnh tinh trên tần số. Trên những đường đi không có tiến hóa, nó chỉ đổi thời điểm tới mà không đổi nền nhiệt độ. Vì vậy, vùng lạnh là “dấu vân tay” trực quan nhất của độ dịch đỏ theo đường đi kiểu tiến hóa trên toàn bầu trời.

V. Kết luận

Vùng lạnh vũ trụ không phải “sinh ra đã lạnh”. Nó hình thành vì tín hiệu CMB đi qua một thể tích lớn có độ căng thấp đang tiến hóa, bị kéo xuống khi vào và không được bù lại đầy đủ khi ra, để lại thiên lệch lạnh ròng không tán sắc. Để xuất hiện dấu ấn rõ rệt như vậy, cần đồng thời có ba điều kiện: đường nhìn phải xuyên qua một thể tích đủ lớn, thời gian lưu trú đủ dài, và thể tích đó thực sự biến đổi trong quãng thời gian ấy. Khi đặt vùng lạnh vào chuỗi lập luận vật lý rõ ràng đó, nó không còn là “sự cố ngẫu nhiên”, mà là con dấu nổi bật của độ dịch đỏ theo đường đi kiểu tiến hóa trên bản đồ toàn thiên cầu.