Các báo cáo về sự sụp đổ của điểm kỳ dị có thể còn quá sớm.
Đầu năm nay, nghiên cứu mới đã gợi ý một giải pháp tiềm năng cho một trong những khía cạnh đáng lo ngại nhất của vật lý hiện đại — rằng "điểm kỳ dị" dường như tồn tại ở trung tâm của các lỗ đen.
Ý tưởng về điểm kỳ dị đã tồn tại kể từ khi các lỗ đen lần đầu tiên xuất hiện từ các giải pháp cho lý thuyết hấp dẫn vĩ đại của Albert Einstein, thuyết tương đối rộng, được công bố vào năm 1916. Nó biểu thị điểm mà khối lượng trở nên vô cùng dày đặc — tập trung đến mức độ cong của không-thời gian (sự thống nhất bốn chiều của không gian và thời gian) mà nó tạo ra cũng trở nên vô hạn.
Điều này đã và vẫn còn gây lo ngại, vì nó đại diện cho sự phá vỡ các định luật vật lý. Nhờ vào điểm kỳ dị trung tâm của chúng, các hố đen không tuân theo các định luật vật lý — ngay cả thuyết tương đối rộng, lý thuyết đầu tiên mô tả chúng. Đó là một nghịch lý mà nhiều nhà vật lý không thể chấp nhận, những người đang nỗ lực loại bỏ nó bằng cách phá vỡ điểm kỳ dị trung tâm.
Một trong số họ là Robie Hennigar, một nhà nghiên cứu tại Đại học Durham ở Anh.
"Điểm kỳ dị là phần bí ẩn và gây nhiều vấn đề nhất của hố đen. Đó là nơi các khái niệm về không gian và thời gian của chúng ta thực sự không còn hợp lý nữa", Hennigar nói với Space.com vào tháng 3. "Nếu lỗ đen không có điểm kỳ dị, thì chúng bình thường hơn nhiều."
Thật không may, công thức về lực hấp dẫn này không được nhiều nhà khoa học ưa thích, bao gồm cả nhà vật lý lý thuyết người Ba Lan Nikodem Poplawski của Đại học New Haven, người đã nói với Space.com rằng ông có ba vấn đề chính với lý thuyết của nhóm.
"Đầu tiên, nhóm nghiên cứu cho rằng có năm chiều, trong khi các thí nghiệm và quan sát chỉ ra rằng chúng ta đang sống trong không-thời gian bốn chiều", Poplawski cho biết. Trong khi nhiều lý thuyết khác có thể giải thích cho các điểm kỳ dị cũng dựa vào các chiều không gian bổ sung (lý thuyết dây cần ít nhất 11 chiều không gian!), vẫn chưa có bằng chứng nào về các chiều không gian bổ sung như vậy được đưa ra.
"Thứ hai, trong mô hình của nhóm nghiên cứu, bên trong lỗ đen là tĩnh", Poplawski tiếp tục, giải thích rằng các phương trình trường hấp dẫn dự đoán rằng không-thời gian bên trong ranh giới bên ngoài của lỗ đen, chân trời sự kiện, không thể tĩnh.
"Thứ ba, mô hình của họ thêm vào các phương trình trường một cách ngẫu nhiên một số lượng vô hạn các thuật ngữ, với mục đích loại bỏ điểm kỳ dị", Poplawski nói thêm. "Điều đó thiếu động lực vật lý vững chắc và nó chỉ đơn thuần là một cuộc khám phá toán học về một lý thuyết về lực hấp dẫn với các chiều không gian bổ sung".
Lý thuyết phá vỡ điểm kỳ dị khác với rất nhiều nỗ lực khác nhằm giải quyết vấn đề này, theo hướng thống nhất thuyết tương đối rộng với vật lý lượng tử, lý thuyết tốt nhất của chúng ta về vũ trụ ở cấp độ hạ nguyên tử, cố gắng tạo ra một lý thuyết thống nhất về "lực hấp dẫn lượng tử". Tuy nhiên, điều đó không có nghĩa là những lý thuyết đó gần hơn với việc trả lời câu đố về điểm kỳ dị.
Một trong những lý thuyết thống nhất được ưa chuộng nhất là lý thuyết dây, được đề cập ở trên, lý thuyết này thay thế các hạt giống điểm bằng các dây rung.
"Vấn đề với lý thuyết dây là nó đòi hỏi các chiều không gian bổ sung, mà không có bằng chứng thực nghiệm nào về điều này", Poplawski cho biết. "Ngoài ra, có nhiều dạng lý thuyết dây, vì vậy không thể bác bỏ nó. Một vấn đề khác là nhiều dạng lý thuyết dây đòi hỏi sự tồn tại của các hạt siêu đối xứng, mà không có bằng chứng thực nghiệm nào về điều này. Do đó, lý thuyết dây không phải là một lý thuyết vật lý".
Poplawski nói thêm rằng các nỗ lực loại bỏ các điểm kỳ dị của lỗ đen trong khuôn khổ vật lý cổ điển cũng đã thất bại hoặc sẽ thất bại vì chúng hoàn toàn mang tính toán học và thiếu thứ mà ông mô tả là "động lực vật lý sâu sắc". Tất nhiên, điều đó không có nghĩa là việc khám phá các ý tưởng không có giá trị, như nhóm phá vỡ điểm kỳ dị đã làm.
"Có thể có một số giá trị toán học khi khám phá những ý tưởng như thế này", Poplawski cho biết. "Đôi khi các nhà vật lý phát minh ra các kỹ thuật toán học mới hoặc tìm ra lời giải cho các phương trình có thể được sử dụng trong các ngành vật lý khác."
Các bài viết liên quan:
— Kính viễn vọng không gian James Webb phát hiện những chấm đỏ nhỏ nuôi dưỡng các lỗ đen: 'Đây là cách bạn giải quyết một vấn đề phá vỡ vũ trụ'
— Phát hiện lớn nhất từ trước đến nay về các lỗ đen 'liên kết còn thiếu' được tiết lộ bởi máy ảnh năng lượng tối (video)
— Kính viễn vọng không gian James Webb phát hiện ra các lỗ đen có thể phá vỡ sự hình thành sao
Vậy Poplawski có nghĩ rằng loài người có thể khám phá ra những gì nằm bên trong một lỗ đen và khép lại cuốn sách về các điểm kỳ dị phá vỡ vật lý mãi mãi không? Có, nhưng có một cảnh báo.
"Tôi tin rằng nhân loại sẽ khám phá ra điều gì nằm ở trung tâm của một lỗ đen chỉ khi mỗi lỗ đen tạo ra một vũ trụ mới và vũ trụ của chúng ta được tạo ra theo đó trong một lỗ đen", Poplawski nói, ám chỉ đến một giả thuyết mà ông đã nghiên cứu từ năm 2010.
"Nếu vũ trụ của chúng ta được tạo ra trong một lỗ đen, sự giãn nở ban đầu của nó có thể được kiểm tra bằng bức xạ nền vi sóng vũ trụ và có thể trong tương lai, bằng neutrino hoặc sóng hấp dẫn, có thể thăm dò thời điểm trước đó trong vũ trụ", Poplawski tiếp tục. "Nếu không, chúng ta sẽ không thể hiểu được bằng kinh nghiệm những gì xảy ra bên trong một lỗ đen".
Việc đi đến tận cùng của bí ẩn này có thể vô cùng khó khăn, nhưng điều đó không có nghĩa là chúng ta không nên thử. Poplawski đã trích dẫn ví dụ về một khía cạnh khác của vật lý xuất hiện từ thuyết tương đối rộng và cần rất nhiều sự kiên trì để giải quyết: những gợn sóng nhỏ trong không-thời gian được gọi là "sóng hấp dẫn".
"Phải mất 100 năm để phát hiện ra sóng hấp dẫn trên Trái đất sau khi Einstein dự đoán chúng từ các phương trình của thuyết tương đối rộng", Poplawski nói. "Do đó, có thể mất hàng thập kỷ trước khi chúng ta tìm ra điều gì xảy ra trong các lỗ đen".
Đầu năm nay, nghiên cứu mới đã gợi ý một giải pháp tiềm năng cho một trong những khía cạnh đáng lo ngại nhất của vật lý hiện đại — rằng "điểm kỳ dị" dường như tồn tại ở trung tâm của các lỗ đen.
Ý tưởng về điểm kỳ dị đã tồn tại kể từ khi các lỗ đen lần đầu tiên xuất hiện từ các giải pháp cho lý thuyết hấp dẫn vĩ đại của Albert Einstein, thuyết tương đối rộng, được công bố vào năm 1916. Nó biểu thị điểm mà khối lượng trở nên vô cùng dày đặc — tập trung đến mức độ cong của không-thời gian (sự thống nhất bốn chiều của không gian và thời gian) mà nó tạo ra cũng trở nên vô hạn.
Điều này đã và vẫn còn gây lo ngại, vì nó đại diện cho sự phá vỡ các định luật vật lý. Nhờ vào điểm kỳ dị trung tâm của chúng, các hố đen không tuân theo các định luật vật lý — ngay cả thuyết tương đối rộng, lý thuyết đầu tiên mô tả chúng. Đó là một nghịch lý mà nhiều nhà vật lý không thể chấp nhận, những người đang nỗ lực loại bỏ nó bằng cách phá vỡ điểm kỳ dị trung tâm.
Một trong số họ là Robie Hennigar, một nhà nghiên cứu tại Đại học Durham ở Anh.
"Điểm kỳ dị là phần bí ẩn và gây nhiều vấn đề nhất của hố đen. Đó là nơi các khái niệm về không gian và thời gian của chúng ta thực sự không còn hợp lý nữa", Hennigar nói với Space.com vào tháng 3. "Nếu lỗ đen không có điểm kỳ dị, thì chúng bình thường hơn nhiều."
Lỗ đen sẽ không ngồi yên để có giải pháp cho điểm kỳ dị
Trong một nghiên cứu được công bố vào tháng 2, Hennigar và các đồng nghiệp đã sử dụng một lý thuyết hiệu quả đã sửa đổi các phương trình trường Einstein của thuyết tương đối rộng để lực hấp dẫn hoạt động khác đi khi không-thời gian bị cong nhiều. Điều này thay thế điểm kỳ dị trung tâm bằng một vùng tĩnh bị cong nhiều nằm ở lõi của lỗ đen.Thật không may, công thức về lực hấp dẫn này không được nhiều nhà khoa học ưa thích, bao gồm cả nhà vật lý lý thuyết người Ba Lan Nikodem Poplawski của Đại học New Haven, người đã nói với Space.com rằng ông có ba vấn đề chính với lý thuyết của nhóm.
"Đầu tiên, nhóm nghiên cứu cho rằng có năm chiều, trong khi các thí nghiệm và quan sát chỉ ra rằng chúng ta đang sống trong không-thời gian bốn chiều", Poplawski cho biết. Trong khi nhiều lý thuyết khác có thể giải thích cho các điểm kỳ dị cũng dựa vào các chiều không gian bổ sung (lý thuyết dây cần ít nhất 11 chiều không gian!), vẫn chưa có bằng chứng nào về các chiều không gian bổ sung như vậy được đưa ra.
"Thứ hai, trong mô hình của nhóm nghiên cứu, bên trong lỗ đen là tĩnh", Poplawski tiếp tục, giải thích rằng các phương trình trường hấp dẫn dự đoán rằng không-thời gian bên trong ranh giới bên ngoài của lỗ đen, chân trời sự kiện, không thể tĩnh.
"Thứ ba, mô hình của họ thêm vào các phương trình trường một cách ngẫu nhiên một số lượng vô hạn các thuật ngữ, với mục đích loại bỏ điểm kỳ dị", Poplawski nói thêm. "Điều đó thiếu động lực vật lý vững chắc và nó chỉ đơn thuần là một cuộc khám phá toán học về một lý thuyết về lực hấp dẫn với các chiều không gian bổ sung".
Lý thuyết phá vỡ điểm kỳ dị khác với rất nhiều nỗ lực khác nhằm giải quyết vấn đề này, theo hướng thống nhất thuyết tương đối rộng với vật lý lượng tử, lý thuyết tốt nhất của chúng ta về vũ trụ ở cấp độ hạ nguyên tử, cố gắng tạo ra một lý thuyết thống nhất về "lực hấp dẫn lượng tử". Tuy nhiên, điều đó không có nghĩa là những lý thuyết đó gần hơn với việc trả lời câu đố về điểm kỳ dị.
Một trong những lý thuyết thống nhất được ưa chuộng nhất là lý thuyết dây, được đề cập ở trên, lý thuyết này thay thế các hạt giống điểm bằng các dây rung.
"Vấn đề với lý thuyết dây là nó đòi hỏi các chiều không gian bổ sung, mà không có bằng chứng thực nghiệm nào về điều này", Poplawski cho biết. "Ngoài ra, có nhiều dạng lý thuyết dây, vì vậy không thể bác bỏ nó. Một vấn đề khác là nhiều dạng lý thuyết dây đòi hỏi sự tồn tại của các hạt siêu đối xứng, mà không có bằng chứng thực nghiệm nào về điều này. Do đó, lý thuyết dây không phải là một lý thuyết vật lý".
Poplawski nói thêm rằng các nỗ lực loại bỏ các điểm kỳ dị của lỗ đen trong khuôn khổ vật lý cổ điển cũng đã thất bại hoặc sẽ thất bại vì chúng hoàn toàn mang tính toán học và thiếu thứ mà ông mô tả là "động lực vật lý sâu sắc". Tất nhiên, điều đó không có nghĩa là việc khám phá các ý tưởng không có giá trị, như nhóm phá vỡ điểm kỳ dị đã làm.
"Có thể có một số giá trị toán học khi khám phá những ý tưởng như thế này", Poplawski cho biết. "Đôi khi các nhà vật lý phát minh ra các kỹ thuật toán học mới hoặc tìm ra lời giải cho các phương trình có thể được sử dụng trong các ngành vật lý khác."
Các bài viết liên quan:
— Kính viễn vọng không gian James Webb phát hiện những chấm đỏ nhỏ nuôi dưỡng các lỗ đen: 'Đây là cách bạn giải quyết một vấn đề phá vỡ vũ trụ'
— Phát hiện lớn nhất từ trước đến nay về các lỗ đen 'liên kết còn thiếu' được tiết lộ bởi máy ảnh năng lượng tối (video)
— Kính viễn vọng không gian James Webb phát hiện ra các lỗ đen có thể phá vỡ sự hình thành sao
Vậy Poplawski có nghĩ rằng loài người có thể khám phá ra những gì nằm bên trong một lỗ đen và khép lại cuốn sách về các điểm kỳ dị phá vỡ vật lý mãi mãi không? Có, nhưng có một cảnh báo.
"Tôi tin rằng nhân loại sẽ khám phá ra điều gì nằm ở trung tâm của một lỗ đen chỉ khi mỗi lỗ đen tạo ra một vũ trụ mới và vũ trụ của chúng ta được tạo ra theo đó trong một lỗ đen", Poplawski nói, ám chỉ đến một giả thuyết mà ông đã nghiên cứu từ năm 2010.
"Nếu vũ trụ của chúng ta được tạo ra trong một lỗ đen, sự giãn nở ban đầu của nó có thể được kiểm tra bằng bức xạ nền vi sóng vũ trụ và có thể trong tương lai, bằng neutrino hoặc sóng hấp dẫn, có thể thăm dò thời điểm trước đó trong vũ trụ", Poplawski tiếp tục. "Nếu không, chúng ta sẽ không thể hiểu được bằng kinh nghiệm những gì xảy ra bên trong một lỗ đen".
Việc đi đến tận cùng của bí ẩn này có thể vô cùng khó khăn, nhưng điều đó không có nghĩa là chúng ta không nên thử. Poplawski đã trích dẫn ví dụ về một khía cạnh khác của vật lý xuất hiện từ thuyết tương đối rộng và cần rất nhiều sự kiên trì để giải quyết: những gợn sóng nhỏ trong không-thời gian được gọi là "sóng hấp dẫn".
"Phải mất 100 năm để phát hiện ra sóng hấp dẫn trên Trái đất sau khi Einstein dự đoán chúng từ các phương trình của thuyết tương đối rộng", Poplawski nói. "Do đó, có thể mất hàng thập kỷ trước khi chúng ta tìm ra điều gì xảy ra trong các lỗ đen".
