Một nhóm các nhà khoa học đã phát triển một công thức cho lỗ đen giúp loại bỏ một trong những khía cạnh gây rắc rối nhất của vật lý: điểm kỳ dị trung tâm, điểm mà tại đó mọi lý thuyết, định luật và mô hình của chúng ta đều tan vỡ.
Nếu bạn định thiết kế một vật thể để giữ bí ẩn trong khi vẫn gây rắc rối, thì không có gì tuyệt hơn một lỗ đen.
Đầu tiên, ranh giới bên ngoài của những gã khổng lồ vũ trụ này là bề mặt bẫy ánh sáng một chiều được gọi là chân trời sự kiện, điểm mà lực hấp dẫn của lỗ đen mạnh đến mức ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát ra được. Điều này có nghĩa là không có thông tin nào có thể thoát ra khỏi bên trong lỗ đen, vì vậy chúng ta không bao giờ có thể trực tiếp quan sát hoặc đo lường những gì nằm ở trung tâm của nó.
Sử dụng toán học của lý thuyết hấp dẫn năm 1915 của Einstein, được gọi là thuyết tương đối rộng, các nhà khoa học có thể mô hình hóa bên trong lỗ đen. Vấn đề là, khi họ làm điều này, thuyết tương đối rộng cho chúng ta biết rằng tất cả các giá trị toán học đều tiến tới vô cực tại "điểm kỳ dị" ở trung tâm của một lỗ đen.
Nghiên cứu mới này cho thấy rằng "các lỗ đen thông thường" không có điểm kỳ dị trung tâm — tương đương với việc vừa có bánh vừa được ăn bánh — có thể không chỉ là giấc mơ viển vông của các nhà vật lý đầy hy vọng.
"Điểm kỳ dị là phần bí ẩn và gây nhiều tranh cãi nhất của một lỗ đen. Đó là nơi mà các khái niệm về không gian và thời gian của chúng ta thực sự không còn hợp lý nữa", thành viên nhóm nghiên cứu Robie Hennigar, một nhà nghiên cứu tại Đại học Durham ở Anh, nói với Space.com. "Nếu lỗ đen không có điểm kỳ dị, thì chúng bình thường hơn nhiều."
Liên quan: Lỗ đen: Mọi thứ bạn cần biết
"Cách các đường cong không-thời gian được xác định bởi các phương trình trường Einstein, là nền tảng của thuyết tương đối rộng", thành viên nhóm nghiên cứu Pablo Antonio Cano Molina-Niñirola, thuộc Viện Khoa học Vũ trụ của Đại học Barcelona (ICCUB) tại Tây Ban Nha, nói với Space.com.
"Những phương trình này cực kỳ thành công vì chúng dự đoán được vô số hiện tượng quan sát được trong vũ trụ, từ chuyển động của các hành tinh đến sự tiến hóa của vũ trụ và sự tồn tại của các hố đen", ông nói thêm. "Nhưng chúng cũng dự đoán được sự tồn tại của các điểm kỳ dị, và điều này có vấn đề".
Các hố đen — các vùng không-thời gian có độ cong cực đại — lần đầu tiên xuất hiện như một khái niệm từ các nghiệm của phương trình trường Einstein do nhà vật lý và thiên văn học người Đức Karl Schwartzchild đề xuất khi ông phục vụ ở tuyến đầu trong Thế chiến thứ nhất năm 1915. Các nghiệm này trải dài đến vô cực tại trung tâm của vùng đó. Các nhà vật lý không thích vô cực vì chúng biểu thị sự sụp đổ hoặc không đầy đủ của mô hình của họ, hoặc gợi ý điều gì đó hoàn toàn phi vật lý. Điều đó có nghĩa là một điều gì đó thực sự đáng lo ngại và không mong muốn đối với các nhà vật lý.
"Trong thuyết tương đối rộng, bên trong một lỗ đen giống như một vũ trụ đang co lại, trong đó điểm kỳ dị biểu thị thời điểm không gian tự sụp đổ", Molina-Niñirola nói.
Molina-Niñirola nói thêm rằng nhiều nhà vật lý tin rằng, khi lực hấp dẫn trở nên cực kỳ mạnh và không-thời gian cực kỳ bị cong vênh, thuyết tương đối tổng quát phải được thay thế bằng một lý thuyết cơ bản hơn. Người ta cho rằng đây sẽ là một lý thuyết về lực hấp dẫn lượng tử dẫn đến một "lý thuyết về mọi thứ" sẽ thống nhất các lý thuyết cho đến nay không tương thích của thuyết tương đối tổng quát và vật lý lượng tử.
"Hy vọng là, trong lý thuyết hoàn chỉnh này, các điểm kỳ dị của lỗ đen sẽ bị loại bỏ," Molina-Niñirola nói. "Bây giờ, công thức của chúng tôi cho các lỗ đen thông thường đi chính xác theo hướng này, nhưng thay vì sử dụng một lý thuyết hoàn chỉnh về lực hấp dẫn lượng tử, chúng tôi sử dụng thứ gọi là 'lý thuyết hiệu quả'. Đây là một lý thuyết cổ điển về lực hấp dẫn được cho là nắm bắt được các tác động của một lý thuyết được cho là về lực hấp dẫn lượng tử."
Điều này tương đương với việc nhóm nghiên cứu sửa đổi các phương trình trường Einstein để lực hấp dẫn hoạt động khác đi khi không-thời gian bị cong nhiều. Cuối cùng, điều này dẫn đến việc loại bỏ các điểm kỳ dị trung tâm của lỗ đen.
Liên quan: Albert Einstein: Cuộc đời, các lý thuyết và tác động của ông đối với khoa học
"Trong mô hình của chúng tôi, sự sụp đổ của không-thời gian dừng lại và điểm kỳ dị được thay thế bằng một vùng tĩnh bị cong vênh cao nằm ở lõi của lỗ đen", Molina-Niñirola cho biết. "Vùng này tĩnh vì nó không co lại. Điều đó có nghĩa là về mặt lý thuyết, người quan sát có thể ở lại đó, giả sử họ có thể sống sót sau lực hấp dẫn khổng lồ nhưng hữu hạn trong vùng này."
Ngoài không-thời gian cong, còn gì khác nằm ở trung tâm của các lỗ đen, nếu lý thuyết này là đúng? Theo Hennigar, nói một cách chính xác, thì không có gì cả.
"Những lỗ đen này là chân không thuần túy ở khắp mọi nơi; không nhất thiết phải có vật chất hiện diện, nhưng người ta có thể dễ dàng đưa vật chất vào nếu muốn," nhà nghiên cứu của Đại học Durham tiếp tục. "Nghe có vẻ kỳ lạ khi có một lỗ đen trong trường hợp không có vật chất, nhưng điều tương tự cũng có thể xảy ra ngay cả trong thuyết tương đối rộng."
Kể cả khi khái niệm lỗ đen của nhóm được xác minh, thì có lẽ nó cũng không ngăn cản được việc tìm kiếm một mô hình hợp lệ về lực hấp dẫn lượng tử và một lý thuyết về mọi thứ.
"Theo một nghĩa nào đó, đây là một vấn đề không thể tránh khỏi. Các ngôi sao đang sụp đổ liên tục trong vũ trụ; đó là một quá trình vật lý không thể tránh khỏi. Nhưng sự kiện thường thấy này là thứ đẩy chúng ta vượt qua mọi thứ chúng ta biết", Hennigar nói tiếp. "Trong giai đoạn cuối của sự sụp đổ, ngay trước khi một người đạt đến điểm kỳ dị, cả lực hấp dẫn và hiệu ứng lượng tử đều quan trọng.
"Vì vậy, chúng ta đã biết rằng những kết luận mà người ta rút ra từ thuyết tương đối rộng là không đủ để mô tả một nơi/khoảnh khắc cực đoan như vậy."
"Công trình của chúng tôi cung cấp câu trả lời cho một số bí ẩn, nhưng nó cũng mở ra những bí ẩn khác", Molina-Niñirola cho biết. "Ví dụ, theo mô hình của chúng tôi — và các đề xuất khác trong tài liệu khoa học — vật chất rơi vào bên trong một hố đen thông thường cuối cùng sẽ thoát ra khỏi hố đen thông qua một hố trắng nằm trong một vũ trụ khác hoặc trong một vùng không liên quan của cùng một vũ trụ.
"Điều này có vẻ rất kỳ lạ, nhưng đó là khả năng duy nhất nếu các điểm kỳ dị không tồn tại: tất cả những gì đi vào một lỗ đen cuối cùng cũng phải thoát ra khỏi nó."
Nhà nghiên cứu nói thêm rằng quá trình này kéo theo những vấn đề riêng của nó, cũng phải được điều tra để đánh giá tính vững chắc của ý tưởng của nhóm.
Câu hỏi lớn là liệu các nhà khoa học có bao giờ có thể tìm thấy bằng chứng cho lý thuyết này từ các quan sát thực tế về lỗ đen hay không; Rốt cuộc, chúng ta biết rằng chúng ta không thể chỉ nhìn vào bên trong chúng.
"Thật khó để nói, vì những hiệu ứng dẫn đến sự phân giải kỳ dị chỉ có thể quan sát được trong các chế độ có lực hấp dẫn cực mạnh, có lẽ mạnh hơn nhiều so với những gì chúng ta hy vọng có thể quan sát được", Molina-Niñirola cho biết. "Tuy nhiên, có một số thí nghiệm có thể cung cấp cho chúng ta một số khả năng".
Các bài viết liên quan:
—Vũ trụ của chúng ta có bị mắc kẹt bên trong một lỗ đen không? Khám phá của Kính viễn vọng không gian James Webb này có thể khiến bạn kinh ngạc
—Vật lý kỳ lạ ở rìa lỗ đen có thể giúp giải quyết 'vấn đề Hubble' dai dẳng
—Các lỗ đen nhỏ còn sót lại từ Vụ nổ lớn có thể là nghi phạm chính của vật chất tối
Molina-Niñirola giải thích rằng việc quan sát các gợn sóng trong không-thời gian được gọi là sóng hấp dẫn cho phép các nhà thiên văn học quan sát các trường hấp dẫn mạnh hơn nhiều so với trước đây. Điều này mang đến cho các nhà khoa học một cơ hội duy nhất để cố gắng phát hiện ra các hiệu ứng vượt ra ngoài thuyết tương đối rộng, bao gồm cả những hiệu ứng có thể dẫn đến giải quyết điểm kỳ dị.
Ngoài ra, nếu lý thuyết của nhóm nghiên cứu là đúng, thì sẽ có một dấu ấn rõ ràng trong vũ trụ sơ khai, trong kỷ nguyên lạm phát vũ trụ ngay sau Vụ nổ lớn.
"Về vấn đề này, việc phát hiện ra nền sóng hấp dẫn nguyên thủy — vẫn chưa được phát hiện — có thể cung cấp gợi ý về những sửa đổi có thể có của lực hấp dẫn", Molina-Niñirola cho biết. "Cuối cùng, hậu quả của việc không có điểm kỳ dị là sản phẩm cuối cùng của quá trình bốc hơi lỗ đen thông qua bức xạ Hawking sẽ là một lỗ đen cực nhỏ.
"Những lỗ đen cực nhỏ này cung cấp một ứng cử viên vật chất tối khả thi. Do đó, nếu vật chất tối được tạo thành từ các lỗ đen nhỏ, thì đây sẽ là bằng chứng gián tiếp ủng hộ sự vắng mặt của các điểm kỳ dị."
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố trên tạp chí Physics Letters B vào tháng 2 năm 2025.
Nếu bạn định thiết kế một vật thể để giữ bí ẩn trong khi vẫn gây rắc rối, thì không có gì tuyệt hơn một lỗ đen.
Đầu tiên, ranh giới bên ngoài của những gã khổng lồ vũ trụ này là bề mặt bẫy ánh sáng một chiều được gọi là chân trời sự kiện, điểm mà lực hấp dẫn của lỗ đen mạnh đến mức ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát ra được. Điều này có nghĩa là không có thông tin nào có thể thoát ra khỏi bên trong lỗ đen, vì vậy chúng ta không bao giờ có thể trực tiếp quan sát hoặc đo lường những gì nằm ở trung tâm của nó.
Sử dụng toán học của lý thuyết hấp dẫn năm 1915 của Einstein, được gọi là thuyết tương đối rộng, các nhà khoa học có thể mô hình hóa bên trong lỗ đen. Vấn đề là, khi họ làm điều này, thuyết tương đối rộng cho chúng ta biết rằng tất cả các giá trị toán học đều tiến tới vô cực tại "điểm kỳ dị" ở trung tâm của một lỗ đen.
Nghiên cứu mới này cho thấy rằng "các lỗ đen thông thường" không có điểm kỳ dị trung tâm — tương đương với việc vừa có bánh vừa được ăn bánh — có thể không chỉ là giấc mơ viển vông của các nhà vật lý đầy hy vọng.
"Điểm kỳ dị là phần bí ẩn và gây nhiều tranh cãi nhất của một lỗ đen. Đó là nơi mà các khái niệm về không gian và thời gian của chúng ta thực sự không còn hợp lý nữa", thành viên nhóm nghiên cứu Robie Hennigar, một nhà nghiên cứu tại Đại học Durham ở Anh, nói với Space.com. "Nếu lỗ đen không có điểm kỳ dị, thì chúng bình thường hơn nhiều."
Liên quan: Lỗ đen: Mọi thứ bạn cần biết
Singularity-minded: Các nhà vật lý muốn một thứ
Thuyết tương đối rộng của Einstein nêu rằng các vật thể có khối lượng làm cong chính cấu trúc của không-thời gian (ba chiều không gian hợp nhất với một chiều thời gian), và lực hấp dẫn phát sinh từ độ cong này. Khối lượng càng lớn, độ cong của không-thời gian càng cực đại và ảnh hưởng của lực hấp dẫn càng mạnh. Tất cả những điều này được tính toán bằng các phương trình hỗ trợ thuyết tương đối rộng: phương trình trường Einstein."Cách các đường cong không-thời gian được xác định bởi các phương trình trường Einstein, là nền tảng của thuyết tương đối rộng", thành viên nhóm nghiên cứu Pablo Antonio Cano Molina-Niñirola, thuộc Viện Khoa học Vũ trụ của Đại học Barcelona (ICCUB) tại Tây Ban Nha, nói với Space.com.
"Những phương trình này cực kỳ thành công vì chúng dự đoán được vô số hiện tượng quan sát được trong vũ trụ, từ chuyển động của các hành tinh đến sự tiến hóa của vũ trụ và sự tồn tại của các hố đen", ông nói thêm. "Nhưng chúng cũng dự đoán được sự tồn tại của các điểm kỳ dị, và điều này có vấn đề".
Các hố đen — các vùng không-thời gian có độ cong cực đại — lần đầu tiên xuất hiện như một khái niệm từ các nghiệm của phương trình trường Einstein do nhà vật lý và thiên văn học người Đức Karl Schwartzchild đề xuất khi ông phục vụ ở tuyến đầu trong Thế chiến thứ nhất năm 1915. Các nghiệm này trải dài đến vô cực tại trung tâm của vùng đó. Các nhà vật lý không thích vô cực vì chúng biểu thị sự sụp đổ hoặc không đầy đủ của mô hình của họ, hoặc gợi ý điều gì đó hoàn toàn phi vật lý. Điều đó có nghĩa là một điều gì đó thực sự đáng lo ngại và không mong muốn đối với các nhà vật lý.
"Trong thuyết tương đối rộng, bên trong một lỗ đen giống như một vũ trụ đang co lại, trong đó điểm kỳ dị biểu thị thời điểm không gian tự sụp đổ", Molina-Niñirola nói.
Molina-Niñirola nói thêm rằng nhiều nhà vật lý tin rằng, khi lực hấp dẫn trở nên cực kỳ mạnh và không-thời gian cực kỳ bị cong vênh, thuyết tương đối tổng quát phải được thay thế bằng một lý thuyết cơ bản hơn. Người ta cho rằng đây sẽ là một lý thuyết về lực hấp dẫn lượng tử dẫn đến một "lý thuyết về mọi thứ" sẽ thống nhất các lý thuyết cho đến nay không tương thích của thuyết tương đối tổng quát và vật lý lượng tử.
"Hy vọng là, trong lý thuyết hoàn chỉnh này, các điểm kỳ dị của lỗ đen sẽ bị loại bỏ," Molina-Niñirola nói. "Bây giờ, công thức của chúng tôi cho các lỗ đen thông thường đi chính xác theo hướng này, nhưng thay vì sử dụng một lý thuyết hoàn chỉnh về lực hấp dẫn lượng tử, chúng tôi sử dụng thứ gọi là 'lý thuyết hiệu quả'. Đây là một lý thuyết cổ điển về lực hấp dẫn được cho là nắm bắt được các tác động của một lý thuyết được cho là về lực hấp dẫn lượng tử."
Điều này tương đương với việc nhóm nghiên cứu sửa đổi các phương trình trường Einstein để lực hấp dẫn hoạt động khác đi khi không-thời gian bị cong nhiều. Cuối cùng, điều này dẫn đến việc loại bỏ các điểm kỳ dị trung tâm của lỗ đen.
Liên quan: Albert Einstein: Cuộc đời, các lý thuyết và tác động của ông đối với khoa học
Lực hấp dẫn lượng tử và các vấn đề khác
Lý thuyết mới được sửa đổi này cho rằng không có điểm kỳ dị nào ở trung tâm của lỗ đen. Vậy thì điều gì tồn tại trong thế giới cực đoan, kỳ lạ này?"Trong mô hình của chúng tôi, sự sụp đổ của không-thời gian dừng lại và điểm kỳ dị được thay thế bằng một vùng tĩnh bị cong vênh cao nằm ở lõi của lỗ đen", Molina-Niñirola cho biết. "Vùng này tĩnh vì nó không co lại. Điều đó có nghĩa là về mặt lý thuyết, người quan sát có thể ở lại đó, giả sử họ có thể sống sót sau lực hấp dẫn khổng lồ nhưng hữu hạn trong vùng này."
Ngoài không-thời gian cong, còn gì khác nằm ở trung tâm của các lỗ đen, nếu lý thuyết này là đúng? Theo Hennigar, nói một cách chính xác, thì không có gì cả.
"Những lỗ đen này là chân không thuần túy ở khắp mọi nơi; không nhất thiết phải có vật chất hiện diện, nhưng người ta có thể dễ dàng đưa vật chất vào nếu muốn," nhà nghiên cứu của Đại học Durham tiếp tục. "Nghe có vẻ kỳ lạ khi có một lỗ đen trong trường hợp không có vật chất, nhưng điều tương tự cũng có thể xảy ra ngay cả trong thuyết tương đối rộng."
Kể cả khi khái niệm lỗ đen của nhóm được xác minh, thì có lẽ nó cũng không ngăn cản được việc tìm kiếm một mô hình hợp lệ về lực hấp dẫn lượng tử và một lý thuyết về mọi thứ.
"Theo một nghĩa nào đó, đây là một vấn đề không thể tránh khỏi. Các ngôi sao đang sụp đổ liên tục trong vũ trụ; đó là một quá trình vật lý không thể tránh khỏi. Nhưng sự kiện thường thấy này là thứ đẩy chúng ta vượt qua mọi thứ chúng ta biết", Hennigar nói tiếp. "Trong giai đoạn cuối của sự sụp đổ, ngay trước khi một người đạt đến điểm kỳ dị, cả lực hấp dẫn và hiệu ứng lượng tử đều quan trọng.
"Vì vậy, chúng ta đã biết rằng những kết luận mà người ta rút ra từ thuyết tương đối rộng là không đủ để mô tả một nơi/khoảnh khắc cực đoan như vậy."
Mất điểm kỳ dị có nghĩa là mất đi sự bí ẩn không? Không hẳn vậy...
Nếu đúng, nghiên cứu này có thể đã phần nào giải mã được các hố đen, nhưng nó mở ra nhiều câu hỏi vẫn cần được giải đáp."Công trình của chúng tôi cung cấp câu trả lời cho một số bí ẩn, nhưng nó cũng mở ra những bí ẩn khác", Molina-Niñirola cho biết. "Ví dụ, theo mô hình của chúng tôi — và các đề xuất khác trong tài liệu khoa học — vật chất rơi vào bên trong một hố đen thông thường cuối cùng sẽ thoát ra khỏi hố đen thông qua một hố trắng nằm trong một vũ trụ khác hoặc trong một vùng không liên quan của cùng một vũ trụ.
"Điều này có vẻ rất kỳ lạ, nhưng đó là khả năng duy nhất nếu các điểm kỳ dị không tồn tại: tất cả những gì đi vào một lỗ đen cuối cùng cũng phải thoát ra khỏi nó."
Nhà nghiên cứu nói thêm rằng quá trình này kéo theo những vấn đề riêng của nó, cũng phải được điều tra để đánh giá tính vững chắc của ý tưởng của nhóm.
Câu hỏi lớn là liệu các nhà khoa học có bao giờ có thể tìm thấy bằng chứng cho lý thuyết này từ các quan sát thực tế về lỗ đen hay không; Rốt cuộc, chúng ta biết rằng chúng ta không thể chỉ nhìn vào bên trong chúng.
"Thật khó để nói, vì những hiệu ứng dẫn đến sự phân giải kỳ dị chỉ có thể quan sát được trong các chế độ có lực hấp dẫn cực mạnh, có lẽ mạnh hơn nhiều so với những gì chúng ta hy vọng có thể quan sát được", Molina-Niñirola cho biết. "Tuy nhiên, có một số thí nghiệm có thể cung cấp cho chúng ta một số khả năng".
Các bài viết liên quan:
—Vũ trụ của chúng ta có bị mắc kẹt bên trong một lỗ đen không? Khám phá của Kính viễn vọng không gian James Webb này có thể khiến bạn kinh ngạc
—Vật lý kỳ lạ ở rìa lỗ đen có thể giúp giải quyết 'vấn đề Hubble' dai dẳng
—Các lỗ đen nhỏ còn sót lại từ Vụ nổ lớn có thể là nghi phạm chính của vật chất tối
Molina-Niñirola giải thích rằng việc quan sát các gợn sóng trong không-thời gian được gọi là sóng hấp dẫn cho phép các nhà thiên văn học quan sát các trường hấp dẫn mạnh hơn nhiều so với trước đây. Điều này mang đến cho các nhà khoa học một cơ hội duy nhất để cố gắng phát hiện ra các hiệu ứng vượt ra ngoài thuyết tương đối rộng, bao gồm cả những hiệu ứng có thể dẫn đến giải quyết điểm kỳ dị.
Ngoài ra, nếu lý thuyết của nhóm nghiên cứu là đúng, thì sẽ có một dấu ấn rõ ràng trong vũ trụ sơ khai, trong kỷ nguyên lạm phát vũ trụ ngay sau Vụ nổ lớn.
"Về vấn đề này, việc phát hiện ra nền sóng hấp dẫn nguyên thủy — vẫn chưa được phát hiện — có thể cung cấp gợi ý về những sửa đổi có thể có của lực hấp dẫn", Molina-Niñirola cho biết. "Cuối cùng, hậu quả của việc không có điểm kỳ dị là sản phẩm cuối cùng của quá trình bốc hơi lỗ đen thông qua bức xạ Hawking sẽ là một lỗ đen cực nhỏ.
"Những lỗ đen cực nhỏ này cung cấp một ứng cử viên vật chất tối khả thi. Do đó, nếu vật chất tối được tạo thành từ các lỗ đen nhỏ, thì đây sẽ là bằng chứng gián tiếp ủng hộ sự vắng mặt của các điểm kỳ dị."
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố trên tạp chí Physics Letters B vào tháng 2 năm 2025.
