Một nhóm các nhà khoa học đang đề xuất một giải pháp thay thế táo bạo cho thuyết Big Bang, cho rằng vũ trụ của chúng ta có thể đã hình thành bên trong một lỗ đen khổng lồ nằm trong một vũ trụ mẹ lớn hơn. Thuyết Big Bang, cùng với thuyết tương đối rộng của Einstein, đã giải thích thành công các hiện tượng vũ trụ học chính, bao gồm bức xạ nền vi sóng vũ trụ, cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ và sự giãn nở tăng tốc của nó thường liên quan đến năng lượng tối.
Tuy nhiên, vẫn còn những vấn đề cơ bản với thuyết này, chẳng hạn như bản chất chưa được giải thích của năng lượng tối và vật chất tối, điểm kỳ dị tại Big Bang và sự không nhất quán giữa thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử. "Hầu hết các nhà khoa học đã phản ứng bằng cách đề xuất một dạng năng lượng mới bí ẩn — [gọi là] năng lượng tối — hoặc bằng cách sửa đổi các định luật vật lý", Enrique Gaztañaga, giáo sư tại Đại học Portsmouth, nói với Space.com. "Nhưng đây là những bước đi quyết liệt".
Gaztañaga cho biết ông và các đồng nghiệp tự hỏi liệu một lời giải thích đơn giản hơn có đủ không. "[Nghiên cứu của chúng tôi] bắt đầu với một câu hỏi đơn giản nhưng sâu sắc: Tại sao sự giãn nở của vũ trụ lại tăng tốc?" ông nói. "Toàn bộ vũ trụ quan sát được của chúng ta nằm bên trong bán kính hấp dẫn của chính nó, nghĩa là từ bên ngoài, nó sẽ trông giống như một lỗ đen. Điều đó dẫn đến một ý tưởng cấp tiến: Điều gì sẽ xảy ra nếu vũ trụ hình thành theo cùng một cách mà một ngôi sao sụp đổ thành một lỗ đen?"
Người ta tin rằng vũ trụ bắt đầu như một điểm cực kỳ nóng và đặc được gọi là điểm kỳ dị trải qua quá trình giãn nở nhanh chóng chỉ trong vài phần giây sau Vụ nổ lớn. "Nếu chúng ta tua lại quá trình giãn nở đó bằng các định luật vật lý đã biết, cuối cùng chúng ta sẽ đạt đến một điểm có mật độ vô hạn — một điểm kỳ dị — nơi không gian, thời gian và vật chất dường như đều bắt đầu", Gaztañaga cho biết. "Vì vật lý bị phá vỡ tại điểm đó, nên nó thường được diễn giải như một sự kiện sáng tạo: sự khởi đầu của mọi thứ".
Nghiên cứu mới khám phá ý tưởng rằng vũ trụ có thể không bắt đầu bằng một điểm kỳ dị mà thay vào đó xuất hiện từ sự sụp đổ của một đám mây vật chất khổng lồ trong một vũ trụ khác. Để điều tra, nhóm nghiên cứu đã chạy các mô phỏng để tìm kiếm một giải pháp có thể giải quyết một số điểm không nhất quán trong các lý thuyết vũ trụ học hiện tại — và bất ngờ phát hiện ra rằng một giải pháp phân tích chính xác mô tả các nguyên tắc cơ bản của quá trình này đã tồn tại.
"Trong các điều kiện phù hợp, sự sụp đổ này không kết thúc ở một điểm kỳ dị — thay vào đó, nó nảy lên và bắt đầu mở rộng trở lại", Gaztañaga cho biết. "Sự nảy lên đó mô phỏng những gì chúng ta gọi là Vụ nổ lớn".
Mặc dù "các kịch bản nảy lên" đã được đề xuất trong quá khứ, nhưng mô hình này nổi bật vì chỉ dựa vào các định luật vật lý đã biết. Nó tránh đưa vào các hạt hoặc lực suy đoán và mô tả sự sụp đổ hoàn toàn do hấp dẫn xảy ra bên trong một lỗ đen.
"Trong cơ học lượng tử, hai hạt giống hệt nhau (như electron hoặc neutron) không thể chiếm cùng một trạng thái — chúng không thể ở cùng một vị trí chính xác cùng một lúc", Gaztañaga giải thích. "Nguyên lý này tạo ra một loại áp suất — được gọi là áp suất thoái hóa — chống lại sự nén. Đó là thứ ngăn lõi của các ngôi sao đang chết sụp đổ vô tận và là thứ có thể kích hoạt một vụ nổ siêu tân tinh. Trong mô hình của chúng tôi, chính hiệu ứng lượng tử này đã ngăn chặn sự sụp đổ của vũ trụ và khiến nó nảy lên."
Một giả thuyết không được đưa vào bài báo hiện tại là lực hấp dẫn tương tác trực tiếp với trường Higgs — một trường lượng tử dưới nguyên tử chịu trách nhiệm tạo ra khối lượng cho các hạt, như đã được xác nhận bởi các thí nghiệm tại Máy va chạm Hadron lớn.
Trong các môi trường rất dày đặc và năng lượng cao, các hiệu ứng lượng tử trở nên quan trọng, Sravan Kumar, một nghiên cứu viên thỉnh giảng tại Đại học Portsmouth và là một trong những tác giả của nghiên cứu, cho biết. Nếu lực hấp dẫn tương tác với trường Higgs trong những điều kiện này, tương tác này có thể thay đổi cách lực hấp dẫn hoạt động. Ví dụ, nếu tương tác giữa lực hấp dẫn và trường Higgs trở nên đẩy nhau ở mật độ năng lượng cực cao, nó có thể chống lại sự sụp đổ hấp dẫn. Thay vì sụp đổ thành một điểm kỳ dị, vũ trụ có thể nảy lên — đảo ngược từ co lại sang giãn nở.
"Điều này có thể giải thích mật độ cao được thấy trong dữ liệu nền vi sóng vũ trụ và gợi ý rằng một sự nảy lên hấp dẫn có thể tự nhiên liên kết lực hấp dẫn với cơ học lượng tử, mà không cần đến các lý thuyết mới mang tính suy đoán", Kumar cho biết.
"[Nếu có đủ vật chất], lực hấp dẫn sẽ thắng các lực lượng tử như áp suất thoái hóa, [có thể ổn định các loại sao khác nhau khỏi sự sụp đổ]," Swaraj Pradhan, một sinh viên thạc sĩ thỉnh giảng tại Đại học Portsmouth và là một trong những người đóng góp cho nghiên cứu này, cho biết thêm. "Mặc dù chúng ta hiểu các lực này trong các sao lùn trắng và sao neutron, nhưng chúng ta không có dữ liệu trực tiếp ở mật độ cực đại sau khi các lỗ đen hình thành.
"Thay vì giả định một điểm kỳ dị mà vật lý không giải thích được, thì công bằng mà nói, chúng ta nên nghĩ rằng các hiệu ứng lượng tử có thể ngăn chặn các điểm kỳ dị thực sự", Pradhan tiếp tục. "Câu trả lời trung thực nhất là chúng ta vẫn chưa biết chắc chắn. Mô hình của chúng tôi chỉ đơn giản là suy rộng các [ý tưởng] đã được kiểm tra kỹ lưỡng trong khi vẫn nhất quán với vật lý đã biết."
Mô hình dự đoán độ cong không gian dương nhỏ của vũ trụ và sự tồn tại của các vật thể di tích, như lỗ đen nguyên thủy hoặc sao neutron, được hình thành trước một cú bật vũ trụ.
CÓ LIÊN QUAN TIN TỨC:
— Thuyết vũ trụ 'nảy' vẫn không thể giải thích được điều gì xuất hiện đầu tiên
— Vũ trụ của chúng ta có bị mắc kẹt bên trong một lỗ đen không? Phát hiện này của Kính viễn vọng không gian James Webb có thể khiến bạn kinh ngạc
— Thuyết Vụ nổ lớn là gì?
"Sự nảy hấp dẫn của mô hình của chúng tôi dựa trên độ cong không gian dương nhỏ của vũ trụ, là hệ quả của khối lượng và bán kính hữu hạn của lỗ đen mà vũ trụ đã sụp đổ thành, và nguyên lý loại trừ Pauli nêu rằng không phải hai hạt lượng tử, các fermion cụ thể hơn, không thể đồng thời chiếm cùng một trạng thái lượng tử", Michael Gabler, nhà nghiên cứu tại Đại học Valencia và là một trong những tác giả của nghiên cứu này giải thích. "Sự sụp đổ xảy ra hoàn toàn trong khuôn khổ của thuyết tương đối rộng của Einstein và chúng tôi mong đợi sự tồn tại của di tích các vật thể, như lỗ đen nguyên thủy hoặc sao neutron, được hình thành trước một cú bật vũ trụ."
"Nếu chúng ta tìm thấy những di tích như vậy, đặc biệt là trong vũ trụ sơ khai, thì đó sẽ là bằng chứng mạnh mẽ ủng hộ, [cho lý thuyết này]," Gaztañaga nói thêm. "Trên thực tế, một số kết quả ban đầu từ Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST) đã tìm thấy các thiên hà có tuổi đời đáng ngạc nhiên gần với nguồn gốc của vũ trụ. Những phát hiện này có thể khó để điều chỉnh theo mốc thời gian Vụ nổ lớn tiêu chuẩn, nhưng chúng có thể hợp lý nếu các di tích ban đầu như lỗ đen siêu lớn giúp các thiên hà hình thành nhanh hơn.
"Tất nhiên, việc cho rằng Vụ nổ lớn không phải là khởi đầu tuyệt đối của mọi thứ là điều gây tranh cãi," Gaztañaga nói tiếp. "[Các nhà khoa học] có thể miễn cưỡng khi phải vượt ra ngoài các mô hình quen thuộc. Nhưng việc thách thức các giả định đã tồn tại từ lâu là điều cần thiết cho sự tiến bộ của khoa học."
Một nghiên cứu về lý thuyết này đã được công bố trên tạp chí Physical Review D.
Tuy nhiên, vẫn còn những vấn đề cơ bản với thuyết này, chẳng hạn như bản chất chưa được giải thích của năng lượng tối và vật chất tối, điểm kỳ dị tại Big Bang và sự không nhất quán giữa thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử. "Hầu hết các nhà khoa học đã phản ứng bằng cách đề xuất một dạng năng lượng mới bí ẩn — [gọi là] năng lượng tối — hoặc bằng cách sửa đổi các định luật vật lý", Enrique Gaztañaga, giáo sư tại Đại học Portsmouth, nói với Space.com. "Nhưng đây là những bước đi quyết liệt".
Gaztañaga cho biết ông và các đồng nghiệp tự hỏi liệu một lời giải thích đơn giản hơn có đủ không. "[Nghiên cứu của chúng tôi] bắt đầu với một câu hỏi đơn giản nhưng sâu sắc: Tại sao sự giãn nở của vũ trụ lại tăng tốc?" ông nói. "Toàn bộ vũ trụ quan sát được của chúng ta nằm bên trong bán kính hấp dẫn của chính nó, nghĩa là từ bên ngoài, nó sẽ trông giống như một lỗ đen. Điều đó dẫn đến một ý tưởng cấp tiến: Điều gì sẽ xảy ra nếu vũ trụ hình thành theo cùng một cách mà một ngôi sao sụp đổ thành một lỗ đen?"
Người ta tin rằng vũ trụ bắt đầu như một điểm cực kỳ nóng và đặc được gọi là điểm kỳ dị trải qua quá trình giãn nở nhanh chóng chỉ trong vài phần giây sau Vụ nổ lớn. "Nếu chúng ta tua lại quá trình giãn nở đó bằng các định luật vật lý đã biết, cuối cùng chúng ta sẽ đạt đến một điểm có mật độ vô hạn — một điểm kỳ dị — nơi không gian, thời gian và vật chất dường như đều bắt đầu", Gaztañaga cho biết. "Vì vật lý bị phá vỡ tại điểm đó, nên nó thường được diễn giải như một sự kiện sáng tạo: sự khởi đầu của mọi thứ".
Nghiên cứu mới khám phá ý tưởng rằng vũ trụ có thể không bắt đầu bằng một điểm kỳ dị mà thay vào đó xuất hiện từ sự sụp đổ của một đám mây vật chất khổng lồ trong một vũ trụ khác. Để điều tra, nhóm nghiên cứu đã chạy các mô phỏng để tìm kiếm một giải pháp có thể giải quyết một số điểm không nhất quán trong các lý thuyết vũ trụ học hiện tại — và bất ngờ phát hiện ra rằng một giải pháp phân tích chính xác mô tả các nguyên tắc cơ bản của quá trình này đã tồn tại.
"Trong các điều kiện phù hợp, sự sụp đổ này không kết thúc ở một điểm kỳ dị — thay vào đó, nó nảy lên và bắt đầu mở rộng trở lại", Gaztañaga cho biết. "Sự nảy lên đó mô phỏng những gì chúng ta gọi là Vụ nổ lớn".
Mặc dù "các kịch bản nảy lên" đã được đề xuất trong quá khứ, nhưng mô hình này nổi bật vì chỉ dựa vào các định luật vật lý đã biết. Nó tránh đưa vào các hạt hoặc lực suy đoán và mô tả sự sụp đổ hoàn toàn do hấp dẫn xảy ra bên trong một lỗ đen.
"Trong cơ học lượng tử, hai hạt giống hệt nhau (như electron hoặc neutron) không thể chiếm cùng một trạng thái — chúng không thể ở cùng một vị trí chính xác cùng một lúc", Gaztañaga giải thích. "Nguyên lý này tạo ra một loại áp suất — được gọi là áp suất thoái hóa — chống lại sự nén. Đó là thứ ngăn lõi của các ngôi sao đang chết sụp đổ vô tận và là thứ có thể kích hoạt một vụ nổ siêu tân tinh. Trong mô hình của chúng tôi, chính hiệu ứng lượng tử này đã ngăn chặn sự sụp đổ của vũ trụ và khiến nó nảy lên."
Một giả thuyết không được đưa vào bài báo hiện tại là lực hấp dẫn tương tác trực tiếp với trường Higgs — một trường lượng tử dưới nguyên tử chịu trách nhiệm tạo ra khối lượng cho các hạt, như đã được xác nhận bởi các thí nghiệm tại Máy va chạm Hadron lớn.
Trong các môi trường rất dày đặc và năng lượng cao, các hiệu ứng lượng tử trở nên quan trọng, Sravan Kumar, một nghiên cứu viên thỉnh giảng tại Đại học Portsmouth và là một trong những tác giả của nghiên cứu, cho biết. Nếu lực hấp dẫn tương tác với trường Higgs trong những điều kiện này, tương tác này có thể thay đổi cách lực hấp dẫn hoạt động. Ví dụ, nếu tương tác giữa lực hấp dẫn và trường Higgs trở nên đẩy nhau ở mật độ năng lượng cực cao, nó có thể chống lại sự sụp đổ hấp dẫn. Thay vì sụp đổ thành một điểm kỳ dị, vũ trụ có thể nảy lên — đảo ngược từ co lại sang giãn nở.
"Điều này có thể giải thích mật độ cao được thấy trong dữ liệu nền vi sóng vũ trụ và gợi ý rằng một sự nảy lên hấp dẫn có thể tự nhiên liên kết lực hấp dẫn với cơ học lượng tử, mà không cần đến các lý thuyết mới mang tính suy đoán", Kumar cho biết.
"[Nếu có đủ vật chất], lực hấp dẫn sẽ thắng các lực lượng tử như áp suất thoái hóa, [có thể ổn định các loại sao khác nhau khỏi sự sụp đổ]," Swaraj Pradhan, một sinh viên thạc sĩ thỉnh giảng tại Đại học Portsmouth và là một trong những người đóng góp cho nghiên cứu này, cho biết thêm. "Mặc dù chúng ta hiểu các lực này trong các sao lùn trắng và sao neutron, nhưng chúng ta không có dữ liệu trực tiếp ở mật độ cực đại sau khi các lỗ đen hình thành.
"Thay vì giả định một điểm kỳ dị mà vật lý không giải thích được, thì công bằng mà nói, chúng ta nên nghĩ rằng các hiệu ứng lượng tử có thể ngăn chặn các điểm kỳ dị thực sự", Pradhan tiếp tục. "Câu trả lời trung thực nhất là chúng ta vẫn chưa biết chắc chắn. Mô hình của chúng tôi chỉ đơn giản là suy rộng các [ý tưởng] đã được kiểm tra kỹ lưỡng trong khi vẫn nhất quán với vật lý đã biết."
Mô hình dự đoán độ cong không gian dương nhỏ của vũ trụ và sự tồn tại của các vật thể di tích, như lỗ đen nguyên thủy hoặc sao neutron, được hình thành trước một cú bật vũ trụ.
CÓ LIÊN QUAN TIN TỨC:
— Thuyết vũ trụ 'nảy' vẫn không thể giải thích được điều gì xuất hiện đầu tiên
— Vũ trụ của chúng ta có bị mắc kẹt bên trong một lỗ đen không? Phát hiện này của Kính viễn vọng không gian James Webb có thể khiến bạn kinh ngạc
— Thuyết Vụ nổ lớn là gì?
"Sự nảy hấp dẫn của mô hình của chúng tôi dựa trên độ cong không gian dương nhỏ của vũ trụ, là hệ quả của khối lượng và bán kính hữu hạn của lỗ đen mà vũ trụ đã sụp đổ thành, và nguyên lý loại trừ Pauli nêu rằng không phải hai hạt lượng tử, các fermion cụ thể hơn, không thể đồng thời chiếm cùng một trạng thái lượng tử", Michael Gabler, nhà nghiên cứu tại Đại học Valencia và là một trong những tác giả của nghiên cứu này giải thích. "Sự sụp đổ xảy ra hoàn toàn trong khuôn khổ của thuyết tương đối rộng của Einstein và chúng tôi mong đợi sự tồn tại của di tích các vật thể, như lỗ đen nguyên thủy hoặc sao neutron, được hình thành trước một cú bật vũ trụ."
"Nếu chúng ta tìm thấy những di tích như vậy, đặc biệt là trong vũ trụ sơ khai, thì đó sẽ là bằng chứng mạnh mẽ ủng hộ, [cho lý thuyết này]," Gaztañaga nói thêm. "Trên thực tế, một số kết quả ban đầu từ Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST) đã tìm thấy các thiên hà có tuổi đời đáng ngạc nhiên gần với nguồn gốc của vũ trụ. Những phát hiện này có thể khó để điều chỉnh theo mốc thời gian Vụ nổ lớn tiêu chuẩn, nhưng chúng có thể hợp lý nếu các di tích ban đầu như lỗ đen siêu lớn giúp các thiên hà hình thành nhanh hơn.
"Tất nhiên, việc cho rằng Vụ nổ lớn không phải là khởi đầu tuyệt đối của mọi thứ là điều gây tranh cãi," Gaztañaga nói tiếp. "[Các nhà khoa học] có thể miễn cưỡng khi phải vượt ra ngoài các mô hình quen thuộc. Nhưng việc thách thức các giả định đã tồn tại từ lâu là điều cần thiết cho sự tiến bộ của khoa học."
Một nghiên cứu về lý thuyết này đã được công bố trên tạp chí Physical Review D.
