Một trong những nghịch lý lớn nhất của vật lý hiện đại – điểm kỳ dị của hố đen – có thể sắp tìm được lời giải. Các nhà vật lý lý thuyết đề xuất rằng bằng cách sửa đổi phương trình của thuyết tương đối rộng do Albert Einstein đưa ra, trung tâm của hố đen – nơi mà không-thời gian bị bẻ cong vô hạn – có thể không phải là một điểm kỳ dị, mà là một vùng không gian cong mạnh nhưng vẫn tuân theo quy luật vật lý.
Kỳ dị hố đen – Lỗ hổng trong lý thuyết của Einstein?
Theo lý thuyết hiện tại, hố đen hình thành khi một ngôi sao khổng lồ sụp đổ, tạo ra một vùng không-thời gian mà ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát ra. Tại trung tâm của nó là một điểm kỳ dị – nơi mật độ và độ cong không-thời gian trở nên vô hạn.
Tuy nhiên, điều này mâu thuẫn với cơ học lượng tử, vốn không cho phép sự tồn tại của những điểm có mật độ vô hạn trong vũ trụ. Robie Hennigar, nhà nghiên cứu tại Đại học Durham (Anh), cho biết:
“Nếu các điểm kỳ dị thực sự tồn tại, điều đó sẽ là thảm họa đối với khoa học. Các phương trình vật lý sẽ mất khả năng dự đoán tương lai từ hiện tại và quá khứ.”
Hầu hết các nhà khoa học đều cho rằng các điểm kỳ dị không có thật, mà thực chất là dấu hiệu cho thấy thuyết tương đối rộng cần được bổ sung bằng một lý thuyết hoàn thiện hơn.
Sửa lại phương trình của Einstein
Từ khi ra đời vào năm 1915, thuyết tương đối rộng đã giải thích thành công rất nhiều hiện tượng thiên văn, từ sự hình thành hố đen, cấu trúc sao neutron cho đến sự tiến hóa của vũ trụ. Nhưng lý thuyết này vẫn có những giới hạn nhất định.
Nó không tương thích với cơ học lượng tử – ngành khoa học mô tả thế giới vi mô, và nó tiên đoán sự tồn tại của các điểm kỳ dị. Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã ứng dụng ý tưởng về lực hấp dẫn lượng tử – một nỗ lực nhằm thống nhất thuyết tương đối rộng với cơ học lượng tử.
Trong nghiên cứu được công bố trên Physics Letters B, nhóm cho rằng ở những năng lượng cực lớn hoặc kích thước cực nhỏ, phương trình của Einstein cần được mở rộng với một chuỗi vô hạn các điều chỉnh bổ sung. Điều này giúp loại bỏ điểm kỳ dị: thay vì một điểm có mật độ vô hạn, lõi hố đen sẽ trở thành một vùng không-thời gian cong mạnh nhưng vẫn có thể mô tả bằng vật lý hiện đại.
Dù đã được chứng minh trên mặt toán học, lý thuyết này cần được kiểm nghiệm bằng quan sát thực tế. Nhưng đây lại là một thách thức lớn vì nếu điểm kỳ dị không tồn tại, nó cũng nằm bên trong hố đen – nơi không gì có thể thoát ra để chúng ta quan sát.
Pablo Cano, nhà nghiên cứu tại Đại học Barcelona, cho biết:
“Việc kiểm chứng sự vắng mặt của điểm kỳ dị là rất khó, vì nó xảy ra bên trong hố đen hoặc ở thời điểm đầu của vũ trụ.”
Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu cho rằng có một số cách gián tiếp để tìm dấu hiệu của thuyết này. Một trong số đó là phân tích sóng hấp dẫn – những gợn sóng trong không-thời gian do sự va chạm của các hố đen. Nếu các phương trình mới là đúng, các sóng hấp dẫn từ những vụ va chạm này sẽ có những dấu hiệu khác biệt so với dự đoán của thuyết tương đối rộng.
Ngoài ra, vũ trụ sơ khai cũng có thể là một nơi để tìm kiếm bằng chứng. Nếu lý thuyết mới này ảnh hưởng đến quá trình lạm phát vũ trụ sau Big Bang, dấu vết của nó có thể được tìm thấy trong các sóng hấp dẫn nguyên thủy.
Nhóm nghiên cứu hiện đang tiếp tục kiểm tra xem liệu những hố đen không có điểm kỳ dị này có thể hình thành một cách tự nhiên từ sự sụp đổ hấp dẫn hay không. Họ cũng đang nghiên cứu xem lý thuyết mới này có thể giải quyết các điểm kỳ dị khác, chẳng hạn như điểm kỳ dị Big Bang hay không.
Pablo Bueno, đồng tác giả của nghiên cứu, cho biết:
“Chúng tôi đã chứng minh rằng một số dạng vật chất có thể sụp đổ để tạo thành những hố đen không có điểm kỳ dị. Chúng tôi muốn mở rộng nghiên cứu này sang nhiều trường hợp khác, bao gồm cả mô hình vũ trụ dao động – nơi Big Bang không phải là điểm khởi đầu, mà chỉ là một giai đoạn trong chuỗi nở rộng và co lại vô tận của vũ trụ.”
Nếu lý thuyết này được xác nhận, nó có thể mở ra một hướng đi hoàn toàn mới cho vật lý hiện đại, giải quyết được một trong những nghịch lý lớn nhất của khoa học về vũ trụ.
