TiaSang
Thứ 4, Ngày 22 tháng 9 năm 2021
Khoa học và Công nghệ

Lỗ đen tại gốc thời gian

10/09/2014 16:27 -

Các tác giả Niayesh Afshordi, Robert B.Mann & Razieh Pourhasan (Đại học Waterloo) đưa ra một giả thuyết giải trình cách hiểu Big Bang. Họ hình dung Big Bang đã đột sinh từ sự hình thành một lỗ đen trong một vũ trụ có bốn chiều không gian. Giả thuyết này cung cấp câu trả lời cho cách hiểu Big Bang và loại bỏ thời kỳ lạm phát (inflation).

Theo các tác giả thì giả thuyết này có khả năng  kiểm chứng được. Sau đây chúng tôi xin giới thiệu với bạn đọc bài viết của ba tác giả trên công bố tại Scientific American, tháng 8/2014.

Vũ trụ hiện tại có không gian ba chiều và một chiều thời gian. Và ta hãy gọi đó là vũ trụ ba chiều. Ta có thể nghĩ rằng trước Big Bang, vũ trụ đã sở hữu thêm một chiều không gian dư (extra dimension) nữa.


Trong kịch bản chúng tôi đề ra thì vũ trụ ba chiều hiện tại chỉ là cái bóng của một vũ trụ bốn chiều (tức có bốn chiều không gian).

Một vụ nổ hướng nội (implosion) đã tạo nên một cấu trúc ba chiều chung quanh một lỗ đen: vũ trụ chúng ta chính là cái cấu trúc đó (xem hình 1).


Hình 1. Một vụ nổ trong vũ trụ bốn chiều có thể tạo nên vũ trụ ba chiều của chúng ta

Giả thuyết của chúng tôi dựa trên cơ sở của nguyên lý toàn ảnh (holography). Nguyên lý toàn ảnh (xem phần chú thích) là nguyên lý chuyển sự mô tả vật lý từ một không gian với số chiều này sang không gian với một số chiều khác.

Sự thắng lợi của nguyên lý toàn ảnh đã thuyết phục nhiều nhà khoa học rằng đây không chỉ đơn thuần là một phép toán học. Có lẽ ranh giới giữa các không gian với số chiều khác nhau là ít ổn định hơn chúng ta tưởng. Có thể các định luật của vũ trụ được tạo nên trong một không gian với số chiều nào đó và sau  được chuyển dịch sang một không gian với số chiều mà chúng ta quan sát được. Chúng ta sống trong không gian ba chiều nhưng nếu đào sâu vấn đề, chúng ta có thể thấy rằng nguồn gốc để trả lời các câu hỏi lại nằm trong không gian bốn chiều. Vũ trụ bốn chiều đáng được tư duy đến vì nó có thể cho phép chúng ta  hiểu được những bí ẩn về nguồn gốc và bản chất của vũ trụ chúng ta.

Hãy xét Big Bang- sự bùng nổ đầu tiên dẫn đến sự hình thành vũ trụ của chúng ta. Các nhà lý thuyết hiện đại cho rằng sau Big Bang là một thời kỳ “lạm phát” – một thời kỳ dãn nở cực nhanh làm cho kích thước vũ trụ tăng lên 1078 lần hoặc hơn. Song quá trình lạm phát này không hề cung cấp được một tia sáng nào vào câu hỏi điều gì đã gây nên Big Bang. Ngược lại giả thuyết vũ trụ bốn chiều mà chúng tôi giải trình sau đây có cơ giúp tìm hiểu được cái bí ẩn tối hậu là Big Bang và loại bỏ thời kỳ lạm phát.


Hình 2. Kính viễn vọng đặt tại Nam cực để truy tìm những thời điểm đầu tiên của vũ trụ. Ngày 17/3/2014 ,nhóm Bicep2 thông báo đã tìm thấy dấu vết phân cực của sóng hấp dẫn từ lạm phát. Điều này nếu đúng thì khẳng định được quá trình  lạm phát. Kết quả của Bicep2 cho thấy, mức quan sát được của sóng hấp dẫn có thể so sánh với mức các mật độ và nhiệt trong vũ trụ sơ sinh. Tuy nhiên kết quả của Bicep2 cần được kiểm tra xem những dữ liệu đó có thuộc về CMB (thuộc về phông-background) hay lẫn với bức xạ vi ba từ bụi các thiên hà thuộc bình diện phía trước phông-foreground).

Vũ trụ đã biết và chưa biết

Sự nghiên cứu của chúng tôi về vũ trụ bốn chiều phát sinh từ nhưng bài toán chúng ta gặp phải trong vũ trụ ba chiều. Vũ trụ học hiện đại có nhiều thành tựu rực rỡ song nhiều bí ẩn buộc chúng ta phải cầu cứu đến nguyên lý toàn ảnh.

Các nhà vũ trụ có thể mô tả lịch sử toàn vũ trụ bằng cách sử dụng một số phương trình (chủ yếu phương trình Einstein) và tập năm thông số sau: mật độ vật chất; mật độ vật chất tối; mật độ năng lượng tối; biên độ (amplitude) và hình dáng (shape) các thăng giáng lượng tử lúc sơ thời của vũ trụ.
Một hệ hình (paradigm) mô tả được nhiều quan trắc vũ trụ thu được trong nhiều tỷ năm và trong không gian cực lớn của vũ trụ là mô hình Vật chất Tối và Lạnh-Lambda (Lambda-Cold Dark Matter, Λ-CDM). Song hệ hình đó vẫn còn bỏ ngỏ việc chúng ta đối diện với nhiều bí ẩn chưa có câu trả lời.

Vấn đề 1: chúng ta không hiểu được năm thông số của mô hình Λ-CDM


Hãy xét mật độ của vật chất và năng lượng trong vũ trụ. Đã nhiều thập kỷ các nhà khoa học hiểu nhầm rằng vật chất thông thường - các nguyên tố tạo nên bảng Mendeleev - là dạng vật chất ngự trị. Bây giờ chúng ta mới vỡ lẽ hiểu được rằng đó chỉ là 5% của tổng năng khối lượng, còn lại 25% thuộc về vật chất tối (chỉ có tương tác hấp dẫn) và 70% thuộc năng lượng tối, vốn gây nên dãn nở vũ trụ với gia tốc (chứ không phải dãn nở chậm dần vì sức hút  hấp dẫn như người ta nghĩ). Vật chất tối và năng lượng tối là gì? Chúng ta không biết.

Có thể câu trả lời nằm trong việc thấu hiểu Big Bang - nguồn gốc đột biến của không thời gian trong một plasma của bức xạ và hạt ở nhiệt độ 1027 độ.

Khó lòng hình dung được tình huống vì sao sau Big Bang vũ trụ lại trở thành như ta quan sát được hiện nay: một vũ trụ có nhiệt độ đồng nhất và với một độ cong gần phẳng dẫn đến các góc của một tam giác có tổng bằng 180 độ.

Trong khuôn khổ vật lý hiện nay thì chỉ có lạm phát mới dẫn đến tình huống như vậy. Lạm phát đã là phẳng mọi chỗ có độ cong của vũ trụ và đã làm cho vũ trụ có nhiệt độ đồng nhất mọi nơi. Giống như một máy khuếch đại khổng lồ, lạm phát đã khuếch đại những thăng giáng nhỏ của mật độ năng lượng thành những vật thể có kích thước vũ trụ. Chính các thăng giáng này đã là mầm của các cấu trúc như thiên hà, sao, hành tinh và thậm chí các cơ thể sống như chúng ta.

Lạm phát được xem như một hệ hình (paradigm) có hiệu quả. Đã nhiều thập kỷ các nhà vũ trụ học truy tìm và nghiên cứu CMB (Cosmic Microwave Background), bức xạ tàn dư của thăng giáng mật độ thuở vũ trụ sơ sinh. Những kết quả của vệ tinh Planck của European Space Agency  cho thấy rằng, vũ trụ quả là gần như phẳng và đồng nhất (đây hai tiên đoán chìa khóa của lạm phát). Ngoài ra biên độ và hình dáng (shape) của các thăng giáng sơ khai quan sát được cũng phù hợp với việc khuếch đại chân không lượng tử bởi lạm phát.

Vấn đề 2: lạm phát là một quá trình khó hiểu


Điều gì đã khởi động lạm phát, điều này cần năng lượng lớn. Phải chăng do trường inflaton? Như chúng ta biết trường Higgs có thể đóng vai trò inflaton, Inflaton có hai nhiệm vụ: bảo đảm dãn nở vũ trụ và bảo đảm cấu trúc của vũ trụ hiện tại từ những thăng giáng nhỏ ban đầu trong năng lượng trường inflaton.

Song inflaton cũng không giải quyết vấn đề mà chỉ đẩy các vấn đề lùi lại một bước: chúng ta không hiểu được bản chất của inflaton, nó từ đâu đến và làm sao tìm được nó, và không biết nó có tồn tại hay chăng?

Và người ta cũng không thể hiểu lạm phát đã kết thúc như thế nào? đó là bài toán thoát ra (exit) của lạm phát. Nếu một trường nào đó khởi động lạm phát thì vì sao nó lại dừng lại? điều gì đã làm nó dừng lại?

Chúng ta cũng không có lời giải thích về 5 thông số của mô hình Lambda - CDM. Chúng ta cũng chưa có lời giải thích về bản chất vũ trụ trước lạm phát.

Vấn đề 3: chúng ta không hiểu được mọi việc bắt đầu như thế nào.


Một thách thức lớn của vũ trụ học là vấn đề Big Bang - một điểm kỳ dị tại đấy mọi định luật vật lý bị phá sản. Điểm kỳ dị là một vũ trụ không có thứ tự không có luật lệ nào cả. Khó lòng hiểu được từ một vũ trụ đó lại sinh ra một vũ trụ có mọi định luật như vũ trụ hiện tại.

Điểm kỳ dị là điều kỳ lạ song không phải là không quen thuộc: ta đã có hình tượng của điểm kỳ dị đó là tâm của các lỗ đen hình thành từ sự co lại của các sao lớn. Khi nhiên liệu hạt nhân đã bị đốt hết thì hấp dẫn thắng thế và sao co lại dưới lực hấp dẫn. Những sao ít nhất lớn hơn 10 lần mặt trời sẽ co lại và bùng nổ thành siêu tân tinh (siêu tân tinh loại II ). Nếu sao lại lớn hơn 15-20 lần mặt trời thì siêu tân tinh sẽ để một hạt nhân (core) co về lỗ đen.

Lỗ đen được hình dung là một vùng mà ánh sáng không thoát ra được. Biên vùng đó là một mặt hai chiều gọi là chân trời sự cố (event horizon), đây là biên giới từ đó có đường vào mà không có đường ra. Mọi vật rơi vào quá chân trời sẽ bị cô lập với thế giới bên ngoài.

Giống như Big Bang mọi định luật bị phá sản tại lỗ đen. Song điều khác là lỗ đen lại được bao quanh bởi mặt biên gọi là chân trời sự cố. Mặt này có tác động như một vỏ thiết giáp - nó ngăn không cho mọi thông tin nội tại về kỳ dị thoát ra ngoài. Chân trời ngăn không cho người bên ngoài biết được mọi sự cố tai biến của kỳ dị.

Chúng ta trở thành bất lực đối với điểm kỳ dị vì nó bị ngăn bởi một vỏ bọc. Mọi sự cố không thoát ra được cho nên không thể nào áp dụng những định luật gì để mô tả được những điều đã xảy ra và tiên đoán được những điều sẽ đến.

Nhìn từ xa, lỗ đen là một vật thể rất đơn giản. Lỗ đen chỉ còn là một cấu trúc phẳng phiu đặc trưng bởi khối lượng, momen góc (và có thể bởi điện tích nếu có). Các nhà vật lý gọi đặc trưng đó là “lỗ đen không có tóc”.

Ngược lại, Big Bang không có vỏ bọc nào cả. Big Bang không có - chân trời (mặt biên sự cố). Chúng ta mong muốn tạo một vỏ bọc cho điểm kỳ dị Big Bang tựa như chân trời sự cố của lỗ đen.
Các tác giả bài báo này chính đang làm việc đó khi đưa ra kịch bản trong đó Big Bang biến thành một ảo ảnh vũ trụ. Điều này sẽ giúp chúng ta thoát khỏi việc cần thiết phải thấu triệt mọi hệ quả bất thường và bí ẩn của Big Bang.

Thứ nguyên dư đã co lại (EXTRADIMENSIONAL COLLAPSE)

Hãy hình dung rằng vỏ bọc được hình thành sau một quá trình co vũ trụ - giống y như đường chân trời hai chiều của lỗ đen được hình thành sau quá trình co của một sao ba chiều. Như vậy nếu quá trình co nói ở đây được thực hiện trong một vũ trụ bốn chiều không gian thì chúng ta sẽ có một vỏ bọc ba chiều.

Ở đây ta gặp lại ý tưởng của Theodor Kaluza năm 1919 và sự phát triển của Oskar Klein năm 1920 về sự tồn tại những chiều dư (extra dimensions). Ý tưởng này bị lãng quên trong hơn nửa thế kỷ và được phục hồi nhờ LTD (Lý thuyết dây - String theory) năm 1980. Hiện nay các nhà vật lý đã sử dụng ý tưởng đó để xây dựng một vũ trụ gọi là vũ trụ màng (brane world).

Ý tưởng chính của vũ trụ màng là vũ trụ ba chiều của chúng ta chỉ là một vũ trụ con (subuniverse) nhúng trong một vũ trụ có số chiều không gian lớn hơn (bốn hoặc nhiều hơn). Và vũ trụ ba chiều của chúng ta sẽ được gọi là một màng còn vũ trụ lớn được tạm gọi là “siêu vũ trụ”. Mọi dạng khối lượng và năng lượng đều dán dính trên một màng ba chiều giống như một phim được chiếu trên một màn ảnh.

Chỉ riêng hấp dẫn là có thể thoát ra khỏi màng hay nói cách khác hấp dẫn thẩm thấu khỏi màng lan sang siêu vũ trụ có số chiều lớn hơn.

Hãy hình dung rằng siêu vũ trụ bốn chiều có thể tồn tại trước Big Bang. Chúng ta có thể tưởng tượng siêu vũ trụ được lấp đầy bởi những đối tượng như sao bốn chiều, thiên hà bốn chiều. Những thiên thể bốn chiều này có thể tiêu thụ cạn nhiên liệu giống như các thiên thể ba chiều và co lại thành lỗ đen.

Một lỗ đen bốn chiều sẽ được hình dung ra thế nào? Chúng phải có một - chân trời không phải là một mặt hai chiều như trong lỗ đen mà là một chân trời ba chiều không gian như trên đã nói.

Khi mô hình hóa một quá trình chết do sự co hấp dẫn của một sao bốn chiều chúng tôi thấy rằng trong nhiều trường hợp các vật liệu bị bắn ra từ vụ co hấp dẫn của sao có thể tạo nên một màng ba chiều dãn nở chậm quanh chân trời ba chiều (giống như hai mặt cầu bao quanh một quả cầu). Vũ trụ chúng ta là một màng ba chiều – đó chính là một hologram (toàn ảnh) của một sao bốn chiều - đã co lại thành lỗ đen. Như vậy, điểm kỳ dị Big Bang sẽ bị giấu kín đối với chúng ta sau một  chân trời ba chiều (xem hình 3).


Hình 3. Trong lý thuyết chuẩn Big Bang bắt đầu từ một điểm kỳ dị. Tuy nhiên điểm  kỳ dị là một điều đáng lo ngại : ở đấy mọi định luật vật lý phá sản và khó hình dung được từ kỳ dị có thể đột sinh một vũ trụ như chúng ta quan sát hiện tại. Thay vì điều đó, các tác giả bài viết này đưa ra giả thuyết mọi việc bắt đầu bằng sự cố một vũ trụ bốn chiều co lại thành một lỗ đen tại gốc thời gian. Vũ trụ của chúng ta được bảo vệ khỏi điểm kỳ dị ở tâm lỗ đen đó bởi một chân trời sự cố ba chiều. Trên hình vẽ, chúng tôi mô tả quá trình trong ba chiều bởi vì không ai biết được một vũ trụ bốn chiều trông ra như thế nào. 

Giả thuyết này có thực tế không?

Giả thuyết này của chúng tôi có ưu điểm là loại bỏ được điểm kỳ dị (gắn liền với Big Bang). Vậy các vấn đề còn lại như tính gần phẳng và tính đồng nhất cao của vũ trụ thì sao?

Vì rằng siêu vũ trụ bốn chiều tồn tại trong một thời gian vô tận trong quá khứ cho nên nó có đủ thời gian để làm cân bằng mọi điểm nóng và điểm lạnh. Ngoài ra siêu vũ trụ vốn là phẳng cho nên vũ trụ của chúng ta cũng thừa hưởng được tính phẳng đó. Hơn nữa lỗ đen bốn chiều cũng không có tóc cho nên cái màng ba chiều cũng do đó mà phẳng phiu.

Vậy tính phẳng của vũ trụ chúng ta là sự tàn dư của quá trình co một của siêu vũ trụ

Như vậy giả thuyết của chúng tôi không những giải quyết vấn đề về tính gần phẳng và tính đồng nhất cao của vũ trụ mà không cần đến lạm phát và cũng đồng thời làm triệt tiêu mọi hệ quả khó khăn gây ra bởi điểm kỳ dị ban đầu.

Ý tưởng của chúng  tôi trông có vẻ kỳ lạ song có nhiều con đường để kiểm nghiệm. Một con đường đó là nghiên cứu CMB.

Chúng tôi có thể chỉ ra rằng các thăng giáng nhiệt trong siêu vũ trụ đó sẽ tạo nên những thăng giáng trên màng ba chiều và chúng lại làm nhiễu CMB bằng những đại lượng nhỏ song ghi đo được. Những tính toán của chúng tôi có khác với những dữ liệu cuối cùng của đài Planck của European Space Agency vào khoảng 4%. Song những chênh lệch này có thể do những hệ quả thứ cấp mà chúng tôi chưa tính đến.

Ngoài ra nếu lỗ đen bốn chiều có chuyển động quay thì màng ba chiều sẽ trông khác nhau theo các hướng, vậy về cấu trúc quy mô lớn thì vũ trụ chúng ta sẽ có tính bất đẳng hướng. Các nhà vũ trụ học có thể phát hiện được sự bất đẳng hướng này khi nghiên cứu các biến đổi tinh tế của CMB.

CC. biên dịch và chú thích

Đọc thêm:
Có những điều còn quan trọng hơn giải thưởng
http://www.tiasang.com.vn/Default.aspx?tabid=111&CategoryID=2&News=7859

---
               
[1] Nguyên lý toàn ảnh: năm1993 Gerard ‘t Hooft đề ra nguyên lý toàn ảnh  (holographic): theo nguyên lý này tồn tại một vật lý n chiều trên mặt biên mô tả được hoàn toàn vật lý (n+1) chiều của hệ nằm trong mặt biên. Một ví dụ ứng dụng nguyên lý toàn ảnh: theo nguyên lý holographic các quy luật vật lý trên mặt biên (xem là hologram) mô tả tương tác giữa các hạt như quark, gluon trong khi các quy luật vật lý của không gian nằm trong mặt biên được mô tả bởi lý thuyết siêu dây như thế có chứa cả hấp dẫn.
Trong quang học hologram là bức ảnh 2 chiều có khả năng tái lập  một vật thể 3 chiều.

[2] Out of the White Hole: A Holographic Origin for the Big Bang. Razieh Pourhasan, Niayesh Afshordi and Robert B. Mann in Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, Vol. 2014, Article No. JCAP04( 2014)005; April 2014.

[3] Out of the Darkness. Georgi Dvali; February 2004.

[4] The Illusion of Gravity. Juan Maldacena; November 2005.

[5] Origin of the Universe. Michael S. Turner; September 2009

Tags: