Mô phỏng thành công lỗ đen năm chiều

Thuyết tương đối tổng quát hiện là nền tảng cho những hiểu biết của chúng ta về trọng lực, giúp chúng ta biết rằng vật chất làm cong không thời gian xung quanh nó, từ đó tạo ra một hiệu ứng gọi là trọng lực. Trong suốt 100 năm kể từ khi công bố, thuyết này đã đứng vững trước mọi thử thách, nhưng một trong những hạn chế của nó là sự tồn tại của những điểm kỳ dị.

Điểm kỳ dị là điểm mà tại đó trọng lực có cường độ lớn đến nỗi không gian, thời gian, và các quy luật vật lý đều bị phá vỡ. Thuyết tương đối tổng quát dự đoán rằng các điểm kỳ dị này tồn tại ở trung tâm các lỗ đen, và rằng chúng bị bao bọc bởi một chân trời sự kiện, nơi mà lực hút trọng lực mạnh đến nỗi không gì có thể thoát khỏi đó, vì vậy không thể quan sát tâm lỗ đen từ bên ngoài.

Markus Kunesch, đồng tác giả nghiên cứu trên, cho biết: “Chừng nào các điểm kỳ dị còn nằm ẩn đằng sau một chân trời sự kiện thì chúng sẽ không gây ra rắc rối gì và thuyết tương đối tổng quát vẫn còn giá trị – theo luận đoán “kiểm duyệt vũ trụ”, điều này luôn xảy ra. Chừng nào luận đoán kiểm duyệt vũ trụ còn đúng thì chừng đó chúng ta còn có thể dự đoán được tương lai bên ngoài các lỗ đen.”

Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu tồn tại một điểm kỳ dị nằm bên ngoài chân trời sự kiện? Trong trường hợp này, chúng ta không những có thể nhìn thấy điểm kỳ dị đó từ bên ngoài mà nó còn trở thành một vật thể đã vận động thành một khối xác định, một trạng thái có thể phá vỡ mọi quy luật vật lý. Các nhà vật lý lý thuyết đã đưa ra giả thiết rằng một khối như thế – hay còn được gọi là điểm kỳ dị trần trụi – có thể tồn tại ở những chiều cao hơn.

Saran Tunyasuvunakoo, đồng tác giả của nghiên cứu trên, cho biết: “Nếu những điểm kỳ dị trần trụi tồn tại, thuyết tương đối tổng quát sẽ bị phá vỡ. Và khi thuyết tương đối bị phá vỡ, mọi thứ sẽ bị đảo lộn vì khi đó thuyết này sẽ không còn bất kỳ năng lực dự đoán nào nữa, nó sẽ không còn được coi là một lý thuyết độc lập giúp giải thích vũ trụ nữa.”

Chúng ta vẫn hình dung ra vũ trụ hiện nay có ba chiều, cộng thêm chiều thứ tư là thời gian – gộp lại thành không thời gian. Nhưng trong các ngành vật lý lý thuyết, chẳng hạn như lý thuyết dây, vũ trụ có thể được cấu tạo từ 11 chiều khác nhau. (Các chiều khác có thể giãn nở hay cuộn lại nên khó phát hiện ra). Con người chỉ có thể trực tiếp cảm nhận được ba chiều và chúng ta chỉ có thể suy đoán được sự tồn tại của các chiều khác thông qua những thí nghiệm năng lượng cao, chẳng hạn như những thí nghiệm được thực hiện ở máy gia tốc hạt lớn.

Lý thuyết của Einstein không nói rõ trong vũ trụ có bao nhiêu chiều, vì thế lâu nay các nhà vật lý lý thuyết đang nghiên cứu thuyết tương đối tổng quát ở những chiều cao hơn để xác minh xem liệu luận đoán kiểm duyệt vũ trụ có còn đúng nữa không. Phát hiện về các lỗ đen hình vòng tròn trong năm chiều đã dẫn các nhà nghiên cứu đi tới một giả thiết rằng loại lỗ đen này có thể làm xuất hiện một điểm kỳ dị trần trụi.

Nhờ sử dụng siêu máy tính COSMOS đặt tại trường Đại học Cambridge, nhóm nghiên cứu trên đã mô phỏng được trọn vẹn lý thuyết của Einstein trong những chiều cao hơn, từ đó giúp họ không những khẳng định được rằng những “vòng tròn đen” này là không bền vững mà còn chỉ ra được số phận chung cuộc của chúng. Thông thường, một vòng tròn đen sẽ co trở lại vào một khối cầu, nhờ vậy mà điểm kỳ dị sẽ nằm bên trong đường chân trời sự kiện. Chỉ có những vòng tròn rất mỏng mới trở nên không bền vững tới mức hình thành nên những “điểm phình” được kết nối bằng những sợi dây ngày một mỏng đi và cuối cùng chúng tách nhau ra để hình thành nên một điểm kỳ dị trần trụi. Cần phải có những kỹ thuật mô phỏng và code máy tính mới để có thể kiến tạo những hình dạng ở mức cực đoan này.

Tunyasuvunakool cho biết: “Càng mô phỏng được thuyết hấp dẫn của Einstein ở những chiều cao hơn, chúng ta càng dễ dàng sử dụng các kỹ thuật máy tính mới tiến bộ bấy nhiêu. Chúng ta đang có những bước tiến trong ứng dụng máy tính vào việc tìm hiểu lý thuyết của Einstein. Nhưng nếu luận điểm kiểm duyệt vũ trụ không đúng trong vũ trụ nhiều chiều hơn thì khi đó có lẽ chúng ta cần phải tìm hiểu xem điều gì đã đã khiến nó đúng với vũ trụ bốn chiều.”

Luận điểm kiểm duyệt vũ trụ được số đông tin rằng đúng với vũ trụ bốn chiều, nhưng nếu luận điểm này bị phản bác, khi đó chúng ta sẽ cần phải tìm ra được một cách khác để lý giải vũ trụ. Một khả năng thay thế là thuyết hấp dẫn lượng tử, vốn gần đúng với những phương trình của Einstein khi ở xa điểm kỳ dị nhưng cũng đồng thời cung cấp những cơ chế vật lý mới mô tả khá sát với điểm kỳ dị.