- Một nghiên cứu gần đây nêu ra khả năng Vụ Nổ Lớn (Big Bang) thực chất đã xảy ra bên trong một lỗ đen
- Giả thuyết này có thể bổ sung hoặc thay đổi lý thuyết chuẩn hiện tại về nguồn gốc vũ trụ
- Kỳ dị và các hiện tượng hấp dẫn lượng tử bên trong lỗ đen là chủ đề cốt lõi quan trọng
- Một góc nhìn mới được đưa ra dựa trên phân tích từ dữ liệu quan sát và vật lý lý thuyết
- Đề xuất mở rộng hiểu biết và định hướng khám phá về sự ra đời của vũ trụ và các quá trình ban đầu
Giả thuyết Vụ Nổ Lớn (Big Bang) có nguồn gốc bên trong lỗ đen
Theo một nghiên cứu được công bố gần đây, Vụ Nổ Lớn, vốn được biết đến rộng rãi là nguồn gốc của vũ trụ, thực ra có thể đã xảy ra bên trong một lỗ đen. Trong mô hình chuẩn hiện nay, Vụ Nổ Lớn được hiểu là điểm khởi đầu hoàn toàn của thời gian và không gian; tuy nhiên, lý thuyết mới xem xét khả năng rằng trước Big Bang, những hiện tượng chủ chốt đã bắt đầu bên trong một thiên thể như lỗ đen.
Điểm khác biệt so với lý thuyết chuẩn hiện có
- Trong vũ trụ học chuẩn, quan điểm chủ đạo là vũ trụ bắt đầu từ một kỳ dị (singularity), tức một điểm nơi mọi thứ bị nén đến vô hạn
- Nghiên cứu mới khảo sát khả năng kỳ dị này nằm bên trong lỗ đen, và do các điều kiện nội tại của lỗ đen cùng hiệu ứng hấp dẫn lượng tử, một hiện tượng giống như Vụ Nổ Lớn đã xảy ra
- Lý thuyết này cũng có những điểm giao thoa với các nghiên cứu đi trước của một số nhà vật lý lý thuyết như Stephen Hawking
Phương pháp nghiên cứu và các luận điểm chính
- Nhóm nghiên cứu đã phân tích chi tiết cấu trúc thời gian và không gian bên trong lỗ đen dựa trên dữ liệu quan sát mới nhất và các phép tính vật lý lý thuyết
- Nghiên cứu nhấn mạnh rằng tính chất của thời gian và không gian bên trong lỗ đen có thể vận hành khác với vũ trụ thông thường
- Từ đó, nghiên cứu đưa ra khả năng diễn giải mới về cách vũ trụ xuất hiện lần đầu và quá trình giãn nở của nó
Ý nghĩa và hướng nghiên cứu tiếp theo
- Giả thuyết này có thể tạo ảnh hưởng lớn đến các cuộc thảo luận về sự ra đời của vũ trụ và các điều kiện ban đầu
- Thông qua sự phát triển của thuật toán và nghiên cứu mô hình số, có thể kiểm chứng sâu hơn tính xác đáng của giả thuyết nguồn gốc bên trong lỗ đen
- Thay vì thay thế mô hình chuẩn hiện có, đây được xem là một nỗ lực mang tính bổ sung, cung cấp một khuôn khổ mới để hiểu nguồn gốc vũ trụ
Kết luận
Nghiên cứu này gắn kết chặt chẽ với nhiều lĩnh vực như vũ trụ học, nghiên cứu lỗ đen và bài toán hấp dẫn lượng tử. Nó đề xuất một góc nhìn mới cho câu hỏi lâu nay xoay quanh Vụ Nổ Lớn, đồng thời được kỳ vọng sẽ thúc đẩy các thảo luận chuyên sâu và kiểm chứng thực nghiệm trong tương lai.
1 bình luận
Ý kiến trên Hacker News
Tò mò về “điều gì thực sự đang bị đặt cược” trong chủ đề này, không rõ những dự đoán được nêu trong bài có dẫn tới các vấn đề quan trọng trong tương lai xa hay cũng có thể giúp ích cho các vấn đề gần hơn; không có ý hạ thấp nghiên cứu, chỉ là tò mò thuần túy
Điều gây ấn tượng là người viết bản tóm tắt này cũng là một trong các tác giả của bài báo; dù có gánh nặng phải đơn giản hóa quá mức, nhưng ít nhất cũng loại bỏ được nguy cơ hiểu sai khoa học
Đọc rất thú vị; mong sẽ có thêm nhiều nhà nghiên cứu đăng cả whitepaper lẫn bài blog, dù cũng hiểu không phải nhà khoa học nào cũng viết blog giỏi hoặc muốn viết, và cũng hơi lo nếu đến lúc người ta chỉ đánh giá nhà nghiên cứu qua độ nổi tiếng/khả năng viral của blog
Vẫn tốt hơn rất nhiều so với việc đội ngũ truyền thông của trường đại học viết các bài cường điệu; thay vì lặp lại những khẩu hiệu sáo rỗng kiểu đầu tiên trên thế giới hay thay đổi mô thức, tác giả tập trung vào điều thực sự quan trọng, chẳng hạn liệu điều này có thể được kiểm chứng bằng thực nghiệm không, và nếu có thì phải quan sát bằng cách nào
Bài viết thực sự rất hay; lời giải mà người này đưa ra có cảm giác cực kỳ đơn giản nhưng lại giải quyết hoàn toàn các vấn đề của những mô hình trước đó; có thể tưởng tượng rằng mỗi lỗ đen đều có một vũ trụ khác nhau bên trong nó
Câu chuyện rất thú vị, nhưng ngay cả khi tác giả đúng và vũ trụ thực sự được sinh ra bên trong một lỗ đen lớn hơn, thì lại nảy ra câu hỏi vũ trụ cấp trên đó được tạo ra như thế nào; có lẽ đây là vấn đề mà chúng ta sẽ không bao giờ biết được
Có lẽ vũ trụ lớn hơn và các vũ trụ bên trong nó có thể cùng mang cấu trúc tự đồng dạng kiểu fractal, như vậy thì câu hỏi này được giải quyết
Một câu đùa kiểu “rùa ở dưới nữa, rồi lại rùa mãi mãi”
Có cảm giác như đây là cách nhìn vũ trụ quá theo góc độ 3 chiều
Học cơ học lượng tử có vẻ dẫn ta tới khía cạnh rằng “mọi thứ có thể tưởng tượng được đều đồng thời tồn tại thực sự”; tức là mọi vũ trụ khả dĩ và mọi định luật vật lý khả dĩ đều tồn tại theo cách nào đó, và chúng ta chỉ thuộc về một trong số đó; cũng giống như việc Trái Đất trông có vẻ là một hành tinh đặc biệt trong Hệ Mặt Trời nhưng thực ra xét từ góc nhìn vũ trụ thì không phải vậy
Tôi đã có rất nhiều thắc mắc về chủ đề này từ lâu; dù không được đào tạo vật lý, nhưng sau khi biết khối lượng lỗ đen tỉ lệ tuyến tính với bán kính Schwarzschild thì thấy nó rất có lý; khi lỗ đen càng lớn thì mật độ của nó càng giảm, và nếu kết hợp với quan sát rằng vũ trụ của chúng ta có mật độ gần như đồng đều ở quy mô lớn, thì có vẻ sẽ tồn tại một điểm giao nơi mật độ giảm dần của lỗ đen siêu khối lượng gặp mật độ cố định của toàn vũ trụ; tôi thỉnh thoảng nói chuyện vật lý với đồng nghiệp nhưng chưa từng nghe được câu trả lời rõ ràng nào, mà những hàm ý của chuyện này thì thực sự rất hấp dẫn
Tôi hơi không thoải mái với cách dark energy được dùng để giải thích thay cho năng lượng thực; thông thường nó được mô tả là “nguyên nhân đẩy mọi thứ ra xa nhau”, nhưng ngược lại, dark energy giống một dạng năng lượng âm khiến năng lượng thoát ra khỏi vũ trụ, tức là giống như sự mất mát của tổng năng lượng; trong vật lý cổ điển, khi hai vật thể tách xa nhau thì thế năng được tích trữ và có thể thu hồi về sau, nhưng dark energy lại khác, càng xa nhau thì chúng lại càng tiếp tục tách xa nhanh hơn; nghĩa là từ góc nhìn toàn cục đây là một cấu trúc mất năng lượng; ở thế giới lượng tử hiện tượng này cũng tiếp diễn, photon tần số cao chuyển thành tần số thấp; dark energy có cảm giác như năng lượng đang rời khỏi vũ trụ một cách không thể đảo ngược, giống như bốc hơi ở bên trong một lỗ đen
Khi hỏi câu này ngoài đời, tôi thường nghe câu trả lời rằng thành phần “năng lượng” của dark energy được chuẩn hóa dưới dạng “sức căng” của vũ trụ, nhưng lời giải thích đó không khiến tôi thấy thỏa mãn lắm
Nó làm tôi nhớ tới một lý thuyết thú vị từng thấy trên HN trước đây: một giả thuyết giải thích vì sao vũ trụ giãn nở ngày càng nhanh là tốc độ thời gian trôi khác nhau tùy theo khối lượng; giả định là ở không gian rỗng giữa các thiên hà, thời gian trôi nhanh hơn bên trong thiên hà, và ở thang vũ trụ tổng thể thì chênh lệch tích lũy này có thể trở nên lớn; với một người không chuyên như tôi thì nghe khá hợp lý
Về ý “dark energy có cảm giác như năng lượng rời khỏi vũ trụ, giống như bốc hơi trong lỗ đen…”, thì thật ra lỗ đen sẽ lớn lên khi vật chất đi vào chân trời sự kiện và nhỏ đi khi bốc hơi; nếu ví sự giãn nở của vũ trụ và mất năng lượng theo khung quy chiếu lỗ đen, thì ngược lại lại giống như có thêm năng lượng chảy vào
Nếu lấy ước tính khối lượng của vũ trụ thay vào công thức Schwarzschild thì sẽ thấy nó cực kỳ gần với kích thước của vũ trụ quan sát được
Trước câu hỏi “chẳng phải xem dark energy là năng lượng âm có vẻ hợp lý hơn sao”, tôi cũng nghĩ từ góc nhìn của một người không chuyên khác rằng năng lượng mà lỗ đen về mặt lý thuyết mất đi là quá nhỏ để phát hiện, trong khi tổng lượng dark energy là thành phần lớn nhất của vũ trụ quan sát được, nên không chắc các con số có thực sự khớp không
Về nhận định rằng quan sát cho thấy vũ trụ của chúng ta có mật độ đồng nhất ở quy mô lớn, thì thực ra điều đó đúng ở thời điểm recombination, nhưng giả định rằng toàn bộ quá trình tiến hóa cho tới nay đều đồng nhất là chuẩn LCDM (Lambda Cold Dark Matter), và theo tôi điều này cũng chưa hẳn đã được chứng thực đầy đủ về mặt thực nghiệm; xem Cosmic web, Inhomogeneous cosmology
Tôi trực giác đồng ý với ý “dark energy giống năng lượng âm”; nếu chuyển hạng lambda trong phương trình Einstein sang phía tensor năng lượng-động lượng thì nó thực sự đóng vai trò âm, và quan sát cho thấy lambda dường như là dương
Trong một hệ cổ điển, khi hai đối tượng càng xa nhau thì thế năng tích trữ có thể được thu hồi về sau, nhưng dark energy không có cấu trúc như vậy (càng xa càng tăng tốc), tức là từ góc nhìn toàn cục có thể xem là mất năng lượng
Trong thuyết tương đối rộng, định luật bảo toàn năng lượng không đúng ở quy mô toàn cục của toàn vũ trụ Conservation of energy, mà chỉ đúng cục bộ (local); thậm chí việc định nghĩa nghiêm ngặt năng lượng của không-thời gian cũng rất khó Stress–energy tensor, Mass in general relativity
Dark energy (hằng số vũ trụ) đúng nghĩa là một hằng số, nên dù có sự mất năng lượng khi không gian giãn nở thì hằng số hấp dẫn cũng không thay đổi; tham khảo bài báo arxiv
Xét tới câu chuyện “fermion bounce” mà bài báo này coi là trọng tâm, nếu so sánh với các thang khối lượng và năng lượng mà chúng ta biết thì kết quả cuối cùng sẽ là một lỗ đen khổng lồ; nếu một lỗ đen lớn như vậy từng tồn tại thì cũng lại khiến người ta tò mò nó đã nằm trong môi trường nào, kể cả khi nó bị mắc kẹt bên trong vì độ cong dương nên chỉ dao động qua lại…
Dù vậy, các thảo luận liên quan tới lý thuyết lỗ đen-vũ trụ đã có từ khá lâu; khó xem đây là một phương án thay thế mang tính cách mạng hay quá cấp tiến, mà là một ý tưởng có thể nảy ra khá tự nhiên chỉ cần hiểu khái niệm chân trời sự kiện; điểm mới của bài báo này nằm ở chỗ họ đưa ra được “nghiệm giải tích”
Nếu muốn đọc hard SF thì tôi gợi ý "Cosm" của Gregory Benford viết năm 1999; chuyện kể về việc tạo ra một tiểu vũ trụ cỡ quả bóng bowling trong phòng thí nghiệm, rồi nhà khoa học đó phải cố bảo vệ vũ trụ ấy khỏi các đặc vụ chính phủ; điểm thú vị là trong vũ trụ này, thời gian cũng tương đối giống như kích thước nên không cần chờ quá lâu
Đã thêm ngay vào danh sách đọc; tôi rất thích việc thường xuyên thấy các đề xuất SF trên HN, chỉ có điều sách hay thì quá nhiều nên danh sách phải đọc cứ dài ra mãi, thở dài vì có lẽ cả đời cũng không đọc hết
Tôi thấy bối cảnh này khá giống "Horton Hears a Who"
Một tác phẩm kinh điển tương tự là "Microcosmic God" (1941) của Theodore Sturgeon
Tôi nhớ Star Trek DS9 từng có một tập tương tự như vậy
Nó cũng gợi nhớ đến tập 6 mùa 2 của Rick and Morty, 'The Ricks Must be Crazy', nơi Rick tạo ra cả một microverse để làm pin cho con tàu của mình, rồi nhà khoa học trong đó lại tạo tiếp một miniverse
Tôi từng đọc đâu đó giả thuyết rằng vũ trụ 3D của chúng ta nằm bên trong một lỗ đen 4D; theo lý thuyết này, khi vượt qua chân trời sự kiện của lỗ đen thì tọa độ bán kính trở thành giống như thời gian nên mất đi một bậc tự do không gian, trong khi không gian theo các hướng góc vẫn có thể chuyển động, từ đó hình thành một vũ trụ N-1 chiều; tức là vũ trụ 3D là vật chất rơi vào từ lỗ đen 4D, lỗ đen 3D thì là Flatland 2D, còn vũ trụ 4D bên ngoài lại thuộc về một lỗ đen 5D… kiểu tưởng tượng như vậy
Có người chỉ ra rằng trong 4 chiều thì toán tử curl không hoạt động như vậy
Về câu “vượt qua chân trời sự kiện thì tọa độ bán kính trở thành thời gian và mất đi 1 chiều không gian”, thì tọa độ thời gian cũng đồng thời trở nên mang tính không gian, nên vẫn còn 3 bậc tự do; không phải chiều không gian tự dưng biến mất, mà điều này tuân theo tiền đề vật lý rằng không-thời gian là một đa tạp Lorentz 4D; hơn nữa, kỳ dị lỗ đen thuộc về một dạng tương lai, chứ không phải một “địa điểm” có thể thực sự chạm tới bằng hạt
Sau đó lại có trò tưởng tượng rằng “các hằng số vật lý quen thuộc của vũ trụ chúng ta thật ra có thể là tàn dư bị kéo dài như sợi mì (spaghettified) từ không gian nhiều chiều hơn”; tôi từng nghĩ vui rằng tốc độ ánh sáng
ccó thể chính là một hằng số kiểu spaghettified như vậy; biết đâu mọi hằng số đều là tàn dư từ vũ trụ cấp trênTò mò không biết bên trong lỗ đen 1 chiều sẽ có gì
Về cách mô tả “Big Bang là một điểm kỳ dị nơi vũ trụ sinh ra trong một vụ nổ”, báo chí thường đưa tin như vậy nhưng thực ra đó không phải lý thuyết chuẩn hiện nay; kiểu kịch bản “trước Big Bang không có không-thời gian” gần với quan điểm cá nhân của Stephen Hawking hơn
Mô tả chính xác hơn là: các lý thuyết hiện tại của chúng ta hoàn toàn không có cách giải thích “trước Big Bang”; khi đi tới điểm cần đến hấp dẫn lượng tử thì toán học của chúng ta vỡ vụn hoàn toàn, nên chúng ta không thể khẳng định bất cứ điều gì về trạng thái trước Big Bang; nói cách khác, ngay cả ý tưởng trước Big Bang không có không-thời gian cũng chỉ là suy đoán; truyền thông cứ liên tục đưa các suy luận như vậy như thể là “tin khoa học”, nhưng về bản chất khoa học chưa từng có lập trường chính thức nào về vấn đề này, mọi khẳng định đều chỉ là suy đoán, và truyền thông thường truyền đạt sai chúng như thể đó là kết luận khoa học
Có vẻ nhiều người, dù có ý thức hay không, vẫn không thực sự hiểu bản chất của mô hình chuẩn (Lambda-CDM) là “không có cái gì trước Big Bang”; trước t=0 thì bản thân khái niệm thời gian cũng không tồn tại
Tò mò không biết chính xác lý thuyết chuẩn hiện nay là gì
Cuối cùng rồi có lẽ chúng ta sẽ phát hiện ra rằng chu kỳ của vũ trụ không chỉ có một, tức là chúng ta không phải vũ trụ duy nhất hay chu kỳ duy nhất; nhìn theo lịch sử thì chúng ta đã đi từ quan niệm Trái Đất là trung tâm vũ trụ sang Hệ Mặt Trời, và giờ dường như lại đến bước nhận ra vũ trụ của chúng ta cũng không có gì quá đặc biệt giữa các vũ trụ
Một câu đùa rằng nếu thấy khó chấp nhận chuyện vũ trụ “tự phát sinh”, thì tin vào Chúa cũng chẳng khác biệt là bao
Về lời giải thích trong bài báo rằng “theo định lý của Penrose, nguyên lý loại trừ lượng tử (hai fermion không thể chiếm cùng một trạng thái) ngăn vật chất bị nén vô hạn, vì thế sự sụp đổ dừng lại và xảy ra bật nảy”, thì câu hỏi là tại sao sao neutron vẫn sụp đổ thành lỗ đen dù vẫn tuân theo nguyên lý loại trừ này
Có lẽ vì lỗ đen là sự méo cong vĩ mô của không-thời gian, chứ không chỉ là hiện tượng mang tính lượng tử cục bộ
Một lý do sao neutron sụp đổ thành lỗ đen là hiện tượng “electron capture”, trong đó electron bị ép kết hợp với proton để tạo thành neutron và neutrino; khi áp suất đủ lớn thì vật chất đi qua nhiều trạng thái vật chất suy biến (degenerate matter), và về mặt lý thuyết ở giai đoạn suy biến cuối cùng thậm chí có thể tồn tại vật thể nhỏ hơn bán kính Schwarzschild; tuy nhiên các trạng thái vật chất như vậy không thể quan sát nên độ bất định còn rất lớn; không ai biết điều gì xảy ra bên trong bán kính Schwarzschild, có nhiều ý tưởng nhưng chưa có lời giải thích chắc chắn; các hiện tượng vật lý lượng tử gần kỳ dị lỗ đen vẫn còn là điều chưa biết
Câu trả lời là nếu khối lượng đủ lớn thì lực hấp dẫn mạnh đến mức ngay cả khi mọi fermion đều ở các trạng thái khác nhau, sự sụp đổ vẫn tiếp tục
Từ mô tả rằng “lý thuyết vũ trụ-lỗ đen xem toàn bộ vũ trụ của chúng ta được tạo ra bên trong một lỗ đen trong vũ trụ cấp trên”, thì phản ứng là: vậy trong lỗ đen của vũ trụ chúng ta cũng lại có một vũ trụ khác nữa sao? Chỉ nghĩ thôi đã thấy choáng ngợp
Ý tưởng này thật ra đã có từ trước khá lâu; tuy vậy, nói rằng vũ trụ ở bên trong lỗ đen theo nghĩa “được chứa trong đó” có thể không hoàn toàn chính xác; xem White hole Big Bang/Supermassive White Hole
Một câu đùa rằng hóa ra phim Men In Black mới là phim tài liệu