Einstein có thể đã sai về lỗ đen

Theo định luật hấp dẫn của Albert Einstein, những lỗ đen có ba đặc điểm: khối lượng, động lượng quay (chuyển động quay của một vật) và điện tích.

Nếu các giá trị này của hai lỗ đen bất kỳ giống nhau, ta sẽ không thể phân biệt chúng. Ngoài ra, các lỗ đen không có “tóc”, cách nói ẩn dụ để chỉ hố đen không có đặc tính phức tạp.

Paul Chesler, một nhà vật lý tại Đại học Harvard, cho biết: “Trong thuyết tương đối cổ điển, các lỗ đen sẽ hoàn toàn giống nhau và bạn không thể phân biệt được chúng".

Albert Einstein, nhà vật lý lý thuyết người Đức, cho rằng các lỗ đen không có "tóc" và giống nhau. Ảnh: Wikipedia.

Tuy nhiên, các nhà khoa học đã bắt đầu tự hỏi liệu “định lý không có sợi tóc” có thật sự đúng hay không. Năm 2012, nhà toán học Stefanos Aretakis tại Đại học Cambridge, nay là Đại học Toronto, lập luận rằng một số lỗ đen có thể có sự bất ổn định trên đường chân trời sự kiện của chúng và tạo ra lực hấp dẫn mạnh hơn ở một số vùng so với những vùng khác.

Những vùng bất ổn này lưu giữ nhiều thông tin hơn. Chính điều này làm cho các lỗ đen giống hệt nhau có thể phân biệt được.

Tuy nhiên, các phương trình của ông chỉ cho thấy rằng điều này có thể xảy ra đối với các lỗ đen cực hạn, là những lỗ đen có giá trị lớn nhất về khối lượng, động lượng quay hoặc điện tích. Nhưng theo những gì đã biết, “những lỗ đen này không thể tồn tại, ít nhất là trong tự nhiên”, Chesler nói.

Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta có một lỗ đen gần đạt cực hạn, tức một lỗ đen đã tiệm cận tới các giá trị cực đại nhưng chưa hoàn toàn chạm tới chúng? Một lỗ đen như vậy có thể tồn tại, ít nhất là trên lý thuyết. Nếu có một lỗ đen như vậy, liệu nó có nằm ngoài định luật “không sợi tóc” không?

Theo Einstein, khi các lỗ đen giống nhau ở ba đặc điểm khối lượng, động lượng quay và điện tích, con người không thể phân biệt được chúng. Ảnh: IET.

Một bài viết vừa được xuất bản tháng trước đã cho câu trả lời là có. Hơn nữa, những sợi tóc này còn có thể được phát hiện bằng đài quan sát sóng hấp dẫn.

Gaurav Khanna, nhà vật lý tại Đại học Massachusetts và Đại học Rhode Island, và là một trong những tác giả của nghiên cứu cho biết: “Về cơ bản, lý thuyết của Aretakis chỉ ra rằng có một số thông tin bị bỏ sót ở phía chân trời. Nghiên cứu của chúng tôi mở ra khả năng đo được sợi tóc (thông tin) này".

Đặc biệt, các nhà khoa học cho rằng tàn tích của quá trình hình thành lỗ đen hoặc những xáo trộn sau đó, chẳng hạn như vật chất rơi vào lỗ đen, có thể tạo ra sự bất ổn định về trọng trường ở bên trên hoặc gần đường chân trời sự kiện của một lỗ đen gần cực hạn.

“Chúng tôi hy vọng rằng tín hiệu hấp dẫn mà chúng tôi thấy sẽ hoàn toàn khác với các lỗ đen thông thường không đạt cực hạn”, Khanna cho biết.

Lia Medeiros, một nhà vật lý thiên văn tại Viện Nghiên cứu Cao cấp ở Princeton, New Jersey, cho biết lập luận các lỗ đen có “tóc” có thể có ý nghĩa với nghịch lý thông tin lỗ đen nổi tiếng, do nhà vật lý quá cố Stephen Hawking tìm ra, nghịch lý chắt lọc mâu thuẫn giữa thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử, hai trụ cột vật lý vĩ đại của thế kỷ 20.

“Nếu bạn vi phạm một trong các giả định của nghịch lý thông tin, bạn có thể tự giải quyết được nghịch lý đó, và một trong những giả thiết là định lý không có tóc. Nếu chúng ta có thể chứng minh không - thời gian thực tế của lỗ đen bên ngoài nó khác với những gì chúng ta từng nghĩ, điều đó sẽ có ý nghĩa rất lớn đối với thuyết tương đối rộng”, Medeiros nói.

Ngoài ra, khía cạnh thú vị nhất của nghiên cứu có lẽ là việc nó cung cấp một phương pháp để kết hợp các ghi nhận trước đó về lỗ đen với vật lý cơ bản. Việc phát hiện “sợi tóc” của các lỗ đen cho phép chúng ta tìm hiểu các ý tưởng như lý thuyết dây và lực hấp dẫn lượng tử theo cách chưa từng có trước đây.

Nghiên cứu mới chỉ ra các lỗ đen có thể có "tóc". Ảnh: Wired.

Tuy nhiên, trở ngại lớn nhất chính là việc không chắc chắn về sự tồn tại của các lỗ đen gần cực đại. Và ngay cả khi chúng có xảy ra, vẫn chưa rõ liệu các máy dò sóng hấp dẫn có đủ nhạy để phát hiện những bất ổn này từ các “sợi tóc” hay không, bởi vì hiện tượng “sợi tóc” dự kiến sẽ cực kỳ ngắn, chỉ kéo dài trong tích tắc.

Các nhà nghiên cứu cho rằng bước tiếp theo sẽ là xem xét liệu chúng ta nên tìm kiếm loại tín hiệu nào từ các máy dò hấp dẫn, chẳng hạn như hai máy đang hoạt động LIGO và Virgo hoặc các thiết bị trong tương lai như LISA của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu.

Helvi Witek, nhà vật lý thiên văn tại Đại học Illinois, Mỹ, cho biết: “Bây giờ người ta nên xây dựng thiết bị dựa trên lý thuyết này và tính toán tần số của bức xạ hấp dẫn, đồng thời tìm hiểu cách chúng ta có thể đo lường và xác định nó”.

“Bước tiếp theo là đi từ nghiên cứu rất hay này và tạo ra một sự khác biệt”, ông nói.

Có rất nhiều lý do để giới khoa học muốn làm như vậy. Mặc dù cơ hội chứng minh lý thuyết trên là rất nhỏ, nhưng một khám phá như vậy sẽ không chỉ thách thức thuyết tương đối rộng của Einstein, mà còn chứng minh sự tồn tại của các lỗ đen gần cực trị.

“Chúng tôi rất muốn biết liệu thiên nhiên có cho phép những con quái vật như vậy tồn tại hay không. Điều đó sẽ tạo ra những tác động khá lớn đối với lĩnh vực nghiên cứu của chúng tôi", theo Khanna.

Sang Trần (theo Wired)