Chìa khóa giải mã bí ẩn vũ trụ: Mỗi hố đen chứa một vũ trụ mới

Nikodem Poplawski (sinh năm 1975), Nhà vật lý người Ba Lan mới đây đã tìm ra chìa khóa để giải mã cho những bí ẩn vũ trụ mà khoa học trước nay vẫn phải “bó tay”. Và sau đây là phát hiện của ông.

Vũ trụ của chúng ta có thể tồn tại bên trong một hố đen (của một vũ trụ khác). Điều này nghe có vẻ lạ, nhưng nó thực sự có thể là lời giải thích thuyết phục nhất về cách vũ trụ hình thành, và những gì chúng ta quan sát ngày nay. Đó là một lý thuyết đã được khám phá trong vài thập kỷ qua bởi một nhóm nhỏ các nhà vật lý bao gồm cả tôi.

Là một lý thuyết rất thành công, thuyết vụ nổ Big Bang vẫn có những vấn đề lớn chưa được giải đáp, cho thấy vũ trụ bắt đầu như một ‘điểm kỳ dị’ dường như không khả thi, một điểm cực kỳ nhỏ chứa một sự tập trung vật chất vô cùng cao, giãn nở thành vũ trụ chúng ta quan sát được hôm nay. Lý thuyết căng phồng, một sự giãn nở không gian siêu nhanh được đề xuất trong những thập kỷ gần đây, thêm vào nhiều chi tiết quan trọng, chẳng hạn như tại sao sự tập hợp của vật chất trong vũ trụ sơ khai lại tạo thành các thiên thể lớn như các thiên hà và cụm thiên hà.

Tuy nhiên, những lý thuyết này để lại những vấn đề chưa được giải đáp. Ví dụ, điều gì đã khởi động vụ nổ Big Bang? Điều gì khiến sự căng phồng kết thúc? Nguồn năng lượng tối bí ẩn đang khiến vũ trụ tăng tốc độ giãn nở một cách rõ ràng là gì?

Ý tưởng về việc vũ trụ của chúng ta hoàn toàn được chứa trong một hố đen giải quyết được những vấn đề này và nhiều vấn đề khác. Nó loại bỏ khái niệm về những ‘điểm kỳ dị’ vật lý có trong vũ trụ của chúng ta. Và nó dựa trên hai lý thuyết quan trọng nhất trong vật lý.

Thứ nhất là thuyết tương đối rộng, lý thuyết hiện đại về trọng lực. Nó mô tả vũ trụ ở phạm vi lớn nhất. Bất kỳ sự kiện nào trong vũ trụ xảy ra như một điểm trong không gian và thời gian, còn gọi là thời không. Một vật thể lớn như Mặt trời bóp méo hoặc ‘làm cong’ thời không, giống như một quả bóng bowling đặt trên vải. Lực hấp dẫn của Mặt trời làm thay đổi chuyển động của Trái đất và các hành tinh khác quay quanh nó. Lực hút của các hành tinh xoay quanh Mặt trời mà chúng ta biết đến như là lực hấp dẫn. Thứ hai là cơ học lượng tử, mô tả vũ trụ ở phạm vi nhỏ nhất, chẳng hạn như cấp độ của nguyên tử. Tuy nhiên, cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng là những lý thuyết riêng biệt; các nhà vật lý đã cố gắng kết hợp cả hai thành một lý thuyết duy nhất có tên ‘lực hấp dẫn lượng tử’ một cách thành công, để mô tả đầy đủ các hiện tượng quan trọng, bao gồm cả hành vi của các hạt hạ nguyên tử trong các hố đen.

Một sự mô phỏng của thuyết tương đối rộng những năm 1960, được gọi là thuyết hấp dẫn Einstein-Cartan-Sciama-Kibble, có tính đến các hiệu ứng từ cơ học lượng tử. Nó không chỉ cung cấp một bước tiến tới lực hấp dẫn lượng tử mà còn dẫn đến một nhận thức mới về vũ trụ. Sự cải biến của thuyết tương đối rộng kết hợp một tính chất lượng tử quan trọng được gọi là ‘spin’ (xoay). Các hạt như nguyên tử và electron sở hữu ‘spin’, hoặc động lượng góc nội tại tương tự như một vận động viên trượt băng trên băng.

Trong bức tranh này, các ‘spin’ trong các hạt tương tác với thời không và cấp cho nó một thuộc tính gọi là torsion (sự xoắn). Để hiểu ‘sự xoắn’, hãy tưởng tượng không thời gian không phải là một bức tranh hai chiều, mà là một thanh linh hoạt, một chiều. Bẻ cong thanh này tương ứng với uốn cong thời gian, và xoắn thanh tương ứng với sự xoắn thời không. Nếu một thanh là đủ mỏng, bạn có thể uốn cong nó, nhưng khó để biết được nó có bị xoắn hay không.

‘Sự xoắn’ thời không sẽ chỉ có ý nghĩa trong vũ trụ sơ khai hoặc trong các hố đen. Trong những môi trường khắc nghiệt này, xoắn thời không sẽ biểu hiện như một lực đẩy để đánh bại lực hấp dẫn đến từ độ cong thời không. Như trong phiên bản tiêu chuẩn của thuyết tương đối rộng, các tinh cầu khổng lồ cuối cùng biến thành các hố đen: Các vùng không gian mà không có thứ gì, kể cả ánh sáng, có thể thoát ra.

Đây là cách ‘sự xoắn’ sẽ diễn ra trong những khoảnh khắc sơ khai của vũ trụ của chúng ta. Ban đầu, lực hấp dẫn từ không gian cong sẽ chiến thắng lực đẩy của ‘sự xoắn’, để thu gọn vật chất vào các vùng không gian nhỏ hơn. Nhưng cuối cùng, ‘sự xoắn’ sẽ trở nên rất mạnh và ngăn không cho vật chất nén vào một điểm có mật độ vô hạn; vật chất sẽ đạt đến trạng thái mật độ cực lớn nhưng hữu hạn. Khi năng lượng có thể được chuyển đổi thành khối lượng, năng lượng hấp dẫn cực lớn trong trạng thái cực kỳ dày đặc này sẽ gây ra sự sản sinh mạnh mẽ của các hạt, làm tăng cao khối lượng bên trong hố đen.

Số lượng các hạt có ‘spin’ tăng lên sẽ dẫn đến những cấp độ xoắn thời không cao hơn. ‘Sự xoắn đẩy’ sẽ ngăn sự sụp đổ và sẽ tạo ra một ‘cú nảy lớn’ giống như một quả bóng bãi biển bị nén ra bên ngoài. Sự giật lùi lại nhanh chóng sau một cú nảy lớn như vậy có thể là khởi đầu cho sự hình thành vũ trụ mở rộng của chúng ta. Kết quả của sự giật lùi lại này phù hợp với các quan sát về hình dạng, hình học và phân bố khối lượng của vũ trụ.

Đổi lại, cơ chế xoắn cho thấy một kịch bản đáng kinh ngạc: Mỗi hố đen sẽ tạo ra một vũ trụ mới, và vũ trụ con ở bên trong. Nếu đó là sự thật, thì vật chất đầu tiên (bản nguyên vật chất) trong vũ trụ của chúng ta đến từ một nơi khác. Vì vậy, vũ trụ của chúng ta có thể ở bên trong một hố đen của vũ trụ khác. Giống như chúng ta không thể nhìn thấy những gì đang diễn ra bên trong các hố đen trong vũ trụ, bất kỳ người quan sát nào trong vũ trụ mẹ cũng không thể thấy những gì đang diễn ra trong các hố đen trong vũ trụ của chúng ta.

Chuyển động của vật chất qua ranh giới của hố đen, được gọi là ‘chân trời sự kiện’, sẽ chỉ xảy ra theo một hướng, cung cấp hướng thời gian mà chúng ta cho là tiến về phía trước. Do đó, hướng thời gian trong vũ trụ của chúng ta sẽ được thừa hưởng, thông qua ‘sự xoắn’ từ vũ trụ mẹ.

‘Sự xoắn’ cũng có thể giải thích sự mất cân bằng quan sát được giữa vật chất và phản vật chất trong vũ trụ. Do ‘sự xoắn’, vật chất sẽ phân rã thành các electron và quark quen thuộc, và phản vật chất sẽ phân rã thành ‘vật chất tối’, một dạng vật chất vô hình bí ẩn chiếm phần lớn trong vũ trụ.

Cuối cùng, ‘sự xoắn’ có thể là nguồn của ‘năng lượng tối’, một dạng năng lượng bí ẩn thâm nhập vào tất cả không gian và làm tăng tốc độ giãn nở của vũ trụ. Hình học với ‘sự xoắn’ một cách tự nhiên tạo ra một ‘hằng số vũ trụ’, một loại lực bên ngoài được thêm vào, đó là cách đơn giản nhất để giải thích năng lượng tối. Do đó, sự giãn nở gia tăng được quan sát của vũ trụ có thể là bằng
chứng cuối cùng và thuyết phục nhất cho ‘sự xoắn’.

Do đó, ‘sự xoắn’ cung cấp một nền tảng lý thuyết cho một kịch bản trong đó, phần bên trong của mỗi hố đen trở thành một vũ trụ mới. Nó cũng là giải pháp cho một số vấn đề chính của thuyết hấp dẫn và vũ trụ học hiện nay. Các nhà vật lý vẫn cần kết hợp lý thuyết Einstein – Cartan – Sciama – Kibble một cách hoàn hảo với cơ học lượng tử thành một lý thuyết hấp dẫn lượng tử. Trong khi giải quyết một số vấn đề lớn, nó phát sinh những câu hỏi mới. Chẳng hạn, chúng ta biết gì về vũ trụ mẹ và hố đen bên trong vũ trụ của chính chúng ta? Chúng ta sẽ có bao nhiêu tầng vũ trụ mẹ? Làm thế nào chúng ta có thể kiểm tra rằng vũ trụ của chúng ta sống là ở trong một hố đen?

Vấn đề cuối cùng có thể sẽ được nghiên cứu: Vì tất cả các ngôi sao và các hố đen chuyển động quay, vũ trụ của chúng ta sẽ được thừa hưởng trục quay của hố đen mẹ như là ‘hướng ưu tiên’. Có một số bằng chứng gần đây từ các cuộc khảo sát của hơn 15.000 thiên hà cho biết, trong một bán cầu của vũ trụ, có nhiều thiên hà xoắn ốc hơn quay theo chiều kim đồng hồ, trong khi ở bán cầu còn lại quay ngược chiều kim đồng hồ. Dù là trường hợp nào, tôi tin rằng bao gồm cả ‘sự xoắn’ trong hình học thời không là một bước đúng đắn hướng tới một lý thuyết vũ trụ học thành công.

Lương Phong (Theo Inside Science)