Cách tạo lỗ đen mới có thể hé lộ lực hấp dẫn lượng tử

14 giờ trướcBài gốc

Theo Space, kết quả này được xem như một bước tiến quan trọng trong hành trình tìm kiếm lực hấp dẫn lượng tử, điều được giới vật lý gọi là “chén thánh” của lý thuyết hiện đại.

Thuyết tương đối rộng là mô hình hiện tại tốt nhất mô tả lực hấp dẫn và cấu trúc vũ trụ ở quy mô lớn. Trong khi đó, vật lý lượng tử lại mô tả chính xác thế giới hạ nguyên tử với ba trong bốn lực cơ bản: điện từ, hạt nhân mạnh và hạt nhân yếu. Tuy nhiên, hai hệ thống lý thuyết này lại không thể hòa hợp, nhất là tại những nơi có trường hấp dẫn cực mạnh và kích thước siêu nhỏ như trung tâm các lỗ đen, nơi xuất hiện điểm kỳ dị với mật độ vật chất và độ cong không thời gian tiến tới vô hạn.

Một hình ảnh lỗ đen được bao quanh bởi vật chất - Ảnh: Space

Nhà vật lý lý thuyết Xavier Calmet từ Đại học Sussex (Anh), thuộc nhóm nghiên cứu, cho biết: “Chúng tôi tin rằng thuyết tương đối rộng chỉ có hiệu lực ở quy mô vĩ mô. Ở quy mô vi mô, nó cần được thay thế bởi một lý thuyết lượng tử về lực hấp dẫn - một lý thuyết thống nhất Einstein với cơ học lượng tử”.

Từ lâu, nhiều lý thuyết đã cố gắng thực hiện sự thống nhất này, trong đó nổi bật là lý thuyết dây, nơi các hạt cơ bản được thay thế bằng những dây nhỏ dao động trong không gian 11 chiều. Tuy nhiên, lý thuyết dây đến nay vẫn chưa thể kiểm chứng thực nghiệm và không có bằng chứng nào xác thực về sự tồn tại của các chiều không gian bổ sung.

Điều đặc biệt trong nghiên cứu mới là cách tiếp cận không đòi hỏi phải có một lý thuyết hoàn chỉnh về lực hấp dẫn lượng tử. Nhóm của Calmet sử dụng các công cụ của lý thuyết trường hiệu dụng - một kỹ thuật trong vật lý hiện đại - để đưa vào những hiệu chỉnh lượng tử nhỏ vào phương trình của Einstein. Phương pháp này vẫn giữ nguyên tính đúng đắn của thuyết tương đối rộng ở quy mô lớn, đồng thời bổ sung yếu tố lượng tử ở cấp độ nhỏ, đủ để tính toán những tác động ban đầu của lực hấp dẫn lượng tử.

Từ đó, nhóm nghiên cứu đã xác định được những nghiệm mới cho phương trình lỗ đen, không chỉ là sự điều chỉnh nhỏ của nghiệm cổ điển, mà là các “lỗ đen lượng tử” hoàn toàn mới. Những lỗ đen này khác về bản chất, tồn tại chỉ khi tính đến hiệu ứng lượng tử, và không thể xuất hiện trong thuyết tương đối rộng đơn thuần.

Theo Calmet, nhóm của ông có thể phân tích được hình dạng các nghiệm lượng tử gần chân trời sự kiện và ở vùng xa lỗ đen, nhưng chưa thể mở rộng đến trung tâm, nơi điểm kỳ dị tồn tại do hạn chế của phương pháp tiếp cận hiện tại. Để làm được điều đó, một lý thuyết hoàn chỉnh về lực hấp dẫn lượng tử là điều không thể thiếu.

Dù vậy, phát hiện rằng có những lỗ đen lượng tử mới là một bước tiến đáng kể. Nó cho thấy việc bổ sung các yếu tố lượng tử có thể tạo ra những đối tượng vật lý không thể dự đoán bằng Einstein, và như vậy, lực hấp dẫn lượng tử không chỉ là sự điều chỉnh về mặt toán học, mà còn mở ra một lĩnh vực mới về hình thái của không gian-thời gian.

Hiện nay chúng ta chưa có công cụ thực nghiệm nào để phân biệt rõ ràng giữa lỗ đen cổ điển và lỗ đen lượng tử. Vì các nghiệm này trùng khớp ở khoảng cách xa, nơi các đài quan sát thiên văn hoạt động, nên chưa có cách nào để xác định chúng thuộc về lý thuyết nào. Lỗ đen M87*, hay các lỗ đen siêu khối khác, về mặt quan sát vẫn có thể phù hợp với nghiệm lượng tử, nhưng chưa thể chứng minh được điều đó.

Calmet cho rằng đây là lý do vì sao bí mật của lực hấp dẫn lượng tử vẫn chưa được giải mã, chúng ta đang đứng bên ngoài quan sát những lỗ đen, nhưng không thể thấy bên trong hoặc phân biệt bản chất thật sự của chúng.

Dù vậy, công trình vẫn tạo nền tảng cho những bước đi tiếp theo. Nếu các hiệu chỉnh lượng tử có thể để lại dấu hiệu trên các quan sát như bóng của lỗ đen, nhiễu xạ sóng hấp dẫn hay sự phân bố nhiệt năng Hawking, các kính thiên văn và máy dò sóng hấp dẫn trong tương lai hoàn toàn có thể cung cấp dữ liệu kiểm chứng.

Lỗ đen M87* là một siêu lỗ đen nằm tại trung tâm thiên hà Messier 87 (M87), cách Trái đất khoảng 55 triệu năm ánh sáng. Với khối lượng gấp 6,5 tỉ lần Mặt trời, nó là một trong những lỗ đen lớn nhất được quan sát.

M87* nổi tiếng nhờ hình ảnh đầu tiên của lỗ đen được chụp bởi Kính viễn vọng chân trời sự kiện (EHT) vào năm 2019, cho thấy vành đĩa bồi tụ và bóng lỗ đen. Lỗ đen này có đĩa bồi tụ phát ra tia bức xạ mạnh và tạo ra các tia vật chất khổng lồ. Nghiên cứu M87* giúp hiểu rõ hơn về bản chất lỗ đen và thuyết tương đối của Einstein.

Hoàng Vũ

Nguồn Một Thế Giới : https://1thegioi.vn/cach-tao-lo-den-moi-co-the-he-lo-luc-hap-dan-luong-tu-234446.html