Liệu chúng ta có đang sống trong một hố đen?

Khi ngước nhìn bầu trời đầy sao vào ban đêm, ta dễ hình dung rằng không gian là vô tận. Nhưng các nhà vũ trụ học biết rằng vũ trụ thực chất có những giới hạn nhất định.

Thứ nhất, các mô hình khoa học tốt nhất hiện nay cho thấy không gian và thời gian đều có điểm khởi đầu – một điểm hạ nguyên tử gọi là điểm kỳ dị (singularity). Từ trạng thái có mật độ và nhiệt độ cực cao đó, vũ trụ đã giãn nở dữ dội trong sự kiện Big Bang.

Thứ hai, vũ trụ khả kiến của chúng ta bị bao quanh bởi một ranh giới gọi là chân trời sự kiện vũ trụ – vượt qua ngưỡng này, không gì còn có thể quan sát được nữa, bởi vũ trụ đã giãn nở nhanh hơn tốc độ ánh sáng, khiến nhiều khu vực trở nên quá xa ngay cả với những kính thiên văn mạnh nhất.

Điều thú vị là hai yếu tố này – điểm kỳ dị và chân trời sự kiện – cũng chính là những đặc trưng cốt lõi của hố đen. Những “quái vật hấp dẫn” này tồn tại khắp vũ trụ, nuốt chửng khí, bụi và cả ánh sáng. Giống như vũ trụ, hố đen cũng bị giới hạn bởi một chân trời sự kiện – ranh giới mà vượt qua đó, không còn gì có thể quay lại, và bên trong được cho là chứa một điểm kỳ dị.

Có lẽ chính vì sự tương đồng này mà một số công trình khoa học gần đây đã gợi ý rằng toàn bộ vũ trụ của chúng ta có thể đang nằm bên trong một hố đen.

Dù ý tưởng này có phần nằm ngoài khuôn khổ của vũ trụ học truyền thống, khả năng “sống trong hố đen” không chỉ là suy tưởng viển vông.

“Đây chắc chắn là một ý tưởng hợp lý,” Niayesh Afshordi, nhà vật lý thiên văn tại Viện Vật lý Lý thuyết Perimeter (Canada), cho biết. “Vấn đề là làm sao khiến các chi tiết của nó thực sự vận hành được.”

Lược sử của giả thuyết “vũ trụ trong hố đen”

Toán học nền tảng giúp chúng ta hiểu vũ trụ có nhiều điểm tương đồng với toán học mô tả hố đen. Cả hai đều bắt nguồn từ thuyết tương đối rộng của Albert Einstein, theo đó vật chất làm cong cấu trúc không – thời gian, từ đó sinh ra lực hấp dẫn.

Một sự trùng hợp đáng chú ý là bán kính của vũ trụ quan sát được lại đúng bằng bán kính của một hố đen có khối lượng tương đương toàn bộ vũ trụ.

Chính điều này đã khiến một số nhà khoa học, từ nhiều thập kỷ trước, đặt ra giả thuyết rằng vũ trụ nằm bên trong một hố đen. Hai người đầu tiên phát triển ý tưởng này một cách nghiêm túc là nhà vật lý lý thuyết Raj Kumar Pathria và nhà toán học I. J. Good vào thập niên 1970.

Khoảng 20 năm sau, nhà vật lý Lee Smolin còn tiến xa hơn khi đề xuất rằng mỗi hố đen hình thành trong vũ trụ của chúng ta có thể tạo ra một vũ trụ mới bên trong nó, với các định luật vật lý hơi khác so với vũ trụ “mẹ”. Theo cách này, các vũ trụ “nảy chồi” từ nhau, biến đổi và tiến hóa khi sinh ra các vũ trụ con. Smolin gọi ý tưởng này là chọn lọc tự nhiên vũ trụ.

Vũ trụ của chúng ta… là mặt đối lập của hố đen?

Dù các ý tưởng trên chưa bao giờ trở thành quan điểm chủ đạo, nhiều nhà vật lý vẫn thừa nhận mối liên hệ khái niệm sâu sắc giữa hố đen và vũ trụ.
“Về mặt toán học, chúng liên hệ rất chặt chẽ,” Ghazal Geshnizjani, nhà vật lý lý thuyết tại Viện Perimeter, nhận định. “Chúng giống như hai mặt đối lập của nhau.”

Vũ trụ được cho là bắt đầu từ một điểm kỳ dị – nơi mật độ là vô hạn trước Big Bang. Ngược lại, hố đen kết thúc bằng một điểm kỳ dị, một “điểm nghiền nát” siêu nhỏ nơi mọi thứ bị ép đến mức không còn ý nghĩa vật lý.

Chân trời sự kiện của hố đen – bề mặt hình cầu bao quanh điểm kỳ dị – chính là ranh giới không thể quay đầu. Trái với hình ảnh “máy hút bụi vũ trụ” trong văn hóa đại chúng, hố đen thực ra khá “yên ổn”: một con tàu vũ trụ có thể bay quanh và thoát ra an toàn, miễn là chưa vượt qua chân trời sự kiện.

Sự giãn nở không ngừng của vũ trụ cũng tạo ra hiện tượng tương tự. Khi quan sát bầu trời, ta thấy các thiên hà càng xa thì càng rời xa chúng ta nhanh hơn. Ở những khoảng cách cực lớn, tốc độ giãn nở vượt quá tốc độ ánh sáng, khiến các thiên thể biến mất sau một ranh giới – chân trời vũ trụ. Cảm giác chẳng khác nào các ngôi sao đang rơi vào “miệng” của một hố đen bị lộn ngược từ trong ra ngoài.

Nghe hơi… đau đầu, đúng không? Nhưng điều quan trọng là: những điểm tương đồng bề mặt này không đồng nghĩa rằng vũ trụ chính là một hố đen. Để đưa ra kết luận như vậy, các nhà vật lý cần xác định được những hệ quả có thể quan sát được của giả thuyết này.

“Chúng ta có lý thuyết, và lý thuyết thì phải có hệ quả,” Alex Lupsasca, nhà vật lý tại Đại học Vanderbilt, cho biết. “Nếu hệ quả đó bị thực nghiệm bác bỏ, thì các giả định ban đầu cũng không còn đúng.”

Làm sao biết vũ trụ có nằm trong hố đen hay không?

Nếu vũ trụ thực sự nằm bên trong một hố đen, thì điều đó phải để lại dấu vết quan sát được. Ví dụ, vũ trụ có thể có một “hướng ưu tiên” nào đó – các thiên hà quay theo một chiều nhất định, hoặc tồn tại một trục tinh tế trong bức xạ nền còn sót lại từ Big Bang.

“Bạn sẽ kỳ vọng thấy một dạng độ dốc nào đó trong vũ trụ,” Afshordi nói. “Một hướng hướng về tâm hố đen, một hướng hướng ra ngoài.”

Tuy nhiên, các phép đo chính xác nhất hiện nay cho thấy vũ trụ ở quy mô lớn là rất đồng đều, không có hướng đặc biệt nào. Đây là nền tảng của nguyên lý vũ trụ học, cho rằng vũ trụ trông gần như giống nhau ở mọi nơi. Việc giải thích sự đồng nhất này từ một sự kiện hỗn loạn như sự ra đời của hố đen là một thách thức lớn. Hố đen hình thành từ những ngôi sao chết – một quá trình rối loạn, bạo liệt và không hề đều đặn.

Ngoài ra còn có bài toán điểm kỳ dị của hố đen. Với bất kỳ thứ gì rơi vào, đó là kết cục không thể tránh khỏi – hoàn toàn trái ngược với một vũ trụ đang giãn nở ngày càng nhanh.

Để giải quyết những vấn đề này, các nhà vật lý cần tìm cách kết hợp hai lý thuyết thành công nhất của thế kỷ 20: thuyết tương đối rộng (mô tả cái rất lớn) và cơ học lượng tử (mô tả cái rất nhỏ). Điểm kỳ dị – nhỏ đến vô hạn nhưng mang khối lượng khổng lồ – không thể được mô tả trọn vẹn bởi bất kỳ lý thuyết nào trong số đó. Đây chính là lý do vì sao lý thuyết hấp dẫn lượng tử vẫn là mục tiêu chưa đạt tới của khoa học hiện đại.

Cũng vì vậy, chúng ta vẫn chưa thể biết chính xác điều gì xảy ra bên trong hố đen hay trước Big Bang.

Dẫu vậy, các nhà vũ trụ học đồng thuận rằng việc khám phá những ý tưởng này vừa kích thích trí tuệ, vừa có thể dẫn đến các khám phá hoàn toàn mới. Biết đâu trong tương lai, chúng ta sẽ phải điều chỉnh lại các mô hình vũ trụ của mình – và phát hiện rằng vũ trụ thật sự đang nằm trong một hố đen.