Có phải vạn vật đều sinh ra từ các hố đen kích cỡ nhỏ?

Nỗ lực tìm hiểu con đường tác động của lực hấp dẫn đối với mức lượng tử, các nhà vật lý học mới đây đã phát triển một mô hình mới mang một ý nghĩa thú vị: các hố đen bé nhỏ có thể tồn tại ở khắp nơi, mọi phần tử có thể được tạo thành từ nhiều dạng hố đen khác nhau.

Các nhà khoa học bao gồm Donal Coyne thuộc Đại học California Santa Cruz (hiện đã qua đời) và D. C. Cheng thuộc Trung tâm nghiên cứu Almaden gần San Jose rất thận trọng với quan điểm nói trên. Nhưng họ cho rằng nó đáng được nghiên cứu bằng thiết bị Large Hadron Collider (LHC) và các thí nghiệm vật lý năng lượng cao khác. Cruz và Cheng trình bày quan điểm của họ trong một nghiên cứu công bố trực tuyến.

Theo các nhà vật lý giải thích, lực hấp dẫn được coi là nguồn lực vô cùng to lớn, nó tác động tới các mức nhỏ hơn dường như không tồn tại. Tuy nhiên, các nhà khoa học viết: “nó thường được cho là nằm gần mức Planck, lực hấp dẫn bằng cách nào đó đã tự khẳng định mình và có sức mạnh tương đối so với các nguồn lực khác trong tự nhiên, nó giống như một sản phẩm của một bức tranh hợp nhất vĩ đại”. Coyne và Cheng tiếp cận lực hấp dẫn quy mô nhỏ bằng cách tiến hành một mô hình bay hơi hố đen mới. Khi hố đen mất năng lượng, chúng dần dần bốc hơi, thu hẹp kích cỡ đến mức lượng tử - khi đó chúng có lẽ tương đương với các hạt vật chất cơ bản.

Mô hình mới này cho rằng “lực hấp dẫn thực sự mạnh mẽ so với các nguồn lực khác, nhưng chúng ta vẫn chưa tiến hành thử nghiệm tìm kiếm những nơi mà nó tồn tại. Nhưng thay vì mở ra những chiều hướng mới, chúng tôi lại đi tìm ở đâu đó. Một nơi hiển nhiên nơi các nhà khoa học vẫn chưa thử nghiệm tìm kiếm lực hấp dẫn chính là vùng chân trời của các hồ đen nơi nhiệt độ đủ mức để lực hấp dẫn lượng tử có thể có công dụng. Chúng tôi suy đoán rằng ở mức độ này, cấu trúc không gian thời gian của các đường chân trời có thể quá phức tạp so với những gì được dự đoán từ học thuyết tương đối nói chung. Chúng có thể sẽ cần một chút tự do để ước định một trạng thái đặc biệt, chúng cũng có thể làm thất thoát thông tin. Quan trọng hơn, nếu lực hấp dẫn có tồn tại trong vùng chân trời và nó thực sự mạnh, nhưng chúng ta lại không hề tìm kiếm được bằng chứng nào về nó ở các quy mô lớn hơn, vậy thì các đường chân trời phức tạp về bản chất chính là những tấm chắn”. Đường chân trời bảo vệ giả là sự suy đoán khác thường, quan điểm này cho rằng lực hấp dẫn là một nguồn lực rất mạnh nhưng thực chất lại bị che đậy đi.

Bằng cách nghiên cứu lực hấp dẫn lượng tử tại các đường chân trời của hố đen, mô hình mới cho thấy sự bay hơi của hố đen dường như giống nhau đối với sự phân hủy hạt vật chất cơ bản. (Ảnh: Coyne và Cheng)

Bài viết của Coyne và Cheng có tiêu đề “shielded strong gravity scenario" (SSGS) dựa trên các nguyên tắc về vật lý nhiệt độ cao và nhiệt động lực học có thể mô cả các hố đen ở mọi mức độ khác nhau, nhưng sự khác biệt trong phương pháp này chỉ ra rằng các hố đen đó mới chỉ ở kích cỡ dưới mức Planck hoặc mức Planck mà thôi. Khi đó, mô hình nghiên cứu mới dừng việc tìm hiểu nhiệt động lực học khác thường của các hố đen kinh điển, thay vào đó tạo ra một trạng thái ngày càng giống với một vật thể tuân theo vật lý học nhiệt truyền thống. Ví dụ, trong mô hình mới, sự bay hơi của hố đen không bị giới hạn trong sự vô cùng của vật lý, nó mang các đặc điểm nhiệt động lực học truyền thống sau khi trải qua một pha thay đổi rõ rệt.

Nói cách khác, mô hình dự đoán rằng bất cứ một trạng thái nào phát hiện được ở các khối lượng dưới mức Planck sẽ có hoạt động bình thường, và sẽ trở nên rất giống với các hạt vật chất cơ bản. “Có lẽ kết luận yên lòng nhất mà chúng ta thu được đó là giải pháp động lực học ở cả hai mô hình buộc các trạng thái dưới mức Planck phải tuân theo nguyên tắc Heisenberg, do dó cho phép chúng hoạt động giống như các vật chất cơ bản bình thường,” các nhà khoa học viết.

Khi họ phát hiện ra các hố đen cỡ nhỏ hoạt động như thế nào, họ thấy rằng sự lượng tử hóa của vũ trụ ở mức độ này có nghĩa là các hố đen mini có thể mang nhiều mức độ năng lượng khác nhau và với số lượng lớn. Các nhà khoa học dự đoán những hố đen mino có thể rất phổ biến, phổ biến đến nỗi mọi phân tử có thể là các dạng khác nhau của hố đen ở các mức năng lượng khác nhau.

Coyne và Cheng viết: “Thoạt nhìn viễn cảnh mà nghiên cứu SSGS đưa ra dường như thật kỳ lạ nhưng lại không phải như thế. Đó chính xác là cái người t among đợi nếu một hộ đen đang bốc hơi bỏ lại tàn dư phù hợp với cơ học lượng tử. Người ta có thể thừa nhận rằng các hố đen nhẹ nhàng chuyển hóa thành một vật thể khá lớn và có thể cũng là một hạt vật chất cơ bản không ổn định, khi đó nó tiếp tục bốc hơi (phân hủy) để trở về các trạng thái tĩnh phổ biến hơn. Điều này có thể mang lại cái nhìn mới về quá trình bay hơi của các hố đen lớn, chúng dường như không có sự khác biệt nào trong nguyên tắc phân hủy tương liên của các hạt vật chất cơ bản”.

Một trong những ý nghĩa của mô hình này có thể là năng lượng tối và vật chất tối – dường như đóng vai trò lực đẩy – trên thực tế có thể được bao quanh bởi nhóm các hố đen chắn lực hấp dẫn ở mức độ phân tử cơ bản. Những khả năng như thế này tuy vậy rất khó kiểm chứng. Mặc dù có thể các thí nghiệm với LHC trong tương lai có thể tiến hành mẫu đối với các vùng sinh ra hố đen. Các nhà khoa học nhấn mạnh rằng đây chính là cái mà vật lý năng lượng cao đang tiến hành suốt thời gian qua với các mức năng lượng khác nhau. Có thể chúng ta không gỡ rối được các hố đen ra khỏi các phần tử vật chất cơ bản nếu thực sự không có khác biệt cơ bản nào giữa chúng.