Lỗ trắng và lỗ sâu: hai nghiệm toán học chưa ai nhìn thấy

Điểm xuất phát chung

Năm 1916, Karl Schwarzschild tìm ra nghiệm đầu tiên cho phương trình trường Einstein.

Nghiệm này mô tả một vật thể có lực hấp dẫn mạnh đến mức xuất hiện chân trời sự kiện, ranh giới mà không gì có thể thoát ra ngoài. Đây chính là nền tảng lý thuyết của lỗ đen.

Từ cùng hệ phương trình đó, các nhà vật lý cũng tìm thấy những nghiệm kỳ lạ khác, trong đó có lỗ trắng và lỗ sâu.

Lỗ trắng là gì?

Lỗ trắng có thể được xem là "phiên bản đảo ngược thời gian" của lỗ đen.

• Lỗ đen cho vật chất đi vào nhưng không cho thoát ra.
• Lỗ trắng cho vật chất đi ra nhưng không cho đi vào.

Tuy nhiên, lỗ trắng không đẩy vật thể ra bằng phản hấp dẫn. Nó vẫn có khối lượng và vẫn hút các vật thể xung quanh.

Vì sao lỗ trắng khó tồn tại?

Có hai vấn đề lớn:

• Dường như đi ngược chiều tăng entropy của tự nhiên.
• Rất không ổn định, chỉ cần một lượng vật chất nhỏ rơi vào là có thể sụp đổ thành lỗ đen.

Vì vậy, phần lớn các nhà vật lý cho rằng nếu lỗ trắng từng tồn tại thì chúng rất khó tồn tại lâu trong vũ trụ thực.

Lỗ sâu là gì?

Lỗ sâu (wormhole) là một "đường hầm" nối hai vùng khác nhau của không–thời gian.

Ý tưởng này xuất hiện trong công trình của Einstein và Rosen năm 1935, nên đôi khi còn được gọi là cầu Einstein–Rosen.

Một cách hình dung đơn giản là:

• Đi theo con đường thông thường cần băng qua toàn bộ khoảng cách.
• Lỗ sâu là con đường tắt nối hai điểm xa nhau.

Có thể đi qua lỗ sâu không?

Theo nghiệm nguyên thủy của Einstein–Rosen:

Không.

Đường hầm sẽ sụp đổ quá nhanh trước khi bất kỳ vật thể hay ánh sáng nào kịp đi qua.

Để giữ một lỗ sâu mở lâu hơn, các mô hình lý thuyết yêu cầu một loại vật chất đặc biệt có mật độ năng lượng âm, thường gọi là vật chất kỳ dị (exotic matter).

Cho tới nay:

• Chưa từng phát hiện loại vật chất này ở quy mô cần thiết.
• Chưa có bằng chứng quan sát nào về lỗ sâu.

Vì sao các nhà vật lý vẫn nghiên cứu chúng?

Dù chưa được phát hiện, lỗ trắng và lỗ sâu vẫn có giá trị khoa học vì:

• Giúp kiểm tra giới hạn của thuyết tương đối rộng.
• Liên quan đến các câu hỏi sâu sắc về lỗ đen và thông tin lượng tử.
• Có thể cung cấp manh mối cho một lý thuyết thống nhất giữa hấp dẫn và cơ học lượng tử.

Khác gì với lỗ đen?

Trong khi đó, lỗ đen đã được xác nhận bằng nhiều cách:

• Phát hiện sóng hấp dẫn từ các vụ hợp nhất lỗ đen (2015).
• Ảnh lỗ đen M87* (2019).
• Ảnh Sagittarius A* ở tâm Ngân Hà (2022).

Kết luận

Lỗ trắng và lỗ sâu đều là những nghiệm hợp lệ về mặt toán học của thuyết tương đối rộng. Tuy nhiên, khác với lỗ đen, chúng chưa từng được quan sát trong tự nhiên và hiện tồn tại nhiều trở ngại vật lý khiến chúng khó có thể xuất hiện trong vũ trụ mà chúng ta quan sát được.

🕳️ Nói ngắn gọn: lỗ đen đã bước ra khỏi phương trình để trở thành đối tượng thiên văn thực sự; lỗ trắng và lỗ sâu vẫn đang nằm trong phạm vi của lý thuyết và giả thuyết.

Đọc thêm

• Hố đen: nơi hình học của không gian sụp đổ
• Ngôi sao: cấu tạo và vòng đời
• Thiên hà: định nghĩa và cách phân loại