Kênh “Những lời dạy cổ xưa” xin chào quý vị và các bạn! Hôm nay, chúng ta sẽ cùng nhau khám phá một khía cạnh kỳ diệu của vũ trụ, nơi mà trí tuệ của Albert Einstein đã mở ra những cánh cửa tri thức mới. Trí tuệ của Đức Phật dạy chúng ta về sự vô thường của vạn vật, rằng mọi thứ đều sinh diệt, biến đổi không ngừng. Tương tự, khoa học cũng không ngừng khám phá và làm sáng tỏ những bí ẩn của vũ trụ. Việc hiểu rõ những quy luật này giúp chúng ta có cái nhìn sâu sắc hơn về cuộc sống và vũ trụ, từ đó có thể đưa ra những quyết định sáng suốt và sống một cuộc đời ý nghĩa hơn.
Vào ngày 11 tháng 2 năm 2016, các nhà nghiên cứu tại Đài quan sát Sóng hấp dẫn Giao thoa kế Laser (LIGO) đã công bố lần đầu tiên phát hiện ra sóng hấp dẫn. Theo những dự đoán từ Thuyết tương đối rộng của Einstein, những sóng này là kết quả của sự hợp nhất các vật thể lớn, tạo ra những gợn sóng có thể phát hiện được trong không gian-thời gian. Từ đó, các nhà vật lý thiên văn đã đưa ra nhiều giả thuyết về cách sử dụng sóng hấp dẫn để nghiên cứu vật lý vượt ra ngoài các mô hình tiêu chuẩn về trọng lực và vật lý hạt, đồng thời nâng cao hiểu biết của chúng ta về vũ trụ.
Sóng hấp dẫn đã được đề xuất như một phương tiện để nghiên cứu vật chất tối hoặc những gì bên trong sao neutron, siêu tân tinh hoặc sự hợp nhất của các lỗ đen siêu lớn. Trong một nghiên cứu gần đây, một nhóm các nhà vật lý từ Đại học Amsterdam và Đại học Harvard đã đề xuất một cách sử dụng sóng hấp dẫn để tìm kiếm các boson siêu nhẹ (một trong hai hạt cơ bản trong tự nhiên) xung quanh các lỗ đen quay. Phương pháp này không chỉ đưa ra một cách mới để phân biệt các đặc tính của các lỗ đen nhị phân mà còn có thể dẫn đến việc phát hiện ra các hạt mới vượt ra ngoài Mô hình Chuẩn.
Nghiên cứu sâu hơn được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu tại Vật lý thiên văn hạt hấp dẫn Amsterdam (GRAPPA) của Đại học Amsterdam, với sự hỗ trợ từ Trung tâm Vật lý lý thuyết và Trung tâm Khoa học lý thuyết Quốc gia tại Đại học Đài Bắc và Đại học Harvard. Kết quả nghiên cứu được công bố với tựa đề “Đám mây Boson sắc nét trong các lỗ đen xoắn ốc nhị phân” trên tạp chí Physical Review Letters.
Một thực tế được biết đến là vật chất thông thường sẽ xâm nhập vào lỗ đen theo thời gian, tạo thành một đĩa bồi tụ xung quanh rìa bên ngoài của nó (còn gọi là Chân trời sự kiện). Đĩa này sẽ được tăng tốc đến tốc độ cực lớn, khiến vật chất bên trong trở nên siêu nóng và giải phóng một lượng bức xạ lớn, đồng thời từ từ bồi tụ vào bề mặt lỗ đen. Tuy nhiên, trong vài thập kỷ qua, các nhà khoa học đã quan sát thấy rằng các lỗ đen sẽ mất đi một phần khối lượng của chúng thông qua một quá trình được gọi là “siêu bức xạ”.
Hiện tượng này đã được Stephen Hawking nghiên cứu, ông mô tả cách các lỗ đen quay sẽ phát ra bức xạ “thật” đối với người quan sát gần đó, nhưng là “ảo” đối với người ở xa. Trong quá trình truyền bức xạ từ một hệ quy chiếu sang hệ quy chiếu khác, sự gia tốc của hạt sẽ khiến hạt chuyển từ trạng thái ảo sang trạng thái thực. Dạng năng lượng kỳ lạ này, được gọi là “Bức xạ Hawking”, sẽ tạo thành các đám mây hạt khối lượng thấp xung quanh lỗ đen. Điều này dẫn đến “nguyên tử hấp dẫn”, được đặt tên như vậy vì chúng giống với các nguyên tử thông thường trong các đám mây hạt bao quanh lõi.
Mặc dù các nhà khoa học biết rằng hiện tượng này xảy ra, họ cũng hiểu rằng nó chỉ có thể được giải thích thông qua sự tồn tại của một hạt siêu nhẹ mới tồn tại bên ngoài Mô hình Chuẩn. Đây là trọng tâm của bài báo mới, trong đó tác giả chính Daniel Baumann, tại Vật lý thiên văn hạt hấp dẫn Amsterdam và Đại học Đài Bắc, cùng với các đồng nghiệp, đã kiểm tra cách siêu âm gây ra các đám mây boson siêu nhẹ không ổn định, hình thành tự nhiên xung quanh các lỗ đen.
Ngoài ra, họ cho rằng sự tương đồng giữa nguyên tử hấp dẫn và nguyên tử thông thường đi sâu vào cấu trúc của chúng. Tóm lại, họ cho rằng các lỗ đen nhị phân có thể khiến các hạt trong đám mây của chúng bị ion hóa thông qua hiệu ứng quang điện. Như Einstein đã mô tả, điều này xảy ra khi năng lượng điện từ (như ánh sáng) tiếp xúc với một vật liệu, khiến nó phát ra các electron bị kích thích (còn gọi là quang electron).
Khi áp dụng cho một lỗ đen nhị phân, Baumann và các đồng nghiệp đã chỉ ra cách các đám mây boson siêu nhẹ có thể hấp thụ “năng lượng quỹ đạo” của “người bạn đồng hành” trong lỗ đen. Điều này sẽ khiến một số boson bị đẩy ra và tăng tốc. Cuối cùng, họ đã chứng minh quá trình này có thể thay đổi đáng kể sự tiến hóa của các lỗ đen nhị phân.
Như họ nói: “Năng lượng quỹ đạo bị mất trong quá trình này có thể lấn át sự mất mát do phát xạ sóng hấp dẫn, vì vậy quá trình ion hóa thúc đẩy sự tăng trưởng chứ không chỉ làm rối loạn nó. Chúng tôi chỉ ra rằng cường độ ion hóa chứa các đặc điểm sắc nét, dẫn đến một ‘đường gấp khúc’ đặc biệt trong sự tăng trưởng của tần số sóng hấp dẫn phát ra”.
Họ lập luận rằng những “đường gấp khúc” này sẽ được các giao thoa kế sóng hấp dẫn thế hệ tiếp theo như Ăng-ten Không gian Giao thoa kế Laser (LISA) chú ý. Quá trình này có thể được sử dụng để khám phá một lớp hạt siêu nhẹ hoàn toàn mới và cung cấp thông tin trực tiếp về khối lượng và trạng thái của đám mây “nguyên tử hấp dẫn”.
Tóm lại, các nghiên cứu đang diễn ra về sóng hấp dẫn, sử dụng các giao thoa kế nhạy hơn, có thể tiết lộ các hiện tượng vật lý kỳ lạ, giúp nâng cao hiểu biết của chúng ta về các lỗ đen và dẫn đến những đột phá mới trong vật lý hạt. Trong những năm tới, các nhà vật lý thiên văn hy vọng sẽ sử dụng chúng để thăm dò những môi trường khắc nghiệt nhất trong vũ trụ, như các lỗ đen và sao neutron. Họ cũng hy vọng rằng sóng hấp dẫn nguyên thủy sẽ tiết lộ những bí ẩn của vũ trụ sơ khai, giúp giải quyết bí ẩn về sự mất cân bằng vật chất/phản vật chất và dẫn đến một lý thuyết lượng tử mới về trọng lực.
Vậy chúng ta muốn gì từ trọng lực lượng tử? Một lý thuyết về trọng lực lượng tử sẽ cho chúng ta biết cách vật chất lượng tử tương tác hấp dẫn, đặc biệt khi trọng lực mạnh. Miễn là trọng lực yếu, chúng ta có thể tiến hành lượng tử hóa theo cách tương tự như cách chúng ta lượng tử hóa các tương tác khác. Nhưng việc lượng tử hóa tại trường hấp dẫn yếu này không còn ý nghĩa khi trọng lực mạnh, ví dụ như khi các hạt năng lượng cao va chạm ở mức năng lượng cao đến mức các hạt này có tương tác hấp dẫn mạnh.
Trọng lực lượng tử cũng sẽ cho chúng ta biết điều gì đã xảy ra trong vũ trụ rất sớm. Theo thuyết tương đối rộng, vũ trụ của chúng ta được sinh ra với một điểm kỳ dị. Kết quả phi logic này chỉ ra rằng chúng ta cần một mô tả cơ bản hơn về không gian và thời gian sau đó. Vì trọng lực trong vũ trụ sơ khai rất mạnh, nên không thể bỏ qua các hiệu ứng lượng tử của trọng lực khi mô tả giai đoạn này của vũ trụ. Thuyết tương đối rộng cũng dự đoán các điểm kỳ dị khi vật chất sụp đổ thành các lỗ đen, dẫn đến cái gọi là nghịch lý mất thông tin lỗ đen.
Nó đề cập đến thực tế là các lỗ đen phát ra bức xạ nhiệt do hiệu ứng lượng tử, nhưng không bao gồm các hiệu ứng trọng lực lượng tử. Nhưng khi lỗ đen hoàn toàn bốc hơi, tất cả những gì còn lại là bức xạ nhiệt, bất kể điều gì đã tạo thành lỗ đen. Thông tin bị phá hủy trong quá trình không thể đảo ngược này, nhưng vì các quá trình không thể đảo ngược là không thể xảy ra trong cơ học lượng tử như chúng ta biết, nên đây là một mâu thuẫn. Trọng lực lượng tử sẽ giải thích điều gì xảy ra với thông tin bên trong các lỗ đen.
Cùng với việc giải quyết những vấn đề khó khăn này, lý thuyết thành công về trọng lực lượng tử cũng phải có khả năng tái tạo tất cả những thành tựu của thuyết tương đối rộng và Mô hình Chuẩn của lĩnh vực vật lý hạt cơ bản. Và nó phải đưa ra những dự đoán có thể kiểm chứng được, điều này mang lại cho chúng ta sự đảm bảo rằng chúng ta có một mô tả đúng về tự nhiên.
Qua bài viết này, “Những lời dạy cổ xưa” hy vọng đã mang đến cho quý vị những kiến thức mới mẻ về vũ trụ và những khám phá khoa học đầy thú vị. Hãy tiếp tục theo dõi và ủng hộ kênh để đón nhận những giá trị tri thức sâu sắc hơn nữa.