WORMHOLE: LỊCH SỬ, LÝ THUYẾT, CÁC LOẠI, SỰ HÌNH THÀNH - ARTE - 2025

Một wormhole , trong vật lý thiên văn và vũ trụ học, là một hành lang nối hai điểm trong cấu trúc không gian-thời gian. Giống như quả táo rơi đã truyền cảm hứng cho lý thuyết về lực hấp dẫn của Isaac Newton vào năm 1687, những con sâu đâm vào quả táo đã truyền cảm hứng cho các lý thuyết mới, cũng trong khuôn khổ của lực hấp dẫn.

Giống như việc con sâu tìm cách đến một điểm khác trên bề mặt quả táo thông qua một đường hầm, các lỗ sâu không-thời gian tạo thành các đường tắt lý thuyết cho phép nó di chuyển đến các phần xa xôi của vũ trụ trong thời gian ngắn hơn.

Hố sâu không-thời gian: tầm nhìn nghệ thuật. Nguồn: Pixabay.

Đó là một ý tưởng đã nắm bắt và tiếp tục thu hút trí tưởng tượng của nhiều người. Trong khi đó, các nhà vũ trụ học đang bận rộn tìm cách chứng minh sự tồn tại của nó. Nhưng hiện tại chúng vẫn đang là chủ đề của những đồn đoán.

Để hiểu rõ hơn một chút về lỗ sâu, khả năng du hành thời gian qua chúng và sự khác biệt tồn tại giữa lỗ sâu và lỗ đen, chúng ta phải xem xét khái niệm không-thời gian.

Không thời gian là gì?

Khái niệm không-thời gian được liên kết chặt chẽ với khái niệm của lỗ sâu. Đó là lý do tại sao trước tiên cần phải xác định nó là gì và đặc điểm chính của nó là gì.

Không thời gian là nơi mỗi và mọi sự kiện trong vũ trụ xảy ra. Và đến lượt nó, vũ trụ là tổng thể của không-thời gian, có khả năng chứa tất cả các dạng vật chất-năng lượng và hơn thế nữa …

Khi chú rể gặp cô dâu thì đó là một sự kiện, nhưng sự kiện này có tọa độ không gian: địa điểm gặp gỡ. Và phối hợp thời gian: năm, tháng, ngày và giờ của cuộc họp.

Sự ra đời của một ngôi sao hay sự bùng nổ của một siêu tân tinh cũng là những sự kiện diễn ra trong không-thời gian.

Bây giờ, trong một vùng của vũ trụ không có khối lượng và tương tác, không thời gian là phẳng. Điều này có nghĩa là hai tia sáng bắt đầu song song tiếp tục như vậy, miễn là chúng ở trong vùng đó. Nhân tiện, đối với một tia sáng thời gian là vĩnh cửu.

Tất nhiên, không-thời gian không phải lúc nào cũng bằng phẳng. Vũ trụ chứa các vật thể có khối lượng thay đổi không-thời gian, gây ra độ cong không-thời gian trên quy mô vũ trụ.

Chính Albert Einstein đã nhận ra, trong một khoảnh khắc đầy cảm hứng mà ông gọi là "ý tưởng hạnh phúc nhất trong đời tôi", rằng một người quan sát gia tốc không thể phân biệt cục bộ với một người ở gần một vật thể lớn. Đó là nguyên tắc tương đương nổi tiếng.

Và một người quan sát gia tốc bẻ cong không-thời gian, tức là hình học Euclid không còn giá trị nữa. Do đó, trong môi trường của một vật thể có khối lượng lớn như một ngôi sao, một hành tinh, một thiên hà, một lỗ đen, hoặc chính vũ trụ, không-thời gian sẽ uốn cong.

Độ cong này được con người coi là một lực gọi là lực hấp dẫn, hàng ngày nhưng đồng thời cũng rất bí ẩn.

Lực hấp dẫn cũng bí ẩn như lực kéo chúng ta về phía trước khi chiếc xe buýt mà chúng ta đang đi phanh gấp. Như thể đột nhiên có một thứ gì đó vô hình, tối tăm và to lớn, trong một vài khoảnh khắc đang tiến tới và thu hút chúng ta, đột nhiên đẩy chúng ta về phía trước.

Các hành tinh chuyển động theo hình elip xung quanh Mặt trời vì khối lượng của nó tạo ra một vết lõm trên bề mặt không-thời gian khiến các hành tinh bị cong đường đi của chúng. Một tia sáng cũng uốn cong đường đi của nó theo vết lõm không-thời gian do Mặt trời tạo ra.

Đường hầm xuyên không gian - thời gian

Nếu không-thời gian là một bề mặt cong, về nguyên tắc không có gì ngăn cản một khu vực này kết nối với một khu vực khác thông qua một đường hầm. Đi qua một đường hầm như vậy không chỉ có nghĩa là thay đổi địa điểm mà còn có khả năng đi đến một thời điểm khác.

Ý tưởng này đã truyền cảm hứng cho nhiều cuốn sách, loạt phim và phim khoa học viễn tưởng, bao gồm loạt phim nổi tiếng của Mỹ những năm 1960 "Đường hầm thời gian" và gần đây là "Deep Space 9" từ loạt phim Star Trek và bộ phim Interstellar năm 2014.

Ý tưởng đến từ chính Einstein, người đang tìm kiếm lời giải cho các phương trình trường của Thuyết tương đối rộng, đã cùng với Nathan Rosen tìm ra một giải pháp lý thuyết cho phép kết nối hai vùng không-thời gian khác nhau thông qua một đường hầm hoạt động như một lối tắt.

Giải pháp đó được gọi là cầu Einstein - Rosen và xuất hiện trong một công trình xuất bản năm 1935.

Tuy nhiên, thuật ngữ "lỗ sâu" được sử dụng lần đầu tiên vào năm 1957, nhờ các nhà vật lý lý thuyết John Wheeler và Charles Misner trong một công bố từ năm đó. Trước đây, "ống một chiều" được dùng để chỉ cùng một ý tưởng.

Sau đó vào năm 1980, Carl Sagan đang viết cuốn tiểu thuyết khoa học viễn tưởng "Contact", một cuốn sách sau đó đã được dựng thành phim. Nhân vật chính tên là Elly phát hiện ra sự sống thông minh ngoài trái đất cách chúng ta 25 nghìn năm ánh sáng. Carl Sagan muốn Elly đi du lịch đến đó, nhưng theo cách đáng tin cậy về mặt khoa học.

Du hành cách xa 25 nghìn năm ánh sáng không phải là một nhiệm vụ dễ dàng đối với con người, trừ khi tìm được con đường tắt. Một lỗ đen không thể là một giải pháp, vì khi đến gần điểm kỳ dị, trọng lực vi sai sẽ xé toạc tàu vũ trụ và phi hành đoàn của nó.

Để tìm kiếm các khả năng khác, Carl Sagan đã tham khảo ý kiến ​​của một trong những chuyên gia hàng đầu về lỗ đen thời bấy giờ: Kip Thorne, người bắt đầu suy nghĩ về vấn đề này và nhận ra rằng cầu Einstein-Rosen hoặc hố sâu của Wheeler là giải pháp.

Tuy nhiên Thorne cũng nhận ra rằng giải pháp toán học không ổn định, đó là, đường hầm mở ra, nhưng ngay sau đó nó bị bóp nghẹt và biến mất.

Sự không ổn định của lỗ sâu

Có thể sử dụng lỗ giun để di chuyển khoảng cách rất xa trong không gian và thời gian?

Kể từ khi chúng được phát minh, lỗ giun đã phục vụ trong nhiều âm mưu khoa học viễn tưởng để đưa nhân vật chính của họ đến những nơi xa xôi và trải nghiệm những nghịch lý của thời gian phi tuyến tính.

Kip Thorne đã tìm ra hai giải pháp khả thi cho vấn đề mất ổn định của lỗ sâu:

• Thông qua cái gọi là bọt lượng tử. Ở quy mô Planck (10 ^-35 m) có những dao động lượng tử có khả năng kết nối hai vùng không-thời gian thông qua các vi đường hầm. Một nền văn minh rất tiên tiến được cho là có thể tìm ra cách để mở rộng các lối đi và giữ chúng đủ lâu để con người có thể đi qua.
• Vật chất khối lượng âm. Theo ước tính được công bố vào năm 1990 bởi chính Thorne, sẽ cần một lượng lớn vật chất lạ này để giữ cho các đầu của lỗ sâu luôn mở.

Điều đáng chú ý ở giải pháp cuối cùng này là không giống như các lỗ đen, không có hiện tượng kỳ dị hay lượng tử, và việc con người đi qua loại đường hầm này là khả thi.

Bằng cách này, các lỗ sâu sẽ không chỉ cho phép các vùng xa xôi được kết nối trong không gian mà còn được tách ra theo thời gian. Do đó chúng là những cỗ máy để du hành thời gian.

Stephen Hawking, nhà nghiên cứu vũ trụ học vĩ đại vào cuối thế kỷ 20, không tin rằng lỗ giun hay cỗ máy thời gian là khả thi, vì có nhiều nghịch lý và mâu thuẫn nảy sinh từ chúng.

Điều đó không làm nản lòng tinh thần của các nhà nghiên cứu khác, những người đã đưa ra khả năng hai lỗ đen ở các khu vực khác nhau của không-thời gian được kết nối bên trong bởi một lỗ sâu.

Mặc dù điều này sẽ không thực tế cho việc du hành không-thời gian, vì ngoài những khổ nạn khi đi vào điểm kỳ dị của lỗ đen sẽ mang lại, sẽ không có khả năng thoát ra ở đầu kia, vì nó là một lỗ đen khác.

Sự khác biệt giữa lỗ đen và lỗ sâu

Khi bạn nói về một lỗ sâu, bạn cũng nghĩ ngay đến các lỗ đen.

Một lỗ đen được hình thành tự nhiên, sau quá trình tiến hóa và chết của một ngôi sao có khối lượng tới hạn nhất định.

Nó phát sinh sau khi ngôi sao cạn kiệt nhiên liệu hạt nhân và bắt đầu co lại không thể đảo ngược do lực hấp dẫn của chính nó. Nó tiếp tục không ngừng cho đến khi nó gây ra sự sụp đổ đến nỗi không có gì gần hơn bán kính của chân trời sự kiện có thể thoát ra, thậm chí không có ánh sáng.

Để so sánh, một lỗ sâu là một trường hợp hiếm khi xảy ra, hậu quả của một giả thuyết bất thường về độ cong của không-thời gian. Về lý thuyết có thể đi qua chúng.

Tuy nhiên, nếu ai đó cố gắng đi qua một lỗ đen, thì lực hấp dẫn cường độ cao và bức xạ cực mạnh ở vùng lân cận gần điểm kỳ dị sẽ biến nó thành một sợi nhỏ gồm các hạt hạ nguyên tử.

Có bằng chứng gián tiếp và chỉ gần đây là trực tiếp về sự tồn tại của lỗ đen. Trong số những bằng chứng này là sự phát ra và phát hiện sóng hấp dẫn bởi lực hút và sự quay của hai lỗ đen khổng lồ, được phát hiện bởi đài quan sát sóng hấp dẫn LIGO.

Có bằng chứng cho thấy một lỗ đen siêu lớn tồn tại ở trung tâm của các thiên hà lớn, giống như Dải Ngân hà của chúng ta.

Sự quay nhanh của các ngôi sao gần trung tâm, cũng như lượng bức xạ tần số cao khổng lồ phát ra từ đó là những bằng chứng gián tiếp cho thấy có một lỗ đen khổng lồ giải thích sự hiện diện của những hiện tượng này.

Chỉ vào ngày 10 tháng 4 năm 2019, thế giới đã được cho xem bức ảnh đầu tiên về một lỗ đen siêu lớn (gấp 7 tỷ lần khối lượng Mặt Trời), nằm trong một thiên hà rất xa: Messier 87 trong chòm sao Xử Nữ, ở vị trí 55 triệu cách Trái đất nhiều năm ánh sáng.

Bức ảnh chụp lỗ đen này được thực hiện nhờ mạng lưới kính thiên văn trên toàn thế giới, được gọi là "Kính viễn vọng chân trời sự kiện", với sự tham gia của hơn 200 nhà khoa học từ khắp nơi trên thế giới.

Mặt khác, không có bằng chứng về lỗ sâu cho đến nay. Các nhà khoa học đã có thể phát hiện và theo dõi một lỗ đen, tuy nhiên điều này không thể xảy ra với các lỗ sâu.

Do đó, chúng là những vật thể giả định, mặc dù về mặt lý thuyết là khả thi, giống như các lỗ đen đã từng là.

Các loại / loại lỗ sâu

Mặc dù chúng vẫn chưa được phát hiện, hoặc có lẽ chính xác là do điều này, nhưng các khả năng khác nhau về lỗ giun đã được hình dung. Tất cả chúng đều khả thi về mặt lý thuyết, vì chúng thỏa mãn các phương trình của Einstein cho thuyết tương đối rộng. Đây là một số:

• Hố giun kết nối hai vùng không-thời gian của cùng một vũ trụ.
• Các lỗ giun có khả năng kết nối vũ trụ này với vũ trụ khác.
• Cầu nối Einstein-Rosen, trong đó vật chất có thể truyền từ lỗ này sang lỗ kia. Mặc dù sự di chuyển của vật chất này sẽ gây ra sự bất ổn định, khiến đường hầm tự sập xuống.
• Hố sâu Kip Thorne, có vỏ hình cầu bằng vật chất khối lượng âm. Nó ổn định và có thể di chuyển theo cả hai hướng.
• Cái gọi là hố sâu Schwarzschild, bao gồm hai lỗ đen tĩnh được kết nối với nhau. Chúng không thể đi qua được, vì vật chất và ánh sáng bị mắc kẹt giữa cả hai thái cực.
• Các lỗ sâu có tải và / hoặc quay hoặc Kerr, bao gồm hai lỗ đen động được kết nối bên trong, chỉ có thể đi qua theo một hướng.
• Bọt lượng tử của không-thời gian, sự tồn tại của nó được lý thuyết hóa ở cấp độ hạ nguyên tử. Bọt được tạo thành từ các đường hầm hạ nguyên tử không ổn định cao kết nối các vùng khác nhau. Việc ổn định và mở rộng chúng sẽ đòi hỏi phải tạo ra plasma quark-gluon, thứ sẽ cần một lượng năng lượng gần như vô hạn để tạo ra.
• Gần đây hơn, nhờ lý thuyết dây, các lỗ sâu được hỗ trợ bởi các chuỗi vũ trụ đã được lý thuyết hóa.
• Các lỗ đen đan xen và sau đó tách ra, từ đó phát sinh ra một lỗ không-thời gian, hay còn gọi là cầu Einstein-Rosen được giữ với nhau bằng lực hấp dẫn. Đó là một giải pháp lý thuyết được đề xuất vào tháng 9 năm 2013 bởi các nhà vật lý Juan Maldacena và Leonard Susskind.

Tất cả chúng đều hoàn toàn có thể xảy ra, vì chúng không mâu thuẫn với các phương trình thuyết tương đối rộng của Einstein.

Liệu có bao giờ nhìn thấy lỗ sâu không?

Trong một thời gian dài, lỗ đen là giải pháp lý thuyết cho các phương trình của Einstein. Bản thân Einstein cũng đặt câu hỏi về khả năng chúng có thể được phát hiện bởi nhân loại.

Albert Einstein (1879-1955), tác giả của thuyết tương đối. Nguồn: Pixabay.

Vì vậy, trong một thời gian dài, lỗ đen vẫn là một dự đoán lý thuyết, cho đến khi chúng được tìm thấy và định vị. Các nhà khoa học có cùng hy vọng về lỗ giun.

Rất có thể chúng cũng ở đó, nhưng vẫn chưa được học để xác định vị trí của chúng. Mặc dù theo một công bố gần đây, các lỗ sâu sẽ để lại dấu vết và bóng tối có thể quan sát được ngay cả với kính thiên văn.

Các photon được cho là di chuyển xung quanh lỗ sâu, tạo ra một vòng sáng. Các photon gần nhất rơi vào bên trong và để lại bóng tối cho phép chúng được phân biệt với các lỗ đen.

Theo Rajibul Shaikh, một nhà vật lý tại Viện Nghiên cứu Cơ bản Tata ở Mumbai, Ấn Độ, một loại lỗ sâu quay sẽ tạo ra bóng lớn hơn và cong hơn bóng của lỗ đen.

Trong công trình của mình, Shaikh đã nghiên cứu các bóng lý thuyết được tạo ra bởi một lớp lỗ sâu quay nhất định, tập trung vào vai trò quan trọng của họng lỗ trong việc hình thành bóng photon cho phép nó được xác định và phân biệt với lỗ đen.

Shaikh cũng đã phân tích sự phụ thuộc của bóng đen vào sự quay của lỗ sâu và cũng đã so sánh nó với bóng do một lỗ đen Kerr quay, tìm thấy sự khác biệt đáng kể. Đó là một công trình hoàn toàn lý thuyết.

Ngoài ra, hiện tại, các lỗ sâu vẫn còn là sự trừu tượng toán học, nhưng có thể một số sẽ sớm được phát hiện. Điều gì ở một thái cực khác vẫn là chủ đề phỏng đoán trong lúc này.

Người giới thiệu

1. Sự vướng víu lượng tử có thể làm phát sinh lực hấp dẫn. Lấy từ Cienciaaldia.com
2. Tiến bộ Vật lý, Tập 61, Số phát hành tháng 9 năm 2013 Trang 781-811
3. Hố giun. Lấy từ wikipedia.org
4. Không gian thời gian. Lấy từ wikipedia.org.
5. David Nield (2018). Tờ giấy mới điên rồ đề xuất những lỗ giun tạo bóng mà chúng ta có thể dễ dàng nhìn thấy bằng kính thiên văn. Lấy từ sciencealert.com