VỤ NỔ LỚN CÓ THỂ LÀ MỘT HỐ ĐEN BÊN TRONG MỘT VŨ TRỤ KHÁC

—————————————————————————–

Ý tưởng về việc chúng ta đang sống trong một hố đen không điên như ta nghĩ. Hố đen bẻ cong không gian và thời gian đến mức khiến chúng hoán đổi vai trò cho nhau. Bất cứ ai rơi vào hố đen, chiều hướng tâm hướng vào điểm kì dị (singularity) trở thành thời gian và chiều thời gian trở thành không gian.

Hai giả định được biết đến rộng rãi từ vấn đề trên là: bên trong chân trời sự kiện (event horizon) của một hố đen, (a) bạn không thể thoát khỏi bởi vì cách duy nhất là trở về quá khứ và (b) bạn có thể thấy toàn bộ tương lai của vũ trụ bởi vì thời gian trong vũ trụ mà bạn rời đi ngay lúc này giống như không gian. Thật tệ khi bạn không thể kể cho ai về điều này.

Một giả định khác cho rằng điểm kỳ dị của hố đen được nén vào tâm đến vô cực nằm ở tương lai của bạn ngay khi bạn rơi vào. Khi bạn đến đó, không ai biết điều gì sẽ xảy ra bởi vì các định luật vật lý mà chúng ta biết hoàn toàn bị phá vỡ. Lý thuyết về trọng lực lượng tử (quantum gravity) là gì thì cũng có khả năng giải thích giả định trên, nhưng hiện tại thì chúng ta chẳng biết gì cả.

Ý tưởng nền tảng cho thuyết Vụ nổ lớn bên trong hố đen (Black Hole Big Bang Theory – BHBBT) là vật chất từ vũ trụ mẹ (mother universe) sụp đổ vào trong một hố đen. Điểm kỳ dị của hố đen này nằm tại một điểm không liên quan đến bất cứ điều gì bên trong vũ trụ mẹ. Thế nhưng, bởi vì sự hoán đổi của thời gian và không gian đối với những ai ở bên trong vũ trụ con (daughter universe) , điểm đó trong không gian với r=0 trở thành điểm khởi đầu của thời gian, t=0. Kể từ thời điểm này, điểm kỳ dị trong không gian trở thành điểm kỳ dị trong thời gian, như thuyết Vụ nổ lớn.

Điều này có nghĩa rằng bất cứ vật chất nào rơi vào hố đen từ vũ trụ mẹ sẽ bến mất, sau đó xuất hiện tại điểm khởi đầu t=0 bên trong vũ trụ con và bị nghiền nát hoàn toàn.

Không chỉ thế, những thứ xuất hiện tại Vụ nổ lớn không chỉ là vật chất đã từng ở thời điểm hình thành hố đen mà là toàn bộ vật chất từng rơi vào nó. Điều này bởi vì thời gian tại điểm kỳ dị cơ bản là vuông góc với thời gian bên ngoài ở vũ trụ mẹ.

Lý do mà toàn bộ một vũ trụ có thể được chứa đựng bên trong một vũ trụ khác liên quan đến cách thức kỳ lạ mà thời gian và không gian có thể bị bẻ cong, kéo dãn, nén và xoắn lại. Trung tâm của hố đen dường như là một ngõ cụt, nhưng cũng có thể là một lối đi dẫn đến sự ra đời của một vũ trụ mới.

Bạn có thể có nhiều vũ trụ liên thông với nhau theo cách này, trong đó những vũ trụ mẹ sinh ra những vũ trụ con và những vũ trụ con này tiếp tục sinh ra những vũ trụ con khác đến vô hạn. Do đó, khác xa với độ tuổi chỉ khoảng 13.8 tỷ năm trước, toàn bộ vũ trụ liên thông này có thể có vô hạn tuổi hoặc đúng hơn là những dòng thời gian có thể kéo dài vô hạn đến quá khứ nối tiếp từ vũ trụ này sang vũ trụ khác.

Điều này không giống với Diễn giải nhiều thế giới (Many Worlds Interpretation) trong cơ học lượng tử mà tôi từng phê bình trong những bài viết gần đây. Không hề có sự phân tách liên tục của các vũ trụ dựa trên những quan sát lượng tử. Mà đây là quá trình xảy ra thông qua sự hình thành hố đen, và mỗi vũ trụ sẽ là độc nhất trong bản chất, mặc dù chúng chia sẻ những tính chất của những vũ trụ mẹ. Sẽ không có những bản sao giống hệt bạn tồn tại.

Hiển nhiên, một số người tranh cãi rằng quá trình chọn lọc tự nhiên có lẽ xuất hiện ở những vũ trụ này, kể từ khi chỉ những vũ trụ có thể tái sản xuất mới là những vũ trụ có thể tạo nên hố đen. Nó cũng là một giải pháp tiềm năng cho nguyên lý vị nhân (Anthropic Principle), giả thuyết về lý do tồn tại của loài người, từ khi mỗi vũ trụ có thể có đôi chút khác nhau trong các định luật vật lý. Cũng như không phải tất cả các hành tinh đều hỗ trợ sự sống, không phải toàn bộ các vũ trụ đều có thể. Không cần Diễn giải nhiều thế giới, chỉ là những vũ trụ khác biệt trong cùng một không thời gian.

Mô hình Vụ nổ lớn tiêu chuẩn (The Standard Big Bang – SBB) của vũ trụ bao gồm thời gian, không gian, và vật chất xuất hiện tại một điểm vào 13.8 tỷ năm trước. Theo quan điểm của thuyết tương đối rộng (General Relativity) – lý thuyết về trọng lực của Einstein, bản thân không gian bị nén lại thành điểm đó. Khi thời gian xuất hiện, không gian bắt đầu mở rộng mang theo vật chất đi cùng với nó. Quá trình này vẫn đang diễn ra và chúng ta biết được điều này nhờ vào việc quan sát những thiên hà xa xôi, tất cả chúng đang di chuyển xa khỏi chúng ta. Hơn nữa, thiên hà ở càng xa thì di chuyển càng nhanh khỏi chúng ta. Điều trên phù hợp với lý thuyết về vũ trụ nơi không gian đang giãn nở. Khoảng cách giữa 2 điểm càng lớn thì chúng di chuyển ra xa nhau càng nhanh. Ví dụ thông thường cho lý thuyết vừa nêu là về tập hợp những chấm trên một quả bong bóng. Thổi căng quả bóng thì tất cả những chấm sẽ di chuyển xa nhau. Những chấm ở càng xa nhau thì cách nhau càng nhanh.

Đối với chúng ta, trung tâm của vũ trụ, nơi Vụ nổ lớn xảy ra không phải ở một nơi trong không gian mà là một điểm trong thời gian, t=0, tại Vụ nổ lớn. Sử dụng phép tương đồng quả bong bóng, trung tâm của quả bóng tất nhiên là không thuộc quả bóng. Vì vậy, không gian như bề mặt của bong bóng nhưng thêm một chiều, có ba chiều thay vì hai chiều. Quá khứ như phần bên trong của quả bóng.

Mặc khác, các hố đen có tâm tại một điểm trong không gian, r=0 là tọa độ tâm của điểm kỳ dị. Vì thế, chúng cơ bản khác với điểm kì dị của Vụ nổ lớn.

Một trong những đặc tính kì lạ của thuyết tương đối rộng nằm ở khả năng bẻ cong không gian và thời gian đếm một điểm mà tại đó thời gian và không gian hoán đổi chức năng. Theo lý thuyết, đây là nơi dấu hiệu của mêtric (metric) không thời gian thay đổi trong Thuyết tương đối rộng.

Mêtric là thứ cho chúng ta biết cách thức vận hành của không gian và thời gian cùng với đó là ý nghĩa của khoảng cách tại bất cứ thời điểm. Sự tập trung dữ dội của vật chất có thể bao bọc không gian và thời gian để cho mêtric thay đổi ý nghĩa của không gian và thời gian đối với mỗi người quan sát.

Với người nhìn từ bên ngoài hố đen, được gọi là người quan sát từ xa, điểm kỳ dị là một điểm trong không gian. Tuy nhiên, đối với người nhìn từ bên trong chân trời sự kiện, dấu hiệu của nhân tố r và t của mêtric không thời gian hoán đổi vị trí. Tại lúc này, với người quan sát gần thì điểm kỳ dị là một điểm trong thời gian hay một thời điểm nào đó trong tương lai.

Thuyết Vụ nổ lớn bên trong hố đen (BHBBT) cho rằng ít nhất là đối với một vài loại điểm kỳ dị nhất định, một khi vật chất tiếp xúc với nó thì sẽ đi qua một vũ trụ mới nơi thời gian tại điểm kỳ dị chính là điểm khởi đầu của vũ trụ đó.

Để hình dung được điều này, tưởng tượng rằng bạn là một con kiến bò trên bàn. Khi bạn bò dọc theo cạnh bàn xuống một con dốc. Con dốc càng lúc càng dốc cho đến khi nó hoàn toàn thẳng đứng so với hướng bạn bò trước đó. Đột nhiên, con dốc kết thúc tại một điểm. Đây là cách thông thường mà hố đen được miêu tả. Tuy nhiên, thay vì kết thúc thì nó lại mở rộng từ điểm đó, rực sáng thành một hình nón. Bằng một vài phép màu của cơ học lượng tử (quantum mechanics), bạn sẽ đi qua điểm đó và gia nhập vào hình nón trên. Lúc này bạn đang ở một vũ trụ mới vuông góc với vũ trụ mà bạn rời đi.

BHBBT giải quyết một số vấn đề của mô hình Vụ nổ lớn tiêu chuẩn về sự hình thành vũ trụ. Một trong số những vấn đề với mô hình trên ở việc nó không giải thích lý do vũ trụ thật đồng nhất. Ví dụ khi chúng ta nhìn vào những tấm ảnh của vũ trụ sơ khai bằng việc nghiên cứu nền vi sóng vũ trụ (Cosmic Microwave Background – CMB), vũ trụ trông như nó đã bị trộn lẫn hoàn toàn. Điều này thường được gọi là vấn đề đường chân trời.

Vấn đề đường chân trời là vấn đề liên quan đến quan hệ nguyên nhân kết quả. Vùng mà nền vi sóng vũ trụ được quan sát là đồng nhất lớn hơn nhiều so với khả năng của vùng quan hệ nhân quả thông thường bị giới hạn bởi tốc độ ánh sáng. Giải pháp phổ biến nhất được gọi là thuyết giãn nở (Inflation Theory) mà trong đó vũ trụ mở rộng rất nhanh, mang theo ánh sáng và vật chất vì thế mọi thứ được trộn lẫn hoàn toàn. Bạn có thể nghĩ về nó như máy xay của Chúa.

Thuyết giãn nở không giải quyết được một số vấn đề khác bao gồm vấn đề biến thiên (fluctuation problem), vấn đề vật lý cấp độ siêu vi mô Planck (super-Planck scale physics problem) khởi đầu vấn đề điểm kỳ dị (singularity problem), hoặc hằng số vũ trụ (cosmological constant). Tất cả điều trên có ý nghĩa gì cũng không quan trọng lắm. Ý tôi ở đây là còn lâu mới có một giải pháp cho mọi vấn đề.

Vấn đề đường chân trời được giải thích bởi mô hình thuyết Vụ nổ lớn bên trong hố đen (BHBBT) đơn giản bằng cách chỉ ra rằng vật chất rơi vào hố đen có rất nhiều thời gian để tương tác với vật chất khác trước khi đến điểm kỳ dị. Trong khi đây vẫn chưa nằm trong thời gian của vũ trụ con, nó nằm trong thời gian không đầy đủ (quasi-time) xuất hiện bên trong chân trời sự kiện, không nằm trong phần nào của vũ trụ mẹ hay vũ trụ con mà nằm đâu đó ở giữa.

Vấn đề thứ hai với Vụ nổ lớn tiêu chuẩn (SBB) được gọi là vấn đề phẳng. Theo như chúng ta biết, vũ trụ hoàn toàn phẳng, có nghĩa là mật độ vật chất của nó sao cho phải bằng chính xác 1 lượng nhất định = 1 để không thành hình hyberbol (hyperbolic) <1, nghĩa là nó sẽ ổn định đến 1 tốc độ giãn nở không đổi, hoặc hình cầu (spherical) >1, nghĩa là cuối cùng nó sẽ dừng giãn nở và nén lại. Như vậy, nó đơn giản sẽ chậm lại khi vận tốc giãn nở trở về 0 nhưng sẽ không bao giờ thực sự dừng sự giãn nở.

Lý do mà vũ trụ có chính xác mật độ vật chất để trở nên phẳng, gọi là mật độ tới hạn (critical density), là một vấn đề. Nó ảnh hưởng thế nào lại là một vấn đề khác: chúng ta không biết. Vũ trụ có ba kiểu vật chất cơ bản: Các hạt hạ nguyên tử hỗn hợp có ba hạt quark (Baryons), thứ mà chũng ta cho là vật chất, vật chất tối (dark matter), và dạng thứ ba. Chúng ta gọi nó là năng lượng tối (dark energy) và chúng ta chẳng biết nó là gì. Ít nhất với vật chất tối, chúng ta có thể quan sát qua vòng xoay của các thiên hà và những biểu hiện trọng lực khác. Chúng ta chỉ thấy năng lượng tối trong sự giãn nở của vũ trụ và để giải thích điều đó, chúng ta giới thiệu một hằng số vào các phương trình của Einstein gọi là hằng số vũ trụ (cosmological constant) khiến mật độ của vũ trụ thậm chí vượt khỏi mật độ tới hạn.

Chúng ta tin rằng nếu mật độ tới hạn không phải là 1 thì chúng ta sẽ không tồn tại. Nếu nó lớn hơn 1, vũ trụ đã sụp đổ từ lâu, không chừng chỉ trong một chốc lát sau Vụ nổ lớn, nếu nó nhỏ hơn 1, vũ trụ đã giãn nở quá nhanh dẫn đến các thiên hà không thể được hình thành.

BHBBT giải quyết vấn đề phẳng bằng cách kết nối phần bên trong hố đen đến một thứ gọi là không gian de Sitter, tượng trưng cho vũ trụ của chúng ta nhưng với vô hạn thời gian. Vì thế, người quan sát bên trong hố đen tiếp cận điểm kỳ dị rồi xác nhập vào vùng không gian de Sitter và tiếp tục trong thời gian vô hạn đi vào không gian đó.

Hóa ra giải pháp duy nhất cho phép không gian de Sitter kết nối với hố đen là một giải pháp phẳng. Vì vậy, năng lượng tối không phải là một hình thái của năng lượng vật chất mà thật ra là kết quả của một cấu trúc liên kết không gian (spatial topology) (hình dạng) được thừa hưởng từ hố đen.

Luận điểm cuối cùng là về nghịch lý thông tin hố đen điều mà ít người biết đến. Để đơn giản thì lý thuyết này cho rằng khi thông tin lượng tử trong dạng trạng thái của các hạt lượng tử, rơi vào hố đen, nó biến mất khỏi vũ trụ. Theo BHBBT, nó không biến mất, nó đơn giản đi từ vũ trụ mẹ sang vũ trụ con.

Hiện tại, Vụ nổ lớn tiêu chuẩn chứa nhiều vấn đề nhưng nó chỉ bao gồm những khía cạnh mà chúng ta có thể chứng minh một cách khắt khe với thí nghiệm và quan sát. Thuyết vụ nổ lớn bên trong hố đen là một lý thuyết lôi cuốn có thể được xây dựng khắt khe bên trong biên giới của thuyết tương đối rộng của Einstein. Nó không yêu cầu vật lý mới. Nó đồng thời giải thích lý do Vụ nổ lớn lại xảy ra. Tôi hoàn toàn nghĩ rằng nó thuyết phục trong nhiều phạm trù triết học như Nguyên lý vị nhân (Anthropic principle), nó giải thích lý do chúng ta tồn tại, nhưng còn lâu mới có thể chứng minh theo thực nghiệm.
—————————————————————————–
Link bài viết gốc: https://medium.com/the-infinite-universe/the-big-bang-may-be-a-black-hole-inside-another-universe-79ce12613c60