ĐIỂM KỲ DỊ Là Gì?

Send

Kể từ khi các nhà khoa học lần đầu tiên phát hiện ra sự tồn tại của các lỗ đen trong vũ trụ của chúng ta, chúng ta đều tự hỏi: điều gì có thể tồn tại ngoài bức màn của khoảng trống khủng khiếp đó? Ngoài ra, kể từ khi lý thuyết tương đối tổng quát được đề xuất lần đầu tiên, các nhà khoa học đã buộc phải tự hỏi, điều gì có thể tồn tại trước khi vũ trụ ra đời - tức là trước Vụ nổ lớn?

Thật thú vị, hai câu hỏi này đã được giải quyết (sau một thời trang) với sự tồn tại trên lý thuyết của một thứ gọi là Điểm hấp dẫn - một điểm trong không gian thời gian nơi các định luật vật lý mà chúng ta biết chúng bị phá vỡ. Và trong khi vẫn còn những thách thức và những vấn đề chưa được giải quyết về lý thuyết này, nhiều nhà khoa học tin rằng dưới bức màn của một chân trời sự kiện, và vào lúc bắt đầu của Vũ trụ, đây là những gì tồn tại.

Định nghĩa:

Theo thuật ngữ khoa học, điểm kỳ dị hấp dẫn (hay điểm kỳ dị không-thời gian) là vị trí mà các đại lượng được sử dụng để đo trường hấp dẫn trở nên vô hạn theo cách không phụ thuộc vào hệ tọa độ. Nói cách khác, đó là một điểm trong đó tất cả các định luật vật lý không thể phân biệt được với nhau, trong đó không gian và thời gian không còn là thực tại có liên quan với nhau, nhưng hợp nhất không thể phân biệt và không còn ý nghĩa độc lập.

Nguồn gốc của lý thuyết:

Điểm kỳ dị lần đầu tiên được chứng minh là kết quả của Thuyết Einstein Thuyết tương đối rộng, dẫn đến sự tồn tại trên lý thuyết của các lỗ đen. Về bản chất, lý thuyết dự đoán rằng bất kỳ ngôi sao nào vượt quá một điểm nhất định trong khối lượng của nó (hay còn gọi là Schwarzschild Radius) sẽ tạo ra một lực hấp dẫn mãnh liệt đến mức nó sẽ sụp đổ.

Tại thời điểm này, không có gì có thể thoát khỏi bề mặt của nó, kể cả ánh sáng. Điều này là do thực tế lực hấp dẫn sẽ vượt quá tốc độ ánh sáng trong chân không - 299.792.458 mét mỗi giây (1.079.252.848,8 km / h; 670.616.629 dặm / giờ).

Hiện tượng này được gọi là Giới hạn Chandrasekhar, được đặt theo tên của nhà vật lý thiên văn Ấn Độ Subrahmanyan Chandrasekhar, người đã đề xuất nó vào năm 1930. Hiện tại, giá trị được chấp nhận của giới hạn này được cho là 1,39 lần Khối lượng Mặt trời (tức là 1,39 lần khối lượng Mặt trời của chúng ta), làm việc với con số khổng lồ 2.765 x 10³⁰ kg (hay 2.765 nghìn tỷ nghìn tỷ tấn).

Một khía cạnh khác của Thuyết tương đối rộng hiện đại là vào thời điểm xảy ra Vụ nổ lớn (tức là trạng thái ban đầu của Vũ trụ) là một điểm kỳ dị. Cả Roger Penrose và Stephen Hawking đều đã phát triển các lý thuyết cố gắng trả lời làm thế nào lực hấp dẫn có thể tạo ra các điểm kỳ dị, cuối cùng được hợp nhất với nhau để được gọi là Định lý Singularity Penrose.

Theo Định lý Singroseity, mà ông đã đề xuất vào năm 1965, một điểm kỳ dị giống như thời gian sẽ xảy ra trong một lỗ đen bất cứ khi nào vật chất đạt đến điều kiện năng lượng nhất định. Tại thời điểm này, độ cong của không-thời gian trong lỗ đen trở nên vô hạn, do đó biến nó thành một bề mặt bị mắc kẹt trong đó thời gian ngừng hoạt động.

Định lý Hawking Singularity thêm vào điều này bằng cách nói rằng một điểm kỳ dị giống như không gian có thể xảy ra khi vật chất bị ép buộc đến một điểm, khiến các quy tắc chi phối vật chất bị phá vỡ. Hawking đã lần theo dấu vết này theo thời gian đến Vụ nổ lớn, mà ông tuyên bố là một điểm có mật độ vô hạn. Tuy nhiên, Hawking sau đó đã sửa đổi điều này để tuyên bố rằng thuyết tương đối rộng bị phá vỡ vào những thời điểm trước Vụ nổ lớn, và do đó không có điểm kỳ dị nào có thể dự đoán được.

Một số đề xuất gần đây cũng cho thấy Vũ trụ không bắt đầu như một điểm kỳ dị. Chúng bao gồm các lý thuyết như Loop Quantum Gravity, cố gắng thống nhất các định luật vật lý lượng tử với trọng lực. Giả thuyết này nói rằng, do hiệu ứng hấp dẫn lượng tử, có một khoảng cách tối thiểu mà trọng lực không còn tiếp tục tăng lên, hoặc sóng hạt xen kẽ che dấu các hiệu ứng hấp dẫn sẽ được cảm nhận từ xa.

Các loại hình kỳ dị:

Hai loại điểm kỳ dị không gian quan trọng nhất được gọi là Điểm kỳ dị cong và Điểm kỳ dị hình nón. Điểm kỳ dị cũng có thể được phân chia tùy theo việc chúng có được bao phủ bởi một chân trời sự kiện hay không. Trong trường hợp trước đây, bạn có độ cong và hình nón; trong khi ở phần sau, bạn có cái được gọi là Điểm kỳ dị trần trụi.

Một Singularity Curvature được minh họa tốt nhất bằng một lỗ đen. Ở trung tâm của lỗ đen, không-thời gian trở thành điểm một chiều chứa một khối lượng lớn. Kết quả là, lực hấp dẫn trở thành vô hạn và đường cong không-thời gian vô tận, và các định luật vật lý như chúng ta biết chúng ngừng hoạt động.

Điểm kỳ dị hình nón xảy ra khi có một điểm trong đó giới hạn của mọi đại lượng hiệp phương sai là hữu hạn. Trong trường hợp này, không-thời gian trông giống như một hình nón xung quanh điểm này, trong đó điểm kỳ dị nằm ở đầu của hình nón. Một ví dụ về điểm kỳ dị hình nón như vậy là một chuỗi vũ trụ, một loại điểm một chiều giả thuyết được cho là đã hình thành trong Vũ trụ sơ khai.

Và, như đã đề cập, có Singularity, một loại điểm kỳ dị không bị che giấu đằng sau một chân trời sự kiện. Chúng được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1991 bởi Shapiro và Teukolsky bằng cách sử dụng mô phỏng máy tính của một mặt phẳng bụi quay cho thấy Thuyết tương đối rộng có thể cho phép các điểm kỳ dị trần truồng.

Trong trường hợp này, những gì thực sự xảy ra trong một lỗ đen (tức là điểm kỳ dị của nó) sẽ được nhìn thấy. Một điểm kỳ dị như vậy về mặt lý thuyết sẽ là những gì tồn tại trước Vụ nổ lớn. Từ khóa ở đây là lý thuyết, vì nó vẫn còn là một bí ẩn về những vật thể này sẽ trông như thế nào.

Hiện tại, điểm kỳ dị và những gì thực sự nằm dưới bức màn của lỗ đen vẫn còn là một bí ẩn. Thời gian trôi qua, người ta hy vọng rằng các nhà thiên văn học sẽ có thể nghiên cứu các lỗ đen một cách chi tiết hơn. Người ta cũng hy vọng rằng trong những thập kỷ tới, các nhà khoa học sẽ tìm ra cách hợp nhất các nguyên lý của cơ học lượng tử với lực hấp dẫn, và điều này sẽ làm sáng tỏ thêm về cách thức hoạt động của lực bí ẩn này.

Chúng tôi có nhiều bài viết thú vị về điểm kỳ dị hấp dẫn ở đây tại Tạp chí Vũ trụ. Dưới đây là 10 sự thật thú vị về Hố đen, Lỗ đen trông như thế nào?, Có phải Big Bang chỉ là Hố đen?, Tạm biệt Big Bang, Xin chào Hố đen?, Stephen Hawking là ai?, Và Cái gì ở phía bên kia của một lỗ đen?

Nếu bạn thích thêm thông tin về điểm kỳ dị, hãy xem các bài viết này từ NASA và Physlink.

Astronomy Cast có một số tập có liên quan về chủ đề này. Tại đây Tập 6: Thêm bằng chứng cho Vụ nổ lớn và Tập 18: Lỗ đen Lớn và nhỏ và Tập 21: Câu hỏi về hố đen đã được trả lời.

Nguồn: