Lỗ đen mini không khó tạo như người ta nghĩ

Việc tạo ra những lỗ đen vi mô bằng cách sử dụng máy gia tốc hạt đòi hỏi ít năng lượng hơn trước đây người ta vẫn nghĩ, các nhà nghiên cứu cho biết.

Nếu các nhà vật lí thật sự thành công trong việc tạo ra các lỗ đen với những năng lượng như thế trên Trái đất, thì thành tựu đó có thể chứng minh cho sự tồn tại của các chiều bổ sung trong vũ trụ. Tuy nhiên, không có bất kì lỗ đen nào như thế có nguy cơ đe dọa Trái đất chúng ta.

Các lỗ đen có trường hấp dẫn mạnh đến mức không cái gì có thể thoát ra khỏi, thậm chí cả ánh sáng. Các lỗ đen thường hình thành khi tàn tư của những ngôi sao chết co sụp lại dưới sức hấp dẫn của riêng chúng, làm nén vật chất của chúng lại với nhau.

Một số lí thuyết về vũ trụ đề xuất sự tồn tại của những chiều bổ sung của thực tại, mỗi chiều cuộn lại vào những kích cỡ từ nhỏ xíu như hạt proton cho đến to bằng một phần của một milli mét. Ở những khoảng cách có thể sánh với kích cỡ của những chiều bổ sung này, các mô hình đề xuất lực hấp dẫn có thể trở nên mạnh hơn so với bình thường. Như vậy, các máy va chạm hạt có thể thúc đủ năng lượng để tạo ra các lỗ đen.

Lúc cỗ máy gia tốc hạt mạnh nhất thế giới, Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC), đi vào hoạt động, các nhà khoa học đã ngờ vực chuyện nó có thể trở thành một “xưởng lỗ đen” tạo ra một lỗ đen trong chừng mỗi giây hay không. Các hạt lao vèo vèo ở tốc độ cao vòng quanh cỗ máy va chạm nguyên tử dài 27 km trước khi va vào nhau để tạo ra những vụ nổ năng lượng. Lúc đạt tới cực đại, mỗi chùm hạt mà cỗ máy va chạm tạo ra có năng lượng bằng với một đoàn tàu 400 tấn đang chuyển động với tốc độ khoảng 195 km/h.

Ảnh chụp từ một video cho thấy hai hạt đang lao vào nhau và biến đổi hình dạng trước khi tạo ra một lỗ đen. Ảnh: Matt Choptuik, Will East, Frans Pretorius

Làm thế nào tạo ra một lỗ đen

Cho đến nay, các nhà nghiên cứu chưa phát hiện ra lỗ đen nào tại LHC. Tuy nhiên, sự hứng khởi lí thuyết về khả năng này thì vẫn còn. Sử dụng các siêu máy tính, nay các nhà nghiên cứu mô phỏng sự va chạm giữa các hạt đang lao vèo vèo gần tốc độ ánh sáng cho thấy các lỗ đen có thể hình thành ở những năng lượng thấp hơn trước đây chúng ta nghĩ.

Khám phá mới này có cội rễ trong thuyết tương đối của Einstein. Thứ nhất, qua phương trình nổi tiếng của ông E = mc², Einstein đã làm sáng tỏ rằng khối lượng và năng lượng có liên quan với nhau. Điều này có nghĩa là năng lượng của một hạt càng lớn – ví dụ, một hạt được gia tốc càng nhanh trong một máy va chạm hạt – thì khối lượng của nó càng lớn.

Thứ đến, lí thuyết của Einstein giải thích rằng khối lượng làm cong cấu trúc của không gian và thời gian, gây ra hiện tượng gọi là sự hấp dẫn. Khi các hạt lao nhanh bên trong máy va chạm hạt, chúng làm cong không-thời gian và có thể làm tập trung năng lượng giống như thấu kính thủy tinh làm hội tụ ánh sáng.

Khi hai hạt va chạm nhau, hạt này có thể làm tập trung năng lượng của hạt kia. Nếu các nhà khoa học sử dụng các mô hình xây dựng trên thuyết tương đối cổ điển loại trừ khái niệm các chiều bổ sung, “thì người ta có thể trông ngóng sự hình thành lỗ đen ở 1/3 năng lượng” trước đây người ta nghĩ, theo nhà vật lí lí thuyết Frans Pretorius tại trường Đại học Princeton.

Tuy nhiên, vật lí học chính thống cho biết để tạo ra một lỗ đen mini cần có một năng lượng gấp một triệu tỉ lần năng lượng mà LHC có khả năng cung cấp, cho dù một phần ba năng lượng đó thì cũng nằm ngoài tầm với của con người. Các kịch bản xây dựng trên các chiều bổ sung có thể có các lỗ đen hình thành ở một năng lượng thấp hơn, nhưng chúng không có tiên đoán chắc chắn nào về cái nó trông như thế nào.

Những lỗ đen không nguy hiểm

Các lỗ đen trông có vẻ khủng khiếp thế, nhưng nếu các máy gia tốc hạt trên Trái đất có thể tạo ra chúng, thì những thực thể vô cùng nhỏ như thế không có nguy hại gì đối với hành tinh chúng ta.

“Một cái hiểu sai thường thấy về những lỗ đen nhỏ có thể hình thành tại Máy Va chạm Hadron Lớn là chúng sẽ nuốt chửng lấy Trái đất,” Pretorius nói. “Với mức độ chắc chắn mà chúng ta có thể nói về bất kì cái gì đó trong khoa học, đây hoàn toàn là chuyện không thể.”

Nhà vật lí lí thuyết Stephen Hawking đã tính được rằng tất cả các lỗ đen sẽ mất khối lượng theo thời gian, giải phóng cái gọi là bức xạ Hawking. Các lỗ đen nhỏ xíu sẽ co lại qua sự bay hơi như thế nhanh hơn tốc độ chúng lớn lên bằng cách nuốt lấy vật chất, nên chúng sẽ chết trong vòng một phần nhỏ của một giây, trước khi chúng có thể ngốn lấy bất kì lượng vật chất nào đáng kể.

Cho dù nếu Hawking không đúng và các lỗ đen bền hơn thế, thì những lỗ đen nhỏ xíu cũng sẽ chẳng có nguy hại gì. Bởi vì những lỗ đen vi mô sẽ được tạo ra bên trong một máy gia tốc hạt, chúng sẽ duy trì đủ tốc độ để thoát ra khỏi lực hấp dẫn của Trái đất. Hơn nữa, nếu có bất kì lỗ đen nào bị giữ lại, thì vì chúng quá nhỏ nên cần thời gian cỡ bằng tuổi của vũ trụ hiện nay mới đủ để chúng phá hủy một milli gram vật chất Trái đất.

Pretorius và đồng nghiệp của ông, William East, mô tả những kết quả mới của họ trên số ra trực tuyến ngày 7 tháng 3 vừa qua của tạp chí Physical Review Letters.

Nguồn: Charles Choi, LiveScience