Điểm kỳ dị không-thời gian

Điểm kỳ dị không-thời gian, hay còn gọi là điểm kỳ dị hấp dẫn hoặc đơn giản là điểm kỳ dị (tiếng Anh: spacetime singularity, gravitational singularity hoặc singularity) là trạng thái mà lực hấp dẫn trở nên mạnh đến mức không-thời gian sụp đổ hoàn toàn. Tại điểm kỳ dị, không-thời gian không còn là một phần của cấu trúc thông thường và không thể xác định được 'vị trí' hoặc 'thời gian' của nó. Điểm kỳ dị không-thời gian xuất hiện tại giao điểm của thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử; do đó, các đặc điểm của nó không thể được mô tả nếu không có lý thuyết hấp dẫn lượng tử. Việc xác định rõ ràng điểm kỳ dị trong thuyết tương đối rộng, lý thuyết về hấp dẫn tốt nhất hiện nay, vẫn là một thách thức lớn. Trong thuyết tương đối rộng, điểm kỳ dị có thể được xác định qua độ cong scalar trở nên vô hạn hoặc bởi các geodesic không hoàn chỉnh.

Điểm kỳ dị không-thời gian chủ yếu được nghiên cứu trong thuyết tương đối rộng, nơi mà mật độ trở nên vô hạn ở trung tâm của lỗ đen nếu không có sự can thiệp từ cơ học lượng tử, và trong vũ trụ học, là giai đoạn sớm nhất của vũ trụ trong Vụ Nổ Lớn. Các nhà vật lý vẫn chưa thống nhất liệu các điểm kỳ dị có thực sự tồn tại (hoặc tồn tại tại thời điểm bắt đầu Vụ Nổ Lớn) hay hiện tại chúng ta chưa đủ thông tin để mô tả những hiện tượng xảy ra ở mật độ cực cao.

Theo thuyết tương đối rộng, bất kỳ vật thể nào khi sụp đổ vượt quá một điểm nhất định (đối với các sao, điểm này là bán kính Schwarzschild) sẽ tạo ra một lỗ đen, bên trong đó sẽ xuất hiện một điểm kỳ dị (được bao phủ bởi một chân trời sự kiện). Định lý điểm kỳ dị Penrose-Hawking mô tả rằng một điểm kỳ dị có geodesic không thể mở rộng một cách mượt mà. Sự kết thúc của các geodesic như vậy được coi là điểm kỳ dị.

Trạng thái ban đầu của vũ trụ tại thời điểm Vụ Nổ Lớn, theo các lý thuyết hiện đại, được dự đoán là một điểm kỳ dị. Trong tình huống này, vũ trụ không sụp đổ thành một lỗ đen vì các phép tính và giới hạn mật độ cho sự sụp đổ hấp dẫn thường dựa trên các vật thể ổn định như các ngôi sao, và không áp dụng trực tiếp cho không gian mở rộng nhanh như Vụ Nổ Lớn. Hiện tại, cả thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử đều không thể mô tả chính xác những khoảnh khắc đầu tiên của Vụ Nổ Lớn, nhưng cơ học lượng tử không cho phép các hạt tồn tại trong không gian nhỏ hơn bước sóng của chúng.

Các loại điểm kỳ dị

Kỳ dị lỗ đen

Kỳ dị lỗ đen xuất hiện khi một ngôi sao có khối lượng vượt quá giới hạn Chandrasekhar kết thúc vòng đời của nó. Ngôi sao này sẽ co lại đến mật độ vô hạn (hoặc nếu không thể nén đến mật độ vô hạn, nó sẽ bị nén đến kích thước nhỏ nhất có thể) thành một điểm kỳ dị. Điểm kỳ dị trong lỗ đen được bao phủ bởi chân trời sự kiện. Khi một vật thể có khối lượng rơi vào lỗ đen và tiếp cận gần chân trời sự kiện, nó sẽ bị nén bởi sự khác biệt về hấp dẫn xung quanh lỗ đen. Nếu vượt qua chân trời sự kiện, vật thể sẽ không còn thể tích, chỉ còn lại khối lượng và trường hấp dẫn. Bất kỳ vật thể nào rơi vào chân trời sự kiện sẽ nhanh chóng tiếp cận vùng gần điểm kỳ dị với mật độ vô hạn, dẫn đến sự chấm dứt của thời gian.

Kỳ dị trần trụi

Cho đến đầu những năm 1990, người ta cho rằng thuyết tương đối rộng chỉ cho phép các điểm kỳ dị được bao phủ bởi chân trời sự kiện, do đó, các điểm kỳ dị 'trần trụi' được cho là không thể tồn tại. Quan điểm này được gọi là giả thuyết cosmic censorship. Tuy nhiên, vào năm 1991, các nhà vật lý Stuart Shapiro và Saul Teukolsky đã thực hiện các mô phỏng máy tính về một mặt phẳng bụi quay, cho thấy rằng thuyết tương đối rộng có thể cho phép sự tồn tại của các điểm kỳ dị trần trụi. Hình dáng thực sự của những vật thể này trong mô hình vẫn chưa được xác định, và không rõ liệu các điểm kỳ dị trần trụi có tiếp tục xuất hiện nếu các giả định đơn giản hóa trong mô phỏng này được loại bỏ. Dẫu vậy, có giả thuyết rằng ánh sáng khi đi vào một điểm kỳ dị trần trụi có thể làm cho các geodesics của nó bị chấm dứt, khiến điểm kỳ dị trần trụi trông giống như một lỗ đen.

Kỳ dị Vụ Nổ Lớn

Nếu thuyết Vụ Nổ Lớn là chính xác, thì điểm kỳ dị Vụ Nổ Lớn có thể tồn tại, đó là điểm khởi đầu của sự kiện Vụ Nổ Lớn. Vũ trụ đã giãn nở ra, vì vậy trong quá khứ, nó phải tập trung tại một điểm. Điểm này có độ cong không-thời gian vô hạn.

Kỳ dị Vụ Co Lớn

Nếu vũ trụ phát triển theo mô hình Friedmann, tức là tốc độ giãn nở không còn đủ để chống lại lực hấp dẫn của chính nó, thì vũ trụ sẽ co lại thành một điểm gọi là điểm kỳ dị Vụ Co Lớn. Cần lưu ý nguyên lý loại trừ Pauli, quy định rằng hai hạt không thể có cùng một lúc vị trí và vận tốc giống nhau, tức là hai hạt ở cùng một vị trí không thể có cùng vận tốc; điều này dẫn đến việc chúng sẽ tách xa nhau. Do đó, các ngôi sao có kích thước nhỏ không thể co lại thành điểm kỳ dị vì lực loại trừ Pauli ngăn cản chúng.

Tuy nhiên, đối với các vật chất có khối lượng cực lớn, như vũ trụ, tình hình sẽ khác. Những vật chất này có lực hấp dẫn mạnh đến mức vượt qua mọi rào cản, và tiếp tục co lại thành điểm kỳ dị.

Tham khảo sách

• Stephen Hawking, Lược sử thời gian: Từ Vụ Nổ Lớn đến các lỗ đen, dịch bởi Cao Chi và Phạm Văn Thiều, Nhà xuất bản Khoa học và Kĩ thuật, 1995; tái bản: Nhà xuất bản Văn hóa Thông tin, 2000, 299 trang; Nhà xuất bản Trẻ, 2007, 285 trang.