Buzz
Điều tưởng chừng chỉ tồn tại trong khoa học viễn tưởng giờ đã trở thành hiện thực nhờ nỗ lực của đội ngũ chuyên gia từ Đại học Southampton (Anh), Đại học Glasgow (Scotland) và Viện Photonics và Công nghệ nano thuộc Hội đồng Nghiên cứu Quốc gia Ý. Họ đã thành công tái tạo hiện tượng 'bom hố đen' ngay trong môi trường phòng thí nghiệm.
Khái niệm về 'bom hố đen' đã xuất hiện từ thập niên 1970, được phát triển bởi hai nhà vật lý William Press và Saul Teukolsky, dựa trên nền tảng lý thuyết trước đó của Roger Penrose và Yakov Zel'dovich. Theo đó, trong điều kiện phù hợp, năng lượng có thể được chiết xuất từ hố đen quay thông qua hiệu ứng siêu sáng (superradiance).
Về bản chất, khi các sóng (điện từ hoặc vô hướng) tương tác với hố đen đang xoay, chúng có thể thu nạp năng lượng từ vật thể này. Nếu những sóng này bị giữ lại bên trong 'hàng rào phản xạ' (tương tự gương phản chiếu), chúng sẽ dao động liên tục và tích lũy thêm năng lượng sau mỗi chu kỳ.
Cơ chế này tạo ra vòng lặp khuếch đại năng lượng mạnh mẽ, khiến hệ thống mất ổn định và tạo ra sự bùng nổ năng lượng cực lớn, được mô tả như một 'quả bom hố đen' về mặt lý thuyết.
Mặc dù lý thuyết này cực kỳ thuyết phục, nhưng việc kiểm chứng thực tế luôn bị coi là bất khả thi do yêu cầu điều kiện cực đoan liên quan đến hố đen thực sự. Tuy nhiên, bước đột phá mới đây đã thay đổi hoàn toàn quan điểm này.
Nhóm nghiên cứu đã mô phỏng thành công 'bom hố đen' lý thuyết - nơi hố đen quay khuếch đại năng lượng bị giữ lại, bằng cách sử dụng hệ thống xi lanh nhôm xoay kết hợp với các cuộn dây từ tính.
Biến lý thuyết hố đen thành thực nghiệm: Chuyển hóa không gian và trọng lực thành từ trường cùng vật liệu nhôm
Trong thí nghiệm mang tính cách mạng này, các nhà nghiên cứu đã mô phỏng thành công môi trường tương tự vùng lân cận hố đen quay. Thay vì sử dụng không-thời gian và lực hấp dẫn, họ khéo léo ứng dụng hệ thống từ trường, mạch điện kết hợp với trụ nhôm quay.
Nền tảng thí nghiệm dựa trên hiệu ứng Zel'dovich - tiên đoán rằng vật thể xoay tròn có thể gia tăng cường độ sóng nếu tốc độ quay vượt qua vận tốc pha của sóng. Thiết kế bao gồm trụ nhôm quay được bao quanh bởi các cuộn dây từ tích hợp vào mạch điện.
Khi trụ nhôm bắt đầu chuyển động và từ trường ban đầu bị triệt tiêu, mạch điện tự phát tạo ra sóng điện từ. Những sóng này sau đó được khuếch đại mạnh mẽ nhờ chuyển động quay, tái hiện chính xác hiện tượng siêu sáng từng được dự đoán ở hố đen.
Đây là thí nghiệm đầu tiên đồng thời chứng minh được cả hai hiệu ứng: khuếch đại sóng và phát sóng tự phát trong hệ thống mô phỏng điều kiện hố đen dưới môi trường kiểm soát.
Maria Chiara Braidotti, nhà nghiên cứu tại Đại học Glasgow, nhấn mạnh: "Nghiên cứu của chúng tôi không chỉ xác nhận dự đoán lý thuyết trong môi trường phòng thí nghiệm mà còn chứng minh được quá trình chuyển sang trạng thái bất ổn định và cơ chế phát sóng tự nhiên".
Dĩ nhiên không có hố đen thực sự nào được tạo ra. Nhưng nguyên lý vật lý cốt lõi - khai thác năng lượng quay thông qua khuếch đại sóng - đã được xác minh. Điều này chứng tỏ khái niệm bom hố đen không còn là giả thuyết thuần túy.
Hiện tượng sóng từ yếu phản hồi với cường độ mạnh hơn đã mô phỏng chính xác cơ chế hố đen hấp thụ năng lượng thông qua hiệu ứng Zel'dovich. Khi đạt đến ngưỡng cực đại, hệ thống phát nổ, minh chứng cho quá trình gia tăng năng lượng vượt tầm kiểm soát. Dù chỉ là thí nghiệm an toàn, nó đã tạo bước đột phá trong việc nghiên cứu vật lý vũ trụ ngay trong phòng lab.
Từ vụ nổ mạch điện đến công cụ đột phá trong khám phá vũ trụ
Trong quá trình thực nghiệm, nhóm nghiên cứu đã đưa hệ thống đến điểm giới hạn, đôi khi dẫn đến những sự cố... nổ thật sự. Marion Cromb từ Đại học Southampton cho biết: "Có những lần chúng tôi đẩy hệ thống vượt ngưỡng đến mức các linh kiện mạch điện phát nổ. Đó vừa là trải nghiệm thú vị vừa là thử thách thực sự".
Thành công của thí nghiệm 'bom hố đen' đã mở ra phương pháp mới để nghiên cứu các quá trình sản sinh năng lượng, động lực học chuyển động quay, cùng những hiện tượng lượng tử và nhiệt động lực học phức tạp.
Do khoảng cách xa xôi và khó quan sát trực tiếp các hố đen thực, việc tái tạo hành vi của chúng trong phòng thí nghiệm giúp thu hẹp khoảng cách giữa lý thuyết và thực tiễn. Quan trọng hơn, điều này cho phép các nhà khoa học điều chỉnh thông số và quan sát kết quả tức thời - điều không thể thực hiện với các thiên thể ngoài vũ trụ.
Hệ thống mô phỏng này đã chứng minh hiện tượng khuếch đại sóng theo cấp số nhân - từng được cho là chỉ tồn tại trong vũ trụ xa xôi - hoàn toàn có thể xảy ra trên Trái Đất với điều kiện phù hợp.
Nghiên cứu xác nhận tính phổ quát của các định luật vật lý cơ bản và mở ra hướng đi mới đầy triển vọng trong lĩnh vực vật lý năng lượng cao và vũ trụ học. Hiếm khi nào một lý thuyết vũ trụ tồn tại suốt 50 năm lại được hiện thực hóa trong phòng thí nghiệm. Nhưng khi điều đó xảy ra, nó mang lại những đột phá có sức lan tỏa mạnh mẽ và mở ra chân trời khám phá chưa từng có.
