Thuyết tương đối rộng là một lý thuyết phức tạp về mặt toán học, nhưng những mô tả của nó về các lỗ đen thì đơn giản đến khó tin. Một lỗ đen ổn định có thể được mô tả chỉ bởi ba đặc tính: khối lượng, điện tích và sự quay của nó. Vì lỗ đen về cơ bản là không tích điện, thực tế nó chỉ còn hai đặc tính. Nếu bạn biết về khối lượng và sự quay (hay spin) của lỗ đen, tức là bạn biết mọi thứ cần biết về nó.
Tính chất này của lỗ đen thường được tóm gọn trong cái gọi là định lý không có tóc. Đặc biệt, định lý này khẳng định rằng một khi vật chất rơi vào một lỗ đen, đặc tính duy nhất của nó còn giữ lại là khối lượng. Bạn có thể tạo ra lỗ đen từ lượng hydro của Mặt Trời, từ những chiếc ghế hay những tờ báo cũ ở nhà bà nội của bạn, và chẳng có gì khác biệt cả. Khối lượng đơn giản là khối lượng theo cách mà thuyết tương đối rộng mô tả. Trong mọi trường hợp, chân trời sự kiện của một lỗ đen là hoàn toàn trơn tru, không có thêm thứ gì khác. Như Jacob Bekenstein đã nói, "lỗ đen không có tóc".
Nhưng dù mang tất cả khả năng dự đoán mạnh mẽ đó, thuyết tương đối rộng vẫn có một vấn đề với thuyết lượng tử. Điều này đặc biệt đúng với các lỗ đen. Nếu như định lý không có tóc là đúng, thông tin trong một vật thể bị phá hủy khi nó đi qua chân trời sự kiện. Thuyết lượng tử cho biết thông tin đó không bao giờ có thể bị phá hủy. Như vậy, lý thuyết về hấp dẫn lại mâu thuẫn với thuyết lượng tử. Việc này dẫn tới những vấn đề như là nghịch lý tường lửa - một nghịch lý về việc không thể nói chắc được là chân trời sự kiện nóng hay lạnh.
Một số lý thuyết đã được đề xuất để giải quyết mâu thuẫn này, trong đó thường liên quan đến việc mở rộng thuyết tương đối. Sự khác biệt giữa thuyết tương đối chuẩn với những lý thuyết được hiệu chỉnh này chỉ có thể được thấy trong những tình huống đặc biệt, khiến chúng rất khó để có thể nghiên cứu qua quan sát. Tuy nhiên, một bài báo mới đăng trong Physical Review Letters cho thấy cách mà chúng có thể được nghiên cứu thông qua sự quay (hay spin) của một lỗ đen.
Nhiều lý thuyết hiệu chỉnh thuyết tương đối có một tham số bổ sung vốn không có trong lý thuyết chuẩn. Được biết tới là một trường vô hướng không khối lượng, nó cho phép mô hình của Einstein liên kết với thuyết lượng tử theo một cách không mâu thuẫn. Trong công trình mới này, nhóm nghiên cứu theo dõi cách mà trường vô hướng này liên kết với sự quay của một lỗ đen. Họ thấy rằng ở tốc độ quay thấp, một lỗ đen đã hiệu chỉnh không có sai khác nào so với mô hình chuẩn, nhưng ở tốc độ quay lớn thì trường vô hướng cho phép lỗ đen có thêm các yếu tố mới. Nói cách khác, trong những mô hình thay thế này, các lỗ đen quay nhanh thì có tóc.
Sự có tóc của các lỗ đen quay chỉ có thể được nhìn thấy ở gần chân trời sự kiện của chúng, nhưng chúng cũng có ảnh hưởng trong những vụ sáp nhập lỗ đen. Như các tác giả nhấn mạnh, những quan sát sóng hấp dẫn trong tương lai sẽ có thể sử dụng các lỗ đen quay nhanh để xác định xem thuyết tương đối thay thế nào là chính xác.
Thuyết tương đối rộng của Einstein đã vượt qua mọi thách thức về quan sát cho tới nay, nhưng nó có thể sẽ sụp đổ ở những môi trường khắc nghiệt nhất trong vũ trụ. Các nghiên cứu như thế này cho thấy cách mà chúng ta có thể khám phá ra lý thuyết tiếp theo sẽ xuất hiện.
Bryan
Theo Phys.org
