Một nhà vật lý đã tính toán những gì sẽ xảy ra nếu một lỗ đen nhỏ đi qua cơ thể bạn

Đây không phải là chủ đề thường xuyên xuất hiện trong các phòng thí nghiệm mà lại từng được nhà văn khoa học viễn tưởng Larry Niven tưởng tượng từ gần nửa thế kỷ trước. Tuy nhiên, phải đến tận bây giờ, các con số tính toán chi tiết liên quan đến kịch bản đặc biệt này mới chính thức được đưa ra nhờ nghiên cứu của Robert Scherrer, giáo sư vật lý tại Đại học Vanderbilt, Mỹ.

Lỗ đen nguyên thủy, hay còn gọi là PBH, vốn được xem là những di tích kỳ bí từ thời điểm chưa đầy một giây sau Vụ Nổ Lớn. Chúng có đủ loại kích thước, từ nhỏ hơn cả một nguyên tử đến lớn bằng hàng nghìn Mặt Trời.

Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã đặt câu hỏi liệu những vật thể siêu đặc này có thể là ứng cử viên cho vật chất tối, thứ chiếm phần lớn khối lượng vũ trụ nhưng gần như không thể quan sát trực tiếp.

Chính câu hỏi này là điểm khởi đầu cho nghiên cứu của Scherrer, khi ông không chỉ tìm cách lý giải bản chất của vật chất tối mà còn muốn biết liệu một PBH vô tình di chuyển xuyên qua cơ thể người sẽ gây ra điều gì.

Tính toán của Scherrer dẫn đến hai kết luận trái ngược: Một mặt, kịch bản này thực sự có khả năng khiến con người tử vong theo những cách khủng khiếp nhất mà bạn có thể hình dung; Mặt khác, xác suất xảy ra nó gần như bằng không. Lỗ đen nguyên thủy không phải là thứ mà bạn cần lo lắng trong cuộc sống thường ngày, thậm chí Scherrer còn khẳng định rằng một PBH đủ nhỏ có thể đi xuyên qua bạn mà bạn không hề hay biết.

Để hiểu điều gì sẽ xảy ra trong trường hợp lỗ đen tiếp xúc với cơ thể người, Scherrer phân tích hai cơ chế: sóng xung kích và lực thủy triều. Sóng xung kích xảy ra khi lỗ đen di chuyển nhanh hơn tốc độ âm thanh trong mô sinh học, tạo ra hiệu ứng tương tự một viên đạn rạch toạc không khí.

Dựa trên các phương trình về truyền năng lượng, Scherrer xác định rằng một lỗ đen nặng hơn 1,4 x 10¹⁷ gam có thể tạo ra lượng năng lượng đủ để gây tử vong. Con số này nhỏ hơn nhiều so với những gì người ta tưởng tượng về một lỗ đen. Nếu nhẹ hơn mức đó, PBH sẽ đi xuyên cơ thể bạn hoàn toàn trong im lặng, không gây bất kỳ tác động đáng chú ý nào.

Bất ngờ hơn nữa là việc dù mang khối lượng lớn cỡ một tiểu hành tinh nhỏ, PBH có bán kính Schwarzschild cực kỳ nhỏ, chỉ bé hơn một phần nghìn tỷ của một centimet. Điều này có nghĩa là lỗ đen không thực sự chạm vào mô cơ thể theo nghĩa vật lý thông thường.

Thay vào đó, nó dùng lực hấp dẫn của mình để kéo giãn không gian. Các nguyên tử gần đường đi của nó bị kéo lại rồi bật ra theo phản ứng của vật chất bị nén. Điều này tạo ra một vùng tổn thương dọc theo đường di chuyển của PBH, nhưng phạm vi ảnh hưởng vẫn cực kỳ hẹp.

Tác động thứ hai liên quan đến lực thủy triều, vốn là hiện tượng tương tự làm dịch chuyển thủy triều trên Trái Đất. Ở quy mô vi mô, lực thủy triều kéo một phía tế bào mạnh hơn phía còn lại. Theo tính toán của Scherrer, để lực thủy triều đủ mạnh xé rách các tế bào não, PBH phải nặng từ 7 x 10¹⁸ đến 7 x 10¹⁹ gam. Đây là mức khối lượng lớn hơn hàng trăm lần mức gây tử vong bởi sóng xung kích, nghĩa là nguy cơ thực sự không nằm ở việc PBH xé nát cơ thể con người mà ở cú va chạm siêu mạnh giống như bị bắn bởi một khẩu súng vô hình.

Scherrer nhấn mạnh rằng mật độ PBH có kích thước nguy hiểm như vậy trong vũ trụ thấp đến mức gần như bằng không. Theo phân tích dựa trên cả lý thuyết lẫn quan sát, xác suất để một người gặp một PBH nguy hiểm trong cả đời là dưới một phần mười nghìn tỷ. Nếu PBH là một phần của quầng vật chất tối trong Dải Ngân Hà, chúng vẫn ở cách nhau quá xa để Trái Đất có thể gặp một vật thể như vậy, chứ chưa nói đến việc một PBH tình cờ đâm thẳng vào cơ thể con người.

Đằng sau nghiên cứu có phần rùng rợn này là mục tiêu khoa học nghiêm túc: xác định xem PBH có thể là vật chất tối hay không. Nếu PBH đủ lớn và xuất hiện thường xuyên, đáng lẽ con người đã từng ghi nhận tác động của chúng, bao gồm cả thương vong. 

Việc nhân loại chưa từng có trường hợp nào tử vong vì một vật thể không xác định xuyên qua người với sức mạnh lỗ đen giúp loại bỏ nhiều dải khối lượng PBH khỏi danh sách ứng viên cho vật chất tối. Scherrer từng hợp tác với các nhà vật lý Jagjit Singh Sidhu và Glenn Starkman để nghiên cứu MACRO, một dạng vật chất tối giả thuyết có kích thước lớn, và ông cho biết những kết luận về MACRO cũng tương tự: không có tử vong, tức là không có bằng chứng chúng tồn tại với mật độ đáng kể.

Scherrer chia sẻ rằng ông đã nhớ đến câu chuyện khoa học viễn tưởng của Larry Niven khi bắt tay vào nghiên cứu. Niven từng mô tả một vụ giết người mà hung thủ là một lỗ đen siêu nhỏ vô tình đi xuyên qua nạn nhân. 

Điều thú vị là khoa học không hoàn toàn bác bỏ khả năng này. Một lỗ đen siêu nhỏ thật sự có thể gây ra tác động giống như mô tả của Niven. Nhưng thế giới thực khác ở chỗ xác suất gặp phải PBH đủ nguy hiểm thấp đến mức gần như không tồn tại.

Dù vậy, nghiên cứu vẫn gợi mở những câu hỏi quan trọng về sự phong phú và bản chất của vật chất tối. Vũ trụ chứa vô số bí ẩn, nhưng có những mối đe dọa mà chúng ta hoàn toàn có thể gạch bỏ khỏi danh sách lo lắng. 

Một lỗ đen nguyên thủy nhỏ cỡ tàu sân bay có thể xuyên qua cơ thể bạn mà bạn không hề cảm nhận được. Đó là nghịch lý của vũ trụ: những vật thể đáng sợ nhất không phải lúc nào cũng là những gì chúng ta cần phải sợ.

Kết quả nghiên cứu của Robert Scherrer đã được công bố trên tạp chí International Journal of Modern Physics D, khép lại một trong những câu hỏi kỳ lạ nhất nhưng cũng thú vị nhất liên quan đến giới hạn cuối cùng của vật lý và sinh học con người. 

Trong vô vàn mối nguy từ không gian, lỗ đen siêu nhỏ không nằm trong số chúng. Nhưng ở một vũ trụ khác, nơi khoa học viễn tưởng trở thành hiện thực, hoàn toàn có thể có người không may mắn như vậy.