VLCC (P.5): Lỗ đen – Thuyết tương đối và thuyết lượng tử

Ở phần này chúng ta sẽ tìm hiểu về lỗ đen. Trước khi mổ xẻ xem xét lỗ đen là gì chúng ta hãy dành chút thời gian điểm lại lịch sử. Khoảng đầu thế kỉ 18 người ta tranh luận về bản chất của ánh sáng, Lúc đó đa số mọi người tin ánh sáng là sóng, rất ít người tin vào việc ánh sáng (cũng) là hạt. Nếu coi ánh sáng là sóng thì người ta không chắc ánh sáng sẽ phản ứng thế nào với lực hấp dẫn của Newton. Nếu coi ánh sáng là hạt thì liệu lực hấp dẫn có tác động lên nó giống như tác động lên các chất điểm khác không. Dựa trên tranh luận này một người tên là John Michell đã viết một bài báo vào năm 1783, cho rằng một ngôi sao đủ nặng và đặc có thể có trường hấp dẫn mạnh tới mức không cho ánh sáng thoát ra được; bất cứ ánh sáng nào phát ra từ ngôi sao đó cũng bị kéo ngược trở lại. Tuy chúng ta không thể nhìn thấy những ngôi sao đó vì ánh sáng từ chúng không đến được chúng ta, nhưng vẫn có thể cảm nhận và đo đạc lực hấp dẫn của chúng. Những ngôi sao này gọi là lỗ đen, hay những khoảng đen vũ trụ. Thuật ngữ lỗ đen – Black Hole – ra đời từ đó.

Lỗ đen bản chất có thể coi là một ngôi sao đặc biệt. Lỗ đen có thể nặng gấp một tỉ lần so với Mặt Trời và bé hơn một nguyên tử. Mỗi thiên hà thường có một hố đen ở trung tâm, tính chất của thiên hà thường đặc trưng bởi tính chất hố đen trung tâm của nó. Có thể coi nó là “nhân” của thiên hà . “Nhân” của thiên hà chúng ta tên là Sagittarius A, một lỗ đen có trọng lượng gấp 40 triệu lần Mặt trời. Để hiểu lỗ đen chúng ta phải hiểu bản chất các vì sao (thiên thể) hình thành như nào. Một ngôi sao bắt đầu với một lượng lớn khí (chủ yếu là Hidro) co lại với nhau (do lực hấp dẫn của chính mình) và kết hợp thành những nguyên tố khác nặng hơn. Sự kết hợp này là phản ứng nhiệt hạch, nó giống như những vụ nổ bom khinh khí và vì thế giải phóng một nguồn năng lượng khổng lồ. Nguồn năng lượng này sẽ làm ngôi sao phát sáng, tăng áp suất của khối khí cho đến khi đủ cân bằng với lực hấp dẫn và vì thế khối khí ngừng co lại. Giai đoạn này gọi là giai đoạn ổn định của sao, khi năng lượng từ các phản ứng bên trong cân bằng với lực hấp dẫn của chính nó.

Theo tính toán mặt trời sẽ còn ổn định trong vài tỉ năm nữa, trong khi nhiều sao khác có vòng đời ngắn hơn. Đến một lúc nào đó khi một ngôi sao dùng hết nguyên liệu thì nó sẽ co lại và lạnh đi. Có thể coi lúc này ngôi sao đang tự sụp đổ vào chính nó. Có một giới hạn ở đây, gọi là giới hạn Chandrasekhar và giới hạn Tolman. Nếu ngôi sao nào có khối lượng ở dưới giới hạn Chandrasekhar (khoảng 1,5 lần trọng lượng Mặt trời) thì sẽ “may mắn” không co lại đến vô cùng. Nó sẽ chỉ co lại ở một mức độ nào đó và trở thành một sao lùn trắng. Ngược lại, nhưng sao nào vượt qua giới hạn Chandrasekhar nhưng chưa tới giới hạn Tolman (3,3 lần trọng lượng mặt trời) thì sẽ tạo ra sao Neutron. Lúc này ở mức độ nguyên tử Electron bị bắt buộc kết hợp với Photon để tạo ra Neutron. Sao Neutron rất nhỏ nếu xem xét đến khối lượng của chúng và vì thế chúng có một lực hấp dẫn khổng lồ. Tỉ trọng của sao Neutron là 400 quadrillion trên một mét khối! Tiếp tục, nếu sao có khối lượng vượt qua giới hạn Tolman thì sẽ co lại đến vô cùng. Lúc này chúng ta có lỗ đen. Tỉ trọng của lỗ đen là vô hạn. Hay chính xác lỗ đen là một điểm kì dị. Vật lý không như toán học rất ghét giá trị vô hạn và giá trị 0, vốn được coi là đặc sản của toán học. Vì thế việc phát hiện ra những điểm kì dị trong thế giới vũ trụ là một điều chấn động với các nhà vật lý. Lỗ đen là một điểm kì dị, và vì thế mọi quy luật vật lý đều vô nghĩa bên trong lỗ đen.

Chính Einstein cũng cảm thấy khó hiểu về điều này. Ông đã viết một số bài báo tuyên bố rằng một ngôi sao không thể co lại tới kích thước bằng không. Tuy nhiên giới khoa học về sau với những quan sát và thực nghiệm đã khẳng định sự tồn tại của lỗ đen. Lỗ đen chính là những ngôi sao “chết” lang thang trong vũ trụ. Nó không có màu đen theo cách hiểu thông thường, nó chỉ giữ lại ánh sáng và từ đó là thông tin ở bên trong đó. Cái chúng ta quan sát được là một khoảng đen, và chúng ta gọi đó là lỗ đen.

Đến đây bạn sẽ thắc mắc là tại sao nó hút được cả ánh sáng, vốn không có khối lượng? Rõ ràng trọng lượng là chỉ lực hút giữa các vật có khối lượng với nhau? Einstein là người đã giải đáp vấn đề này. Thuyết tương đối của Einstein chỉ ra rằng một vật đủ lớn có khả năng bẻ cong cả không – thời gian. Ánh sáng cũng chịu ảnh hưởng của sự bẻ cong này. Tưởng tượng một khối đen có khối lượng cực lớn bị nén trong một thể tích cực nhỏ, nó sẽ tạo ra trọng lực gần đến vô hạn. Lúc này không – thời gian xung quanh lỗ đen không đơn giản là “cong” mà là “đổ sập” vào bên trong chính lỗ đen. Mọi thứ không thể thoát ra và vì thế không có bắt đầu và không có kết thúc. Lỗ đen chính là một hình ảnh thu nhỏ của vũ trụ thời điểm đầu. Có thể vũ trụ chúng ta đang nằm bên trong lỗ đen của một vũ trụ khác? Hay một vũ trụ khác đang nằm bên trong lỗ đen của vũ trụ chúng ta?

Nói đến lỗ đen thì phải nhắc đến Stephen Hawking với bức xạ Hawking. Cơ bản trong chân không của vũ trụ dưới ảnh hưởng của lượng tử có những hạt ảo liên tục xuất hiện và triệt tiêu lẫn nhau và vì thế không vật chất (hay năng lượng) nào được tạo ra hay mất đi. Những hạt này có năng lượng ngược nhau và không ảnh hưởng đến bất cứ cái gì bên ngoài vòng đời của nó. Vì thế nó mới tên là “ảo”.Tuy nhiên giả sử những hạt này xuất hiện ở ngay mép của lỗ đen. Lỗ đen sẽ “nuốt” một hạt đồng thời đẩy một hạt đi xa. Hawking chỉ ra rằng hạt được “nuốt” sẽ là hạt âm và vì thế khi bị hút vào trong hố đen nó sẽ phản ứng với hạt dương ở trong đó và triệt tiêu, làm lỗ đen mất đi vật chất/ năng lượng. Các hạt dương được phát ra ngoài vũ trụ chính là các bức xạ Hawking của lỗ đen. Cho một lỗ đen có năng lượng bằng mặt trời thì nó sẽ mất 10 mũ 67 năm để triệt tiêu hoàn toàn. Vậy ta có thể kết luận rằng tuy bản thân lỗ đen là một điểm kì dị nhưng nó có bắt đầu và có kết thúc.

Tuy nhiên điều đó vẫn không trả lời được câu hỏi quan trọng nhất: Cái gì diễn ra giữa cái bắt đầu và kết thúc đó? Chúng ta không thể biết được cho đến khi ở trong chính lỗ đen. Tuy nhiên sự sống sinh học của chúng ta không thể tồn tại trong đó. Chúng ta không có cách nào khám phá được những bí ẩn bên trong lỗ đen, ít nhất là ở thời điểm hiện tại.

Giả sử chúng ta chỉ bay vòng quanh lỗ đen và quan sát thì sao? Lỗ đen giống như một cái phễu khổng lồ với một điểm kì dị ở giữa và màn đen bao phủ xung quanh. Khi bạn bay vòng quanh cái phễu này bạn sẽ quan sát được bằng mắt thường ánh sáng bị “méo” ở các phần viền bao quanh.  Chúng ta sẽ thấy được cả bốn phía của một lỗ đen trong cùng một tầm nhìn, ngoài ra còn có từ trường tạo thành các dải vân bện vào nhau và vô vàn thứ kì lạ khác.  Khi càng tiến gần đến cái phễu này bạn sẽ càng mất ổn định. Về cơ bản lúc này bạn sẽ có mắt thần, có thể nhìn thấy mọi hướng của mọi vật thể xung quanh. Lí do là ánh sáng đi quanh vật thể bị hố đen giữ lại và quay ngược về chúng ta. Thời gian cũng bị ảnh hưởng. Nếu ở Trái đất thời gian trôi theo cách chúng ta cảm nhận thì ở gần một vật có lực hút vĩ đại như lỗ đen, thời gian “trôi” cực kì chậm chạp. Giả sử có trạm quan sát ở Trái đất theo dõi chúng ta đi vào một lỗ đen, họ sẽ thấy gì? Đầu tiên họ sẽ thấy chúng ta đi với tốc độ bình thường đến hố đen. Càng gần lỗ đen thì họ thấy chúng ta càng chậm lại. Và họ thấy chúng ta sẽ mãi mãi dừng lại ở “chân trời sự kiện” (là khái niệm chỉ biên giới của hố đen và vũ trụ). Dù có trăm nghìn năm trôi qua thì khi quan sát hố đen đó họ vẫn thấy con tàu chúng ta đứng yên ở đó, tựa như bị đóng băng vĩnh viễn vậy. Trong khi đó giả sử ở trong con tàu vũ trụ chúng ta quan sát ngược lại Trái Đất thì sao? Chúng ta sẽ thấy giống như một đoạn phim tua ngày càng nhanh vậy. Gia đình chúng ta rồi đến con cháu chúng ta, trăm nghìn thế hệ nối tiếp nhau trên một đoạn hình ảnh. Bên trong một lỗ đen bạn sẽ nhìn thấy thời gian trôi qua một cách vô tận. Nói theo cách khác thì bạn có thể thấy cái kết của vũ trụ bên trong một lỗ đen. Đây chính là điều gây kích thích cao độ cho các nhà vật lý. Có vẻ như rất nhiều câu trả lời cho vũ trụ quanh ta đang nằm bên trong một lỗ đen (tất nhiên là nếu bạn còn sống để tiếp nhận câu trả lời đó).

Hawking khi nghiên cứu vấn đề này cho rằng không có cách nào có thể trở ngược ra một hố đen. Nó giống như Dante nói về địa ngục: “Hãy vứt bỏ mọi hi vọng khi bước vào đây”. Bất cứ cái gì khi rơi vào “chân trời sự kiện” thì đều sớm đến điểm kì dị trung tâm có mật độ vô hạn và thời gian sụp đổ ở đó. Tuy nhiên ông cho rằng chúng ta có thể quan sát được điểm kì dị theo một cách khác, không nhất thiết là phải chui vào trong đó!? Có một số nghiệm của thuyết tương đối rộng cho phép chúng ta sử dụng lỗ đen như một phương thức đi đến những khoảng không gian khác của vũ trụ. Tuy nhiên Hawking cảnh báo rằng chúng rất “bất ổn”, và việc “sử dụng” chúng là hết sức liều lĩnh, ít nhất là với lý thuyết hiện tại. Trong thiên văn học, người ta cũng quan sát được một loại lỗ đen gọi là lỗ đen Kerr hay lỗ đen quay tròn. Tuy vật chất cũng sụp đổ và biến mất bên trong nó nhưng nó không hề có điểm kì dị. Con người hay các dạng sự sống có thể tồn tại bên trong nó và thông qua nó đi đến một không gian khác hoặc vũ trụ khác. Tuy mới chỉ là giả thuyết nhưng đây là bằng chứng duy nhất quan sát được về cách di chuyển xuyên không gian. Cũng phải nói thêm rằng bản chất của việc tìm hiểu lỗ đen cũng chính là tìm hiểu về điểm kì dị, cũng như điểm bắt đầu và kết thúc của vũ trụ. Một lỗ đen có thể là một vũ trụ khác. Đây cũng chính là nơi giao nhau giữa thuyết tương đối và thuyết lượng tử. Khi cả vũ trụ trở thành một điểm, nó sẽ mang tính chất của học thuyết nào, tương đối hay lượng tử?

Điểm kì dị – Sóng hấp dẫn – Thuyết tương đối và thuyết lượng tử

Trước khi phân tích thuyết tương đối và thuyết lượng tử hãy nói một chút về sóng hấp dẫn. Thuyết tương đối tiên đoán rằng các vật có khối lượng sẽ phát ra sóng hấp dẫn – những nếp gợn trong độ cong của không gian truyền với vận tốc ánh sáng. Tương tự lưỡng tính sóng – hạt của chất điểm, giờ đây vật chất cũng có tính chất sóng, ở đây là sóng hấp dẫn. Những sóng này cũng giống như sóng ánh sáng, là những gợn sóng của trường điện từ tuy nhiên khó phát hiện hơn nhiều. Chỉ mới gần đây thôi viện công nghệ California (Mỹ) mới chính thức công bố việc phát hiện loại sóng này, chính thức khẳng định tiên đoán của Einstein đồng thời đưa nền tri thức nhân loại bước một bước dài. Một trong những ứng dụng lớn nhất của sóng hấp dẫn là việc thông qua nó chúng ta có thể theo dõi được các vật thể mới, vốn không thể phát hiện bằng  ánh sáng, ở đây tức là quan sát thông thường. Điển hình là lỗ đen. Từ đây chúng ta có thể nghiên cứu lỗ đen thông qua cách sóng hấp dẫn. Một chân trời tri thức mới đang dần hé lộ!

Thuyết tương đối của Einstein mô tả vũ trụ ở thang vĩ mô (so với nguyên tử) với tương quan hình học. Thuyết lượng tử được Einstein cùng với Bohr, Heisenberg, Planck… mô tả vũ trụ ở thang vi mô (các hạt cơ bản) với yếu tố bất định. Có thể nhận thấy ngay rằng đối tượng nghiên cứu của hai học thuyết này khác nhau và tưởng như không bao giờ có thể gặp nhau. Tuy nhiên lỗ đen xuất hiện. Lỗ đen vừa có tính chất chất điểm bất định vừa có tính chất hình học không gian, vừa “bé” vô cùng (về mặt không gian) vừa “lớn” vô cùng (về mặt năng lượng). Nghiên cứu lỗ đen chính là cách thức để tiến tới hợp nhất hai học thuyết này. Với việc California Tech khi quan sát hai hố đen hợp nhất với nhau và phát hiện ra sóng hấp dẫn thì nhân loại chúng ta có thêm một công cụ mới đầy mạnh mẽ. Trước kia việc lý giải lực hấp dẫn trong không gian lượng tử quá khó khăn làm người ta cho rằng có ít nhất một trong hai lý thuyết chưa tổng quát, lý thuyết chưa tổng quát đó chỉ là một nghiệm riêng biệt của lý thuyết còn lại thì nay mọi thứ đã khác. Vật chất nay đã có “sóng”. Mọi dao động được lý giải tương tự như giao thoa của các “sóng”chất điểm sẽ giúp đưa các vật vô cùng lớn tiến gần các vật vô cùng nhỏ hơn. Một cách nói khác, vì lực hấp dẫn là hệ quả của Không – thời gian cong, chúng ta đang dần trả lời được câu hỏi bản chất lượng tử của không gian và thời gian thông qua phát kiến này.