Những bí ẩn của Vũ trụ: Lỗ đen (P2)

Lỗ đen được xem như một lỗ sâu đục của Hawking - một kiểu lỗ thông không-thời gian

Hình dạng của Vũ trụ

Topology là ngành toán học nghiên cứu và phân loại các đối tượng hình học. Để giải thích về topo cho người không chuyên người ta thường lấy hình ảnh về những đối tượng hình học được vẽ trên màng cao su, ở đó, nếu bạn vẽ một hình tròn thì bằng cách "nắm" lấy bốn điểm cách đều nhau bất kỳ trên đường tròn đó rồi kéo căng ra (do nó được vẽ trên màng cao su), khi đó hình tròn của chúng ta sẽ biến thành hình vuông hay ít nhất là gần như vậy. Nội dung của topo học không quan tâm bạn vẽ một hình thế nào mà chỉ quan tâm hình được vẽ đó sẽ được nhận biết ra sao, theo nghĩa này thì hình vuông và hình tròn theo topo là giống nhau. Thế nhưng hình tròn và hình số 8 lại khác nhau vì bạn không thể kéo, nắm, vò, xoắn hay làm bất cứ thao tác "nặn" nào mà có thể biến hình tròn thành hình số 8 và ngược lại, trừ khi bạn thực hiện một vài thao tác "dính" hay "xé" - những thao tác làm thay đổi đặc tính hình học của vật thể theo cách mà topo học quan niệm.

Topo học cũng là ngành toán học có ảnh hưởng nhất đến thiên văn học nói chung và khoa học về Vũ trụ nói riêng, bởi từ sau cuộc cách mạng của Einstein về không-thời gian qua các thuyết tương đối, người ta nhận thấy rằng hóa ra rất nhiều tính chất của Vũ trụ lại có bản chất hình học, cụ thể, lực hấp dẫn của Newton và hệ quả của nó là các lỗ đen - bầy quỉ đói đang lang thang khắp Vũ trụ, đều ít nhiều là hệ quả của hình dạng Vũ trụ. Quay trở lại với ví dụ về mặt hồ phẳng lặng với xoáy nước, nếu bạn hình dung mặt hồ là một Vũ trụ 2 chiều và những con nhện nước nhỏ xíu là những cư dân trong cái Vũ trụ giả định ấy, thì vì nhện nước cũng là một sinh vật 2 chiều nên đôi mắt của chúng chỉ bao quát được những gì thuộc về mặt hồ mà không có khả năng nhìn lên hay ngó xuống, nói cách khác, chúng không thể cảm nhận được những áng mây đang trôi lơ lửng trên đầu hay những con cá đủ loại đang tung tăng dưới nước. Ngay cả khi mặt hồ gợn sóng bởi những cơn gió nhẹ thì chúng cũng không thể cảm nhận được, mỗi đợt sóng lướt qua con nhện, nâng chúng lên rồi hạ chúng xuống nhưng vì trong các giác quan của chúng không tồn tại chiều thứ 3 (lên hay xuống là thuộc về chiều thứ 3), thế nên những cơn sóng đó chúng cũng không thể cảm nhận được. Chính bởi thế, nếu chúng bị hút và một lỗ xoáy thì chỉ đến khi cơ thể nhỏ bé đó bị tổn thương bởi lực hút, sự vò nén của các luồng nước, chúng mới biết mình đã rơi vào miệng của "quái vật".

Về tính chất topo thì 3 hình trên, cái ca, chiếc phao và hình xuyến xoắn là như nhau

Điều hoàn toàn tương tự với chúng ta, mặc dù chúng ta đang sống trong không-thời gian nhiều chiều theo các lý thuyết hiện đại, nhưng các giác quan lại chỉ cảm nhận được 3 chiều không gian và một chiều thời gian tách biệt, bởi bản thân con người là những thực thể 3 chiều. Chính vì vậy, khi bị rơi vào một lỗ đen mà không có bất cứ thiết bị nào, thì chúng ta hoàn toàn không thể phát hiện ra được cho đến khi cảm nhận được lực kéo khủng khiếp dưới chân. Hơn thế nữa, tương tự như những con nhện nước 2 chiều không thể cảm nhận được mặt hồ đang gợn sóng, con người không thể cảm nhận được những "dao động" của không-thời gian, tận sâu trong tiềm thức, hình ảnh về một Vũ trụ bao la và tĩnh lặng đã mách bảo chúng ta về một sự tuyệt đối và đồng nhất của Vũ trụ. Suy nghĩ này được hình thành và hun đúc bởi các giác quan nhưng đã bị Einstein lật đổ bằng một trong những phát hiện đẹp nhất của khoa học - thuyết tương đối, thế mới thấy, ngũ quan là không đủ để mô tả Vũ trụ, Nhân sinh.

Vũ trụ của chúng ta là một thế giới vô cùng sinh động, luôn uốn lượn và gợn sóng, giống như mỗi bước chân của con nhện nhỏ xíu kia làm lay động mặt hồ tạo ra những vòng tròn đồng tâm lan tỏa, thì mỗi cử động của chúng ta, mỗi lúc chúng ta ngước nhìn hay bước đi, cũng làm cho vùng không-thời gian xung quanh rung động. Toàn thể Vũ trụ là một sân khấu kỳ vĩ, nơi thiên nhiên và con người không phân biệt địa vị hay đẳng cấp, tôn giáo hay quyền lực, tất cả đều là những nghệ sĩ cần mẫn, ở đó chúng ta cùng tấu lên một trường ca bất tận và nhộn nhịp, một bản giao hưởng vĩ đại - bản giao hưởng Vũ trụ.

Bản chất của lỗ đen theo quan điểm của hình học

Nếu xoáy nước là một "lỗ đen" trên mặt hồ thì lỗ đen trong Vũ trụ cũng có những đặc điểm tương tự, một vùng không-thời gian bị co lại và "nhồi nhét" trong một thể tích nhỏ xíu. Sự cong của không-thời gian quanh một lỗ đen khiến trường hấp dẫn ở gần nó bị tác động và trở nên mạnh khủng khiếp, chiếc thuyền giấy bị hút bởi xoáy nước vì nó cứ bám lấy mặt hồ và cũng giống như những con nhện nước, nếu mặt hồ dao động thì thuyền giấy cũng sẽ dao động lên xuống theo từng ngọn sóng. Chính vì "bám" theo mặt nước nên khi mặt nước gần tâm xoáy bị uốn cong thì nó cũng sẽ "lao" xuống theo, người ta nghĩ nó bị hút xuống nhưng thực chất không có lực hút nào do lỗ xoáy sinh ra cả, tất cả là do hấp dẫn và sự cong của mặt hồ gần tâm xoáy. Vậy, theo quan điểm của các nhà hình học, thì lỗ đen trong Vũ trụ chỉ là một điểm kỳ dị (thuật ngữ toán học, giống như số 0 ở mẫu là một điểm kỳ dị nếu chúng ta đang xét tới các phân số).

Mô phỏng "cầu nối Einstein-Rosen" trong Vũ trụ

Vũ trụ được phơi bày trước mắt các nhà topo học như một khối cao su đặc sệt luôn co giãn và vận động, trong đó có một vài điểm đặc biệt như các "nút thắt" hay các "ống thông" và bản thân chúng cũng đang biến động không ngừng. Trong sự sinh động của cái vũ điệu cuồng nhiệt đó, lỗ đen thể hiện mình như kết quả của một sự phá bĩnh (hãy tưởng tượng bạn nhốt những con dế trũi vào một cái túi cao su mỏng, một quả bóng bay chẳng hạn, những con dế này luôn tìm cách thoát ra ngoài và một vài con trong chúng đang cố gắng đẩy hết sức mình vào thành túi khiến cái túi cao su bị kéo giãn ra ngoài, cái màng cao su bị kéo căng đến mức có thể rách khiến cuộc đào thoát trở nên mĩ mãn, tuy vậy nỗ lực này của những con dế khiến cái túi cao su và vùng không gian bao quanh chúng bị biến dạng). Lỗ đen theo quan điểm của các nhà topo học cũng vậy, như một nỗ lực vô hình nào đó, nó cũng đang muốn "chọc thủng" không-thời gian, luận điểm này khiến những nhận xét về lỗ đen trở nên hết sức hấp dẫn và đầy tò mò, một lỗ đen "chọc thủng" Vũ trụ để đi đến đâu? Phải chăng đó chính là cái "cầu không-thời gian" mà Einstein và Rosen đã từng đề cập hay những "lỗ sâu đục" mà Hawking thường ví von?

Lỗ trắng, vũ trụ song song

"Ứng dụng" đầu tiên của các "lỗ thông" không-thời gian này là những bộ phim của Hollywood, các đạo diễn ở kinh đô điện ảnh dường như rất quan tâm tới Vật lý và luôn là người tiên phong trong việc đưa những phát kiến đó ra phục vụ công chúng, theo cách nào đi nữa thì công việc của những đạo diễn này là rất tuyệt vời, đôi khi lại khá chính xác.

Trở lại với "hình học trên màng cao su", bạn có một tờ giấy (đại diện cho không gian 2 chiều - mặt phẳng), bạn chấm lên đó hai điểm khác nhau A và B và yêu cầu bạn của bạn tìm ra đường ngắn nhất đi từ A tới B, tôi cá 100 ăn 1 rằng bạn của bạn sẽ nói đó là đoạn AB. Trong trường hợp thông thường thì có vẻ tôi đã kiếm bộn nhưng trong thế giới của topo học thì chắc chắn tôi sẽ sạt nghiệp, bằng cách nào ư? Hãy làm như mèo ú Đôremon trong "bước nhảy alpha", bạn cầm tờ giấy lên và uốn cong nó cho đến khi hai điểm A và B chạm vào nhau, thật tuyệt vời, bạn đã có thể "di chuyển" từ A đến B mà không cần phải nhấc một bước chân. Hãy giữ mạch tưởng tượng đó, chúng ta không cần phải uốn tờ giấy đến mức A chạm B mà chỉ cần để chúng thật gần nhau, nếu bây giờ cái tờ giấy đó là một tấm màng cao su và tại điểm A bạn đặt một viên bi nhỏ, sức nặng của viên bi làm cong tấm màng cao su khiến nó trũng xuống, nếu viên bi đủ năng khiến nó chạm vào điểm B thì cái Vũ trụ "cao su" đó đã có một sự đột biến, một con kiến bò quanh điểm A, vì độ cong của màng do viên bi, mà nó rơi tõm xuống và chạm được tới điểm B, con kiến đã tới điểm B chỉ bằng cách thả mình lăn xuống cái hố nhỏ đó.

Khối lượng của một vật thể làm cong không-thời gian quanh nó

Trong Vũ trụ của chúng ta thì sao? nếu một sự kiện tương tự như trên xảy ra thì điểm B nào đó mà lỗ đen A đã nỗ lực liên thông chính là một trong những bí ẩn lớn khác của Vật lý hiện đại mà đến giờ phút này, nó vẫn còn nằm trong những cái "kén" lý thuyết dày đặc - Lỗ trắng (cũng có tài liệu gọi là lỗ sáng). Để hình dung về một lỗ trắng các bạn hãy tưởng tượng ra một lỗ đen, ghi nhận những hình ảnh khi nó hút vật chất cùng ánh sáng vào cái miệng quái gở của nó, sau đó phát lại cuộn băng tưởng tượng của bạn theo chiều ngược lại chúng ta sẽ có một lỗ trắng.

Mô phỏng về một lỗ trắng (whitehole)

Nếu cặp Lỗ đen - lỗ trắng là tượng trưng cho những "cây cầu không-thời gian" Einstein-Rosen hay những "lỗ sâu đục" của Hawking, tức nó chỉ thông giữa các vùng không-thời gian khác nhau trong Vũ trụ (các bạn lưu ý, khái niệm không-thời gian là bao hàm cả thời gian, vì thế ở một nghĩa nào đó, những lỗ thông cũng được xem là những cỗ máy thời gian), thì ở một kịch bản khác, nó lại được xem là những cây cầu bắc qua những Vũ trụ song song, ý tưởng này trước đây rất phổ biến, tuy nhiên, từ khi cơ học lượng tử cùng lý thuyết dây hứa hẹn tìm ra giải đáp cho bản chất của các lỗ đen thì hướng nghiên cứu đã chuyển hẳn sang những lý thuyết mới mẻ nhưng đầy tiềm năng này. Tuy vậy, một kịch bản về các Vũ trụ song song dường như vẫn lẫn khuất ở đâu đó, khi sự tổng quát hóa của lý thuyết dây - lý thuyết M lại mơ hồ phản ánh sự hỗn tạp trong cấu trúc mà ở đó một "nhà trẻ" các "Vũ trụ sơ sinh" đang dần được định hình.

Lời kết

Được manh nha từ năm 1783 bởi ý tưởng của nhà khoa học người Anh John Michell và chính thức được nghiên cứu tập trung từ những năm 1915 trở đi khi Karl Schwarzschild nỗ lực tìm lời giải cho phương trình trường của Albert Einstein trong thuyết tương đối rộng, nhưng đến tận ngày nay, bản chất của lỗ đen vẫn còn là bí ẩn. Liên tiếp có những cuộc tranh luận nổ ra quanh việc giải thích sự hình thành và cấu trúc của một lỗ đen cũng như vật chất sẽ thế nào khi bị hút vào một lỗ đen, đáng kể nhất đó là cuộc tranh luận giữa Hawking và Susskind xung quanh công trình cách mạng của Hawking về các lỗ đen "bốc hơi". Cuộc tranh luận kéo dài hơn 30 năm và một phần của chiến thắng đã nghiêng về Susskind khi ông đã cứu vớt Vật lý ra khỏi sự suy tàn mãi mãi trong miệng những con quái vật Vũ trụ. Tuy vậy, ý tưởng chính trong công trình của Hawking vẫn nguyên giá trị, rằng các lỗ đen có entropy, chúng không ngừng bốc hơi và liên tục phát ra những bức xạ mà người ta đã lấy tên của Hawking để đặt cho các bức xạ này. Theo một cách diễn đạt khác dễ hiểu hơn thì, các lỗ đen cũng được sinh ra, lớn lên, rồi chết đi. Chính công trình của Hawking đã xua tan những hoài nghi về một con "quái vật tý hon" - một lỗ đen mini có thể được sinh ra trong lòng biên giới Pháp và Thụy Sĩ khi cỗ máy gia tốc hạt lớn nhất thế giới LHC đi vào hoạt động, bởi nếu có một lỗ đen như thế được tạo ra thì nó cũng sẽ nhanh chóng bốc hơi trong vài phần tỷ của giây, nỗi ám ảnh về một sự hủy diệt đối với Trái Đất thân yêu chỉ còn trong tâm thức của những người ưa mộng mị. Cuối cùng, câu nói "Vật lý cung cấp đối tượng, toán học cung cấp phương pháp" được minh chứng rõ nét qua câu chuyện về lỗ đen khi mà topo học đang vẽ một bức tranh đầy trực quan thì lý thuyết dây - con đẻ giữa toán học và Vật lý, lại đang tiệm cận đến việc "tri tâm" một trong những bí ẩn lớn nhất của Vũ trụ này. Tương lai của Vật lý và Toán học càng khó phân biệt, một giải thưởng Fields đã được trao cho một nhà Vật lý chính thống vào năm 1990 - Edward Witten, giờ đây, chính Witten lại là người chấp bút cho những giải thích nghiêm túc về mối liên hệ giữa chương trình Langlands - một lĩnh vực toán học thuần túy với lý thuyết lượng tử trong Vật lý để rồi, với tư cách là người Việt, chúng ta có quyền tự hào khi công trình của giáo sư Ngô Bảo Châu sẽ nằm trong cơ sở của các sách giáo khoa về Vật lý trong nay mai.

P/S: Bạn nào muốn tìm hiểu sâu hơn về Lỗ đen cũng như công trình của Hawking có thể tham khảo bài viết mới nhất của giáo sư Đàm Thanh Sơn trên blog của anh ở đây.