Khi khoa học gặp gỡ truyện viễn tưởng
Kiến thức hiện nay của chúng ta về những lỗ đen dường như cho thấy chúng không bao giờ có thể sử dụng trong thực tế để làm cửa sổ hay cầu nối sang những vũ trụ khác, hoặc đến những phần khác thuộc vũ trụ của chúng ta, cho dù chúng ta có thể đi vào một lỗ đen đi chăng nữa. Chúng vẫn là đề tài màu mỡ cho các nhà văn viết tiểu thuyết viễn tưởng, những người không hề nản chí bởi sự phản đối của các nhà vật lí hay thậm chí bởi bằng chứng thực nghiệm. Tuy nhiên, không phải nhà tiểu thuyết viễn tưởng nào cũng tẩy chay những kết quả mới nhất và những dự đoán của các nhà vật lí. Nhiều tác giả truyện khoa học viễn tưởng là những nhà khoa học chuyên nghiệp và sẽ thổi vào câu chuyện của họ rằng ít ra thì họ không chế giễu ra mặt trước các định luật vật lí. Đây là trường hợp xảy ra vào năm 1985 khi nhà thiên văn vật lí danh tiếng, tác giả và là người dẫn chương trình truyền hình Carl Sagan viết quyển tiểu thuyết Contact. Trong câu chuyện đó, đã được dựng thành phim, loài người tiến hành giao tiếp với một nền văn minh tiên tiến ngoài địa cầu sử dụng một đường hầm xuyên qua siêu không gian (một lỗ sâu đục2) liên kết hai phần xa xăm của Ngân hà qua những vị anh hùng trong câu chuyện đó. Sagan biết rõ khả năng của cầu nối Einstein-Rosen hay điểm kì dị Kerr đối với mục đích này, nhưng ông muốn câu chuyện của mình càng thực tế càng tốt và có cơ sở khoa học. Nói chung, mặc dù toàn bộ ý tưởng viễn tưởng là chúng ta có thể nghĩ ra những thứ muốn có khi câu chuyện diễn tiến, nhưng là một nhà khoa học đã qua đào tạo, Sagan xác định rằng ông chỉ đưa vào câu chuyện những cái ít nhất được thuyết tương đối tổng quát xem là có thể.
Vì thế, Sagan đã gửi bản nháp sơ bộ của bản thảo cho một người bạn của ông, Kip Thorne trong Nhóm Thiên văn Vật lí Lí thuyết ở Viện Công nghệ California. Thorne là một trong những chuyên gia hàng đầu thế giới về thuyết tương đối tổng quát và Sagan hi vọng ít nhất ông có thể đi tới một đề xuất hoặc hai người dựa trên những kết quả khoa học mới nhất nhằm tăng thêm sự tin cậy cho câu chuyện. Nhưng cả hai ông đều không sẵn sàng cho cái xảy ra sau đó. Yêu cầu của Sagan đánh thức lòng hiếu kì của Thorne và, với sự hỗ trợ của nghiên cứu sinh của ông, Michael Morris, Thorne quyết định xử lí vấn đề từ một góc nhìn căn bản. Để hiểu phương pháp của ông, tôi sẽ lí giải các phương trình Einstein của thuyết tương đối tổng quát đại khái trông như thế nào. Ở một vế của các phương trình là thông tin về khối lượng và năng lượng còn vế kia của các phương trình mô tả sự cong của không thời gian trong sự có mặt của khối lượng và năng lượng này – đủ để nói rằng các phương trình này phức tạp hơn và phong phú hơn phương trình thuyết tương đối đặc biệt của ông, E = mc2. Thường thì các nhà vật lí sẽ bắt đầu bằng cách định nghĩa khối lượng và năng lượng của một vùng nhất định của không thời gian, ví dụ như một ngôi sao, rồi sau đó giải các phương trình Einstein để tính xem không gian xung quanh bị ảnh hưởng như thế nào và nó có những tính chất gì. Thorne bắt đầu nghĩ về những lỗ sâu đục có được phép trên lí thuyết hay không, nhưng ông không đi theo phương pháp truyền thống. Nói chung, ông nhận thức rõ những vấn đề quấy rầy những nghiệm thông thường cho các lỗ đen, ví dụ như chân trời sự kiện, lực thủy triều, những kì dị không bền, những đường hầm khép lại trước khi bạn đi qua và vân vân. Thay vậy, ông bắt đầu với một danh sách mong muốn. Ông biết rằng với mục đích câu chuyện của Sagan thì lỗ sâu đục sẽ phải bền, mở liên tục, không có chân trời sự kiện ở hai bên để cho phép sự du hành hai chiều, không có điểm kì dị nào và không có bất kì lực thủy triều khó chịu nào sẽ giết chết mọi nhà du hành trước khi họ có thể đi vào. Sau đó, cùng với những đồng nghiệp tại Caltech, ông bắt tay vào thiết kế (trên cơ sở toán học) hình dạng mà không thời gian phải có để thỏa mãn tất cả những yêu cầu của ông. Trước sự bất ngờ của ông, ông tìm thấy điều này thật sự là có thể.
2Lưu ý rằng cho đến đây tôi vẫn tránh sử dụng thuật ngữ “lỗ sâu đục” để mô tả một liên kết giữa hai lỗ đen, cho dù có đang quay hay không. Thay vậy, tôi vẫn bám lấy tên gọi cầu nối Einstein-Rosen hoặc điểm kì dị Kerr. Sở dĩ tôi làm vậy là vì một nguyên do sẽ sớm rõ ràng ở phần sau.
Thorne nhận ra ông có thể thiết kế đúng loại lỗ sâu đục mà Sagan đang tìm kiếm. Hóa ra trên lí thuyết có thể có một liên kết giữa hai phần của Vũ trụ mà, trên giản đồ, trông giống hệt như lỗ sâu đục lượng tử của Wheeler hồi ba mươi năm trước đó. Nhưng lần này các đường hầm sẽ đủ lớn cho con người đi xuyên qua trong một phi thuyền vũ trụ mà không cảm thấy sự bất tiện nào. Chẳng hạn, một nhà du hành có thể đi vào một miệng của lỗ sâu đục ở gần Trái đất và trong một thời gian ngắn anh ta hoặc cô ta sẽ hiện ra từ đầu bên kia thuộc phía bên kia của Thiên hà. Sau đó, nhà du hành có thể quay về qua lỗ sâu đục đó và tường thuật lại mọi chuyện. Bởi vậy nên “liên kết” này được đặt tên là “lỗ sâu đục đi qua được” để phân biệt nó với những lỗ sâu đục không đi qua được kiểu như cầu nối Einstein-Rosen. Từ nay về sau, khi tôi nhắc tới những cấu trúc như thế, tôi sẽ chỉ gọi chúng đơn giản là lỗ sâu đục, ý muốn nói loại có thể đi qua được.
Một lỗ sâu đục như vậy được thể hiện trên hình 8.1, trong đó không gian được miêu tả là một tấm hai chiều. Hai lối vào lỗ sâu đục được gọi là miệng của nó, còn cái cổ (hay eo thắt) ở giữa chúng được xem là cổ họng của lỗ sâu đục. Một khái niệm khó nắm bắt là, trong khi khoảng cách xuyên không gian bình thường giữa hai cái miệng của lỗ sâu đục có thể là dài tùy ý (ví dụ như một nghìn năm ánh sáng), chiều dài của bản thân lỗ sâu đục có thể ngắn tùy ý (vài km hoặc thậm chí vài mét). Điều này không hiện rõ từ hình 8.1 trong đó trông có vẻ như đường đi qua lỗ sâu đục thật sự dài hơn đường đi thẳng. tuy nhiên, bạn phải nhớ rằng lỗ sâu đục thật ra là một liên kết giữa hai vùng trong không thời gian cong bốn chiều mà chúng ta không thể hình dung ra.
Hình 8.1 Một lỗ sâu đục nối hai vùng của một không gian 2D
Một điều quan trọng cũng nên nhận thức cho đúng là lỗ sâu đục của Thorne không tạo ra từ những lỗ đen, nó cũng chẳng có chân trời sự kiện. Cho nên có lẽ chúng ta không thể trông đợi tìm thấy một lỗ sâu đục nằm đâu đó trong Vũ trụ này. Nếu thế thì chúng ta sẽ bắt tay vào việc tự xây dựng một lỗ sâu đục như thế nào? Trước tiên, và trước khi bạn quá hứng khởi, việc xây dựng một lỗ sâu đục có thể đi qua không phải là công việc dành cho công nghệ thế kỉ hai mươi hoặc thậm chí thế kỉ hai mươi mốt. Thật ra, nó có thể không bao giờ là có thể hết. Nhưng chương này đang nói về sự suy đoán, nên hãy cho phép tôi suy đoán một chút. Một cách tạo ra một lỗ sâu đục sẽ là mở rộng một lỗ sâu đục lượng tử. Xuống đến thang bậc chiều dài rất rất nhỏ, nhỏ hơn nguyên tử hàng nghìn tỉ lần, là cái gọi là thang đo Planck trong đó khái niệm chiều dài mất hết ý nghĩa của nó và các nguyên tắc bất định lượng tử. Ở thang bậc này, tất cả các định luật vật lí đều bị phá vỡ và thậm chí không gian và thời gian cũng trở thành những khái niệm mờ ảo. Bất kì và mọi sự biến dạng có thể nhận thức được của không thời gian sẽ thoắt ẩn thoắt hiện trong một điệu vũ ngẫu nhiên và hỗn loạn diễn ra mọi lúc mọi nơi trong Vũ trụ. Các thuật ngữ như “thăng giáng lượng tử” và “bọt lượng tử” được sử dụng để mô tả sự hoạt động hỗn loạn này là rất hợp tình hợp cảnh. Đây là nơi những lỗ sâu đục nhỏ xíu của Wheeler sẽ tồn tại chớp nhoáng trước khi biến mất, và người ta nói không thời gian được “liên kết bội” như trong hình 8.2. Thủ thuật là bằng cách nào đó bắt lấy một trong những lỗ sâu đục lượng tử này và bơm nó lên gấp nhiều lần kích cỡ ban đầu của nó trước khi nó có cơ hội biến mất trở lại.
Hình 8.2 Các thăng giáng lượng tử. Ở thang bậc nhỏ nhất có thể tưởng tượng ra, không thời gian không còn trơn nhẵn nữa. Nhiều hình dạng khác nhau sẽ sôi lên và biến mất trở lại.
Chúng ta vẫn chưa hiểu trên thực tế có thể làm việc này như thế nào. Nhưng có lẽ có một gợi ý theo xu hướng đúng từ cách thức Vũ trụ phát triển trong phần nhỏ đầu tiên của một giây sau Big Bang. Nhắc lại từ Chương 3 rằng đa số các nhà vũ trụ học ngày nay tin rằng Vũ trụ của chúng ta đã trải qua một giai đoạn ngắn giãn nở rất nhanh gọi là “lạm phát”. Người ta nghĩ rằng đây là cơ chế làm cho những thăng giáng lượng tử nhỏ xíu bùng phát kịch tính trở thành những dị thường quy mô lớn, hay những “gợn sóng” trong không gian. Rồi những dị thường này mang lại sự biến thiên mật độ vật chất cần thiết để tạo ra các thiên hà. Nếu mô hình lạm phát là đúng thì không gian chứa toàn bộ Thiên hà của chúng ta, với hàng nghìn tỉ ngôi sao của nó, trong đó có Mặt trời, đã từng là một thăng giáng lượng tử nhỏ hơn nhiều so với một nguyên tử. Nếu chúng ta hiểu cơ chế gây ra sự lạm phát thì chúng ta có thể khai thác nó để làm lạm phát lỗ sâu đục của riêng chúng ta từ thang bậc Planck lên thang bậc thiên văn học.
Tuy nhiên, rõ ràng rằng sự lạm phát chỉ hoạt động sau Big Bang, nó phải chống lại lực hút hấp dẫn hướng vào bằng cách cung cấp một áp suất hướng ra (hay lực phản hấp dẫn) làm cho không gian căng ra và Vũ trụ giãn nở. Quan điểm này nghe quen thuộc đấy. Đó là hằng số vũ trụ học của Einstein mà lúc đầu ông đề xuất để làm cân bằng Vũ trụ chống lại sự co lại, và nó đã nhận được sự quan tâm rồi hờ hững của các nhà vũ trụ học kể từ đó. Nếu chúng ta có thể áp dụng “áp suất âm” như thế cho một vùng không gian nhỏ xíu và gây ra sự lạm phát mini điều khiển được của không gian của chúng ta thì chúng ta có thể tạo ra một lỗ sâu đục, trong số những “thứ” khác nữa. Tất nhiên điều này có nghĩa là những lỗ sâu đục như thế có lẽ đã được tạo ra tự nhiên trong Vũ trụ. Dẫu vậy, rất không có khả năng, mặc dù không hẳn là không thể, một số lỗ sâu đục vẫn còn đâu đó ngày nay vì chúng sẽ co lại rất nhanh.
Tất nhiên, nếu những lỗ sâu đục xuất hiện tự nhiên thật sự tồn tại thì ngoài sự khó khăn của việc thật sự tìm thấy một lỗ sâu đục (hoặc ít ra một trong hai cái miệng của nó), chúng ta sẽ không điều khiển được nó có thể dẫn ta đi đến đâu. Chúng ta sẽ phải thử qua mới biết. Cách khác là đi tìm một lỗ sâu đục đã có sẵn, hoặc là một lỗ sâu đục nhỏ xíu mà chúng ta phải bơm căng lên hoặc là một lỗ sâu đục còn sót lại từ thời Big Bang, và rồi tự thao tác trên không thời gian. Ngay cả theo những chuẩn ngụy biện của tranh luận này, rất không có khả năng điều này là có thể. Tất nhiên, các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực “vật lí học lỗ sâu đục” hiện nay không quan tâm làm thế nào tạo ra những lỗ sâu đục vì lĩnh vực nghiên cứu này vẫn còn trong giai đoạn trứng nước của nó và họ quan tâm hơn đến những tính chất của chúng. Các bài báo khoa học về đề tài này thường bắt đầu với những cụm từ như: “Chúng ta xét một lỗ sâu đục có thể đi qua nối hai vùng phẳng tiệm cận của không thời gian...”, về cơ bản ý muốn nói “Xét một lỗ sâu đục...”. Rồi họ tiếp tục triển khai qua những phương trình phức tạp của thuyết tương đối tổng quát. Do bản chất suy đoán và mang tính lí thuyết cao độ của vật lí học lỗ sâu đục, nên những bài báo như thế thường nói về hai vùng “cắt và xuyên” qua nhau của không thời gian là một cách tạo ra lỗ sâu đục. Cách này gợi lên việc sử dụng kéo cắt và băng dán trên một không thời gian xem như một tờ giấy 2D. Ngay cả những nhà vật lí lí thuyết viết những bài báo này cũng có loại hình ảnh đơn giản như vậy trong đầu.
Đối với Kip Thorne, hiện nay ông chẳng còn quan tâm đến những lỗ sâu đục như hồi cuối thập niên 1980 khi những bài báo của ông đã khởi xướng lĩnh vực nghiên cứu mới trên. Kể từ đó, và trong suốt thập niên 1990, nhiều bài báo nghiêm túc và mang tính kĩ thuật cao đã xuất hiện trên những tạp chí khoa học hàng đầu xử lí những lỗ sâu đục thuộc mọi hình dạng và kích cỡ, và sự quan tâm đến đề tài trên cho thấy không có dấu hiệu ngừng lại. Ngày nay, có thể nói rằng chuyên gia nổi tiếng nhất về lỗ sâu đục là Matt Visser tại trường Đại học Washington ở St Louis, người đã viết quyển giáo trình đầu tiên về đề tài trên.
Visser đã biên soạn một phân loại tổng thể của lỗ sâu đục. Ông chứng minh rằng lỗ sâu đục có nhiều ngành và nhiều loài khác nhau. Ngành được quan tâm ở đây được gọi là lỗ sâu đục Lorentz (dựa trên cách không thời gian bị cuộn lại gây ra lỗ sâu đục). Rồi lỗ sâu đục Lorentz được chia làm hai loài: vĩnh cửu và tạm thời – ta thường quan tâm đến lỗ sâu đục vĩnh cửu. Mỗi một loài này gồm hai loài con tùy thuộc vào nó là lỗ sâu đục nối hai vũ trụ khác nhau (gọi là lỗ sâu đục liên vũ trụ), hay nối hai vùng, có khả năng ở xa nhau, của cùng một vũ trụ (lỗ sâu đục nội vũ trụ). Rồi mỗi loài con này được chia thành dạng vĩ mô và dạng vi mô. “Vĩ mô” có xu hướng muốn nói là “đi qua được”, còn “vi mô” làm ý là lỗ sâu đục lượng tử thuộc loại đầu tiên mà Wheeler nghiên cứu. Tất nhiên, nói chung, lỗ sâu đục lượng tử của Wheeler là thuộc loại tạm thời vì chúng thoắt ẩn thoắt hiện theo các quy luật của cơ học lượng tử. Nhưng, theo sự bất định cơ lượng tử, có lẽ những lỗ sâu đục thuộc loại vĩnh cửu (cái tôi muốn nói là có sự cong không thời gian thích hợp cho phép chúng tồn tại lâu hơn nhiều so với bình thường) thỉnh thoảng có thể được tạo ra.
Lỗ đen, lỗ sâu đục và cỗ máy thời gian
Jim Al-Khalili
Bản dịch của Thuvienvatly.com
Phần tiếp theo >>
