Lỗ đen, lỗ sâu đục và cỗ máy thời gian (Phần 36)

Lỗ đen không đen lắm

Hai mươi lăm năm trước, Stephen Hawking đã phát hiện rằng các lỗ đen rốt cuộc không hoàn toàn đen thui, khi nhìn từ bên ngoài. Ông nhận ra rằng một quá trình lượng tử gọi là sự tạo cặp có thể làm cho một lỗ đen rò rỉ năng lượng của nó rất chậm vào trong không gian. Khi xảy ra như vậy, nó sẽ từ từ co lại về kích cỡ cho đến khi cuối cùng thì nó phát nổ và chẳng còn lại gì cả. Vì thế sẽ không đúng nếu nói cái rơi vào trong lỗ đen không bao giờ xuất hiện trở lại. Rốt cuộc, nó sẽ phát xạ dưới dạng những hạt nhỏ xíu trong một chu kì, trên thực tế, có thể xem là vô hạn!

Quá trình này gọi là bức xạ Hawking và cần giải thích một chút ở đây.

Trong thế giới hạ nguyên tử, hai hạt, thí dụ như electron và hạt phản vật chất của nó⁹ (gọi là positron) có thể tự phát xuất hiện từ cái hoàn toàn hư vô. Cơ học lượng tử nói rằng điều này được phép miễn là hai hạt kết hợp trở lại rất nhanh trong một quá trình gọi là hủy cặp, để trả lại năng lượng chúng phải có cần thiết để sinh ra lúc đầu. Tôi biết như thế này sẽ khiến bạn khó hiểu. Thật vậy, điều đó không dễ hiểu, nhưng cái kì lạ có thể và thật sự xảy ra trong thế giới của cơ học lượng tử. Bạn có thể hỏi vậy thì năng lượng cần thiết để tạo ra các hạt lúc đầu từ đâu mà có. Câu trả lời là năng lượng đó có thể “vay mượn từ hư vô” và phải hoàn trả lại “hư vô” rất nhanh vì tự nhiên không thích bị thiếu nợ lâu. Hawking nhận ra rằng khi một cặp hạt được tạo ra rất gần chân trời sự kiện của một lỗ đen thì hoặc là hạt, hoặc là phản hạt của nó có thể rơi vào trong lỗ đen trong khi hạt kia có thể thoát ra ngoài. Vì nó không còn có thể hủy với người anh em của nó nữa, nên nó được phép, giống như Pinocchino, trở thành một electron hay positron sống thật sự. Năng lượng mà nó có và không phải hoàn trả lại có nguồn gốc từ chính lỗ đen đó.

Sự bức xạ Hawking phải diễn ra suốt mọi thời gian ngay bên ngoài chân trời sự kiện của lỗ đen, nhưng chỉ trong một số lượng rất nhỏ trường hợp thì mới có một hạt trong các hạt thoát ra ngoài. Trong phần lớn thời gian cả hai hạt sẽ rơi vào trong lỗ đen. Nguyên do một trong hai hạt có thể thoát ra ngoài mãi mãi là vì lực thủy triều: hạt nằm gần lỗ đen hơn một chút bị nó hút hấp dẫn mạnh hơn nhiều.

Đối với những lỗ đen cỡ bình thường, quá trình này hoàn toàn có thể bỏ qua vì số hạt bị nuốt vào từ không gian xung quanh nhiều gấp bội số hạt bị mất do sự bức xạ Hawking. Hiệu ứng chỉ trở nên đủ đáng kể để mà quan tâm khi một lỗ đen đã co xuống tới kích cỡ vi mô (sau một thời gian dài hơn tuổi của Vũ trụ) khi vùng bên ngoài chân trời sự kiện của nó nóng lên và bức xạ phát ra rất mạnh. Sự co lại này của lỗ đen là do nó tuân theo phương trình nổi tiếng của Einstein E = mc² phát biểu rằng khối lượng (m) và năng lượng (E) là có thể hoán đổi và dạng này có thể biến đổi thành dạng kia. Quá trình này xảy ra ở đây hai lần. Thứ nhất, hạt thoát ra đã được phú cho khối lượng (chất đã cho) biến đổi từ năng lượng thuần túy trích xuất từ lỗ đen. Rồi bản thân lỗ đen bị mất năng lượng này do sự sinh một hạt phải tạo ra năng lượng đó bằng cách lấy một phần khối lượng nhỏ của riêng nó. Nhìn từ xa bên ngoài, chúng ta nói rằng lỗ đen đã đẻ ra một hạt. Chân trời sự kiện của nó có vẻ nóng lên vì nó bức xạ ra những hạt này. Nhưng chỉ xung quanh những lỗ đen rất nhỏ thì quá trình này mới không thể bỏ qua.

Người ta từng đề xuất rằng những lỗ đen mini như vậy thật sự có thể tồn tại. Chúng được tạo ra ngay sau Big Bang và một số có thể vẫn còn ở đâu đó ngày nay. Lấy ví dụ, nếu đỉnh Everest có thể bị nén xuống đến kích cỡ của một nguyên tử thì nó sẽ biến thành một lỗ đen mini như vậy. Khi đó nó sẽ giải phóng bức xạ Hawking với tốc độ rất cao. Cho dẫu vậy, nó sẽ không hoàn toàn bay hơi trong hàng tỉ năm trời. Giờ thì chính điều đó xảy ra với Vũ trụ đã 15 tỉ năm tuổi, nên mọi lỗ đen mini đã sinh ra thời Vũ trụ sơ khai với khối lượng ban đầu bằng với ngọn Everest thì lúc này nó hoàn toàn vừa mới bay hơi hết. Vì chúng phát bức xạ với tốc độ tăng dần khi chúng co lại, nên chúng sẽ kết thúc trong một vụ nổ khủng khiếp cuối cùng của bức xạ năng lượng cao. Cho dù tin hay không, các nhà thiên văn hiện đang tìm kiếm những vụ nổ bức xạ mách bảo như thế.

Có lẽ năng lượng của các lỗ đen cũng có thể trích xuất nhân tạo. Trong trường hợp này nên bòn rút năng lượng quay. Nhà vật lí, toán học người Anh, và là cộng sự lâu năm của Hawking, Roger Penrose, đã đề xuất, trước khi có quan niệm bay hơi của Hawking, rằng nếu một vật đi vào ergosphere của một lỗ đen đang quay tròn và rồi tách thành hai phần với một phần rơi vào trong lỗ đen, thì phần còn lại có thể bị ném ra ngoài với năng lượng cao hơn năng lượng ban đầu mà nó có. Năng lượng mà nó có phát sinh từ lỗ đen và sẽ làm chậm chuyển động quay của lỗ đen đi một chút.

Có lẽ một nền văn minh tiến bộ có thể đi qua lỗ đen có thể khai thác phương pháp này để biến nó thành một nguồn năng lượng.

Lỗ trắng

Có những nghiệm nhất định của các phương trình của thuyết tương đối tổng quát cho phép sự tồn tại không chỉ của những lỗ đen mà còn có những vật thể gọi là lỗ trắng. Nhưng hóa ra điều này chỉ có thể xảy ra nếu như Vũ trụ có những tính chất nhất định, gọi là những điều kiện ban đầu, tại thời điểm Big Bang. Những vật thể gây tranh luận cao này là cái đối nghịch của lỗ đen, thay vì nuốt vật chất vào trong, chúng sẽ phun vật chất và năng lượng ra Vũ trụ. Điểm kì dị của chúng cũng sẽ khác và sẽ đánh dấu sự bắt đầu chứ không phải kết thúc của thời gian. Tuy vậy, không giống như những lỗ đen, chưa có bằng chứng thuyết phục nào rằng những lỗ trắng thật sự tồn tại. Một trong những trở ngại là vật chất rời chúng có thể rơi vào trở lại và lỗ trắng sẽ nhanh chóng biến thành lỗ đen.

Ngày nay, người ta tin rằng những lỗ trắng lớn không tồn tại không Vũ trụ, nhưng các quy tắc của cơ học lượng tử về các hạt và phản hạt đề xuất rằng nếu những lỗ đen mini có tồn tại ở thang bậc hạ nguyên tử, thì cũng sẽ có những đối tác phản vật chất của chúng: những lỗ trắng mini. Hawking đã đề xuất rằng, giống hệt như những cặp hạt/phản hạt có thể thoắt cái xuất hiện trong tích tắc, cái tương tự có thể xảy ra với những cặp lỗ đen/lỗ trắng đột ngột xuất hiện từ hư vô. Nhưng bạn đừng lo, chúng sẽ quá nhỏ để có bất kì tác động nào đối với chúng ta.

⁹Một quan niệm sai phổ biến là các phản hạt có khối lượng âm và khối lượng âm này triệt tiêu với khối lượng dương của hạt. Điều này không đúng. Phản vật chất có cùng loại khối lượng, và bị ảnh hưởng bởi lực hấp dẫn giống như vật chất bình thường. Từ “phản” là ý muốn nói những hạt này có điện tích trái dấu (cộng với một vài khác biệt khác). Cho nên, vì electron tích điện âm, nên positron mang điện dương. Tuy nhiên, trên mọi phương diện chúng là y hệt nhau, trừ thực tế là Vũ trụ của chúng ta chứa chủ yếu electron).