Lỗ đen, lỗ sâu đục và cỗ máy thời gian (Phần 64)

Cầu nối sang một thế giới khác

Khái niệm lỗ đen. Đặc biệt hơn, lỗ đen của ông có chứa một điểm kì dị tại tâm của nó; một điểm có mật độ vô hạn tại đó bản thân thời gian đi tới kết thúc. Tại điểm kì dị, tất cả những định luật vật lí đã biết đều bị phá vỡ. Điều này khiến Einstein đứng ngồi không yên. Ông không thích những cái lỗ như thế này trong không thời gian và ông không cảm thấy chúng được che chắn đủ trước thế giới bên ngoài bởi chân trời sự kiện của chúng. Đối với ông, đó chỉ đơn giản là một trường hợp “ngoài tầm nhìn, ngoài nhận thức”.

Năm 1935, Einstein cho công bố một bài báo cùng với người cộng sự Nathen Rosen, trong đó họ cố gắng chứng minh các điểm kì dị Schwarschild không tồn tại. Bằng cách sử dụng một thủ thuật toán học gọi là phép biến đổi tọa độ, họ có thể viết lại nghiệm toán học của Schwarschild để nó không chứa một điểm trong đó không gian và thời gian dừng lại. Tuy nhiên, lời giải thay thế mà họ nêu ra đúng là kì lạ. Họ chứng minh rằng điểm kì dị trở thành một cầu nối Vũ trụ của chúng ta với... một vũ trụ song song! Đây không phải là loại vũ trụ song song sẽ tách khỏi vũ trụ của chúng ta do hệ quả của cơ học lượng tử như tôi đã mô tả ở chương trước. Mối liên hệ này giữa hai vũ trụ được gọi là cầu nối Einstein-Rosen. Đối với Einstein, nó thuần túy là một bài tập lí thuyết về hình học trong đó hai không thời gian sẽ được nối với nhau. Ông không tin rằng một cầu nối như thế thật sự tồn tại, cũng y như việc ông không tin rằng các điểm kì dị thật sự tồn tại. Nó chỉ là một nét lạ của oán học của thuyết tương đối tổng quát.

Những cầu nối như thế giữa những thế giới khác nhau chẳng có gì là mới mẻ, kể cả khi ấy. Các nhà toán học thế kỉ thứ mười chín rất thành thạo về không gian cong và hình học cao chiều. Thật vậy, đúng nửa thế kỉ trước khi Einstein công bố công trình của ông về thuyết tương đối tổng quát, một nhà toán học người Anh tên là Charles Dodgson đã viết một quyển sách dành cho trẻ em nói về đề tài hình học cao chiều và những vũ trụ song song. Dưới bút danh Lewis Carrol, ông đã viết quyển Những cuộc phiêu lưu của Alice vào Xứ sở thần kì hồi năm 1865. Chúng ta đều đã quen thuộc với tình tiết khi Alice đuổi theo thỏ trắng xuống một cầu nối Einstein-Rosen dẫn sang một vũ trụ khác. Trong quyển sách, nó được gọi là cái hang thỏ, nhưng tôi tin rằng nó có ý nghĩa tương tự. Nguyên nhân những điều kì lạ như thế có thể xảy ra trong Xứ sở thần kì là vì các định luật vật lí trong vũ trụ đó là khác với chúng ta. Tất nhiên, Dodgson không nhận thức được loại cơ chế nào có thể gây ra một đường hầm như thế nối thế giới của chúng ta với một thế giới khác. Hãy nhớ rằng quyển sách này có trước thuyết tương đối, cơ học lượng tử và vũ trụ học hiện đại. Câu chuyện chủ yếu xây dựng trên những khái niệm hình học về cách thức không gian bị uốn cong và làm thế nào hai không gian có thể liên hệ với nhau trong một siêu không gian cao chiều nào đó. Cái Einstein nêu rõ hồi năm mươi năm sau đó là sự cong như thế của không gian xảy ra khi có sự tập trung đủ mạnh của khối lượng (hay năng lượng, vì nó tương đương với khối lượng). Lí thuyết hấp dẫn của ông (tức thuyết tương đối tổng quát) cung cấp cơ sở vật lí cho những đường hầm như thế dẫn sang những thế giới khác, mặc dù chúng rất không có khả năng tồn tại trong thực tế.

Trong một trong tác phẩm muộn sau này của Dodgson, Sylvie và Bruno, xuất bản năm 1890, chúng ta lại tìm thấy ông (và do đó những nhà toán học khác đương thời) còn nghĩ tới những con đường tắt bên trong cùng một vũ trụ. Trong câu chuyện đó, Fairyland và Outland ở xa nhau một nghìn dặm đường nhưng liên hệ với nhau bởi một “Con đường Hoàng gia” có thể đưa bạn từ nơi này đến nơi kia gần như tức thời. Ông còn mô tả sự du hành thời gian, sự thay đổi tốc độ đồng hồ và sự đảo ngược thời gian.

Trở lại thập niên 1930 và nguyên nhân chẳng ai hứng thú với cầu nối Einstein-Rosen là vì, không giống như cái hang thỏ trong Những cuộc phiêu lưu của Alice vào Xứ sở thần kì, nó chưa bao giờ được dùng làm một phương tiện thực tế để đi sang một vũ trụ khác. Một cách hình dung xem cầu nối Einstein-Rosen hình thành như thế nào là hãy tưởng tượng một điểm kì dị trong Vũ trụ của chúng ta tự gắn nó với một điểm kì dị trong vũ trụ song song kia. Vậy đây có phải là cái sẽ xảy ra nếu chúng ta rơi vào trong một lỗ đen? Hãy nghĩ những lỗ đen là cái gì đó giống như kiếp sau. Không ai thật sự biết được cái gì đang chờ họ khi họ chết đi và, giống như vậy, chúng ta không thể chắc chắn cái gì sẽ xảy ra với chúng ta khi chúng ta nhảy vào một lỗ đen cho đến khi chúng ta thật sự làm như thế. Ngay cả khi ấy, chúng ta cũng không thể nào gửi phản hồi thông tin về cho những người đang chờ ở bên ngoài chân trời sự kiện. Là một nhà khoa học, tôi thích suy nghĩ rằng chúng ta biết về những lỗ đen nhiều hơn một chút so với chuyện kiếp sau, vì ít ra thì các lỗ đen còn tuân theo các phương trình toán học!

Vậy đâu là chỗ sai khi xem cầu nối Einstein-Rosen là một phương tiện đi sang những thế giới khác? Vâng, trước tiên hãy bắt đầu với chân trời sự kiện. Một khi bạn nhảy vào một lỗ đen thì bạn không thể nào trở ra được nữa. Tất nhiên, để đi ra ở phía bên kia, cái lỗ đen mà bạn nhảy vào sẽ cần biến thành một lỗ trắng. Hãy nhớ rằng đây là cái ngược lại của lỗ đen, từ đó vật chất sẽ tuồn ra chứ không rơi vào. Do đó, những lỗ trắng phải được bao quanh bởi cái ngược lại của chân trời sự kiện, cái được gọi là phản chân trời, nó cho phép lưu thông đi ra một chiều và không bao giờ cho vào. Thật không may, phản chân trời là rất không bền và biến thành chân trời bình thường trong chừng vài giây sau khi hình thành. Cho nên, đã đi qua chân trời sự kiện của lỗ đen ban đầu, bạn sẽ nhận thấy có một chân trời sự kiện thứ hai chặn lối ra của bạn ở phía bên kia. Hãy tưởng tượng có một người tù nhân trong một xà lim khóa chặt phát hiện thấy một đường hầm dưới giường ngủ của anh ta. Nó đi lòng vòng vài mét dưới đất rồi dẫn ra một xà lim khóa chặt khác.

Vấn đề chính đối với cầu nối Einstein-Rosen là toàn bộ hệ thống rất không bền. Cầu nối đó sẽ chỉ tồn tại trong một phần nhỏ của một giây trước khi biến mất. Thật vậy, thời gian tồn tại của chiếc cầu quá ngắn nên kể cả ánh sáng cũng chẳng đủ nhanh để đi xuyên qua nó. Cho nên, nếu bạn từng nhảy vào một lỗ đen với hi vọng đi qua nó, bạn sẽ luôn luôn bị kẹt lại ở điểm kì dị, và việc có cơ thể bị nén xuống đến kích cỡ nhỏ hơn nhiều so với một nguyên tử là cái chẳng ai ham.

Đó là đã giả sử bạn không bị xé toạc ra bởi lực hấp dẫn thủy triều trước khi bạn đi tới điểm kì dị. Lỗ đen đó sẽ phải là một lỗ đen siêu khối thì bạn mới có thể sống sót đi qua chân trời sự kiện. Tóm lại, cầu nối Einstein-Rosen có thể không bao giờ trở thành một phương tiện để đến thăm một vũ trụ láng giềng, và do đó nó chỉ là một sự hiếu kì lí thuyết trong nhiều năm qua mà thôi.