Lỗ đen, lỗ sâu đục và cỗ máy thời gian (Phần 67)

Lỗ sâu đục – cánh cửa sao vẫn mở

Trong số mọi tính chất của lỗ sâu đục, cái người ta quan tâm nhất là vấn đề tính cân bằng của chúng. Bạn có thể thấy bất ngờ vì thậm chí chúng ta không chắc chắn làm thế nào tạo ra lỗ sâu đục nữa, và hiểu theo như thế thì bạn là đúng. Nhưng vật lí lỗ sâu đục nói về những cái có thể - chứ không phải những cái không thể. Ta có đủ lí lẽ để nói rằng lỗ sâu đục thuộc loại mà Thorne đề xuất đầu tiên có thể tồn tại trên lí thuyết. Làm thế nào chúng được tạo ra là vấn đề quan trọng thứ hai. Tuy nhiên, cái chưa rõ ràng là chẳng biết lỗ sâu đục đó có mở ra đủ lâu để cho người ta chuyển động ở một tốc độ dễ chịu (nhỏ hơn nhiều so với tốc độ ánh sáng) đi xuyên qua hay không.

Một trong những điều kiện mà Thorne muốn áp đặt trên lỗ sâu đục có thể đi xuyên qua của ông là nó không đóng nhanh giống như cầu nối Einstein-Rosen hay khép lại ngay khi chúng ta cố gắng đi vào giống như điểm kì dị Kerr. Tuy nhiên, ông phát hiện thấy đây chẳng phải là một vấn đề đơn giản. Cái cổ họng của lỗ sâu đục sẽ không chịu mở ra và cần rất nhiều sự hỗ trợ. Bạn có thể nghĩ đây là vấn đề tối thiểu của ông vì chúng ta có thể tượng làm cương lên một loại chất liệu nào đó bên trong lỗ sâu đục sẽ đủ mạnh để nó có thể kháng lại lực hấp dẫn rất mạnh đang cố khép nó lại. Hiển nhiên đây là cách nằm ngoài những khả năng công nghệ của chúng ta, nhưng không phải là không thể. Thật không may, hóa ra chẳng có chất liệu nào đã biết trong Vũ trụ có thể đáp ứng những yêu cầu của Thorne. Ông nhận ra rằng cách duy nhất để lỗ sâu đục của ông vẫn mở là nếu nó được dệt nên bởi một loại chất liệu rất kì lạ có khối lượng âm! Điều này có thể nghĩa là gì? Làm thế nào một cái gì đó có khối lượng nhỏ hơn cả zero? Về mặt kĩ thuật, người ta nói nó có năng lượng âm vì khối lượng và năng lượng là có thể hoán đổi, điều đó đúng là ngớ ngẩn. Theo ngôn ngữ khoa học thường gặp, Thorne đặt tên cho chất liệu này là “lạ”.

Một nhầm lẫn thường thấy ở nhiều người khi nghe nói tới chất liệu kì lạ này là cái gì đó tựa như phản vật chất. Khác xa lắm. So với chất liệu kì lạ trên, phản vật chất là một miếng bánh nướng thôi. Phản vật chất có khối lượng dương có thể cảm nhận được và có chút giống với vật chất bình thường ở chỗ nó ảnh hưởng đến không thời gian. Sự khác biệt giữa vật chất và phản vật chất là chúng có những thuộc tính trái ngược nhau, ví dụ như điện tích. Cho nên, giống hệt như một hạt hạ nguyên tử như electron mang điện âm, có tồn tại tương đương phản vật chất của nó, hạt positron, giống hệt với electron về mọi phương diện, trừ ở chỗ mang điện dương. Nếu mang một miếng vật chất đến với một miếng phản vật chất, chúng sẽ hủy lẫn nhau trong một sự giải phóng năng lượng thuần túy. Nhưng một miếng phản vật chất cô lập sẽ rơi về phía Trái đất tuân theo định luật hấp dẫn giống hệt như vật chất bình thường. Mặt khác, vật chất lạ, nếu được thả rơi thì chịu một lực phản hấp dẫn đẩy nó ra xa bề mặt Trái đất!

Vậy bạn phải đi tới đâu mới tậu đủ lượng vật chất lạ này để sử dụng cho lỗ sâu đục của mình? Vâng, chúng ta thật sự biết làm thế nào tạo ra một lượng rất nhỏ năng lượng âm. Không lớn lao gì, nhưng đó là sự khởi đầu. Nghiên cứu về những lỗ sâu đục có thể đi qua đã kích thích sự quan tâm đến một hiệu ứng khó hiểu nhưng hấp dẫn, và đã được chứng minh thực nghiệm, do nhà vật lí người Hà Lan Hendrik Casimir phát hiện ra vào năm 1948. Nó liên quan đến một tính chất của cái chúng ta xem là không gian hoàn toàn trống rỗng.

Nếu toàn bộ không khí được bơm hết ra khỏi bình chứa thì chúng ta nói chúng ta có chân không, nghĩa là không có vật chất ở bên trong và do đó, tôi hi vọng bạn sẽ đồng ý, có năng lượng bằng không. Nhưng xuống tới cấp bậc nguyên tử, ngay cả chân không trống rỗng cũng là một nơi nhộn nhịp. Ở đây, tôi khuyên bạn nên lật ngược và đọc lại phần mục của Chương 4 tựa đề “Lỗ đen không đen lắm”, phần tôi trình bày về bức xạ Hawking. Đó là phần tôi mô tả làm thế nào các hạt và đối hạt phản vật chất của chúng liên tục hiện hữu từ hư vô trước khi nhanh chóng biến mất mà không để lại vết tích gì. Casimir chỉ rõ làm thế nào khai thác quá trình này để trích xuất năng lượng từ chân không, dẫu cho nó chẳng có gì để mà cung cấp.

Như đa số chúng ta đều biết rành rọt, nếu chúng ta vay tiền của ngân hàng, ta phải trả nợ gốc thật sớm. Các quy tắc của cơ học lượng tử, khi biểu diễn theo nguyên lí bất định Heisenberg, hoạt động theo kiểu giống như vậy. Nhưng không giống như lãi suất ngân hàng, cái chúng ta được quyền tự do chọn kì hạn để trả lãi, nguyên lí bất định hơi khắt khe hơn một chút. Nó phát biểu rằng năng lượng có thể vay mượn từ chân không nhưng phải hoàn trả rất nhanh. Càng vay mượn nhiều năng lượng thì càng phải hoàn trả nhanh hơn. Giờ hãy xét cái diễn ra trong chân không nếu chúng ta có thể zoom xuống tới cấp độ hiển vi. Trong vô số hạt hạ nguyên tử đang hình thành từ năng lượng vay mượn này là các photon (các hạt ánh sáng). Ngoài ra, các photon thuộc mọi năng lượng đều được tạo ra, với những photon năng lượng cao hơn, tương ứng với ánh sáng bước sóng ngắn, có thể hiện hữu trong thời gian ngắn hơn so với những photon năng lượng thấp, bước sóng dài hơn. Như vậy, ở một thời điểm bất kì cho trước, chân không chứa nhiều photon này (và những hạt khác) và sẽ có năng lượng trung bình bằng không vì mỗi hạt chỉ tạm thời vay mượn năng lượng cần thiết để nó được tạo ra.

Casimir chỉ rõ làm thế nào chân không có thể cung cấp một lượng rất nhỏ năng lượng của nó một cách vĩnh cửu. Ta thu được như vậy bằng cách lấy hai tấm kim loại phẳng và đặt chúng gần sát nhau bên trong một chân không. Khi khoảng cách giữa hai tấm không bằng những số nguyên lần bước sóng, tương ứng với những photon thuộc một năng lượng nhất định, thì những photon đó sẽ không thể được tạo ra bên trong khe trống vì chúng sẽ không khớp. Đây là một khái niệm hơi khó hình dung, vì chúng ta phải xét đồng thời cả bản chất sóng của ánh sáng (bước sóng) và bản chất hạt của nó (photon). Tuy nhiên, số lượng photon tạo ra trong chân không giữa hai tấm thì nhỏ hơn số lượng photon sinh ra ở hai phía ngoài và do đó nó sẽ có năng lượng thấp hơn. Nhưng vì chân không bên ngoài khe có năng lượng bằng không nên vùng giữa hai tấm kim loại phải có năng lượng nhỏ hơn không (âm). Sự chênh lệch này làm cho hai tấm kim loại bị đẩy về phía nhau bởi một lực rất yếu nhưng có thể đo được trên thực nghiệm³. Thật không may, phần năng lượng âm có thể tạo ra theo cách này là hết sức nhỏ và không đủ gần cho một lỗ sâu đục mở ra. Nhưng đó mới là sự khởi đầu.

Tiếp tục với tinh thần chủ đạo của chương này, tôi không đề xuất rằng rồi một ngày nào đó quá trình Casimir sẽ dẫn tới đủ vật chất lạ để nối cổ họng của một lỗ sâu đục, mà chất liệu có năng lượng âm như vậy, trừ chỗ rất nhỏ và trích xuất từ không gian trống rỗng, là không bị bác bỏ bởi các định luật vật lí. Thật vậy, một số nhà vật lí từng đề xuất rằng phải có một cách vắt ép chân không và bơm năng lượng ra khỏi nó theo một kiểu có hệ thống hơn, nhưng rõ ràng chẳng có phương tiện nào như vậy cả. Để cho bạn một cảm giác về lượng vật chất lạ cần thiết, Matt Visser tính được rằng chúng ta sẽ cần lượng vật chất lạ tương đương với khối lượng Mộc tinh chỉ để giữ cho một lỗ sâu đục rộng một mét mở ra.

Một cách khác có được vật chất lạ là từ cái gọi là dây vũ trụ. Đây là chất liệu có thể còn sót lại từ thời Big Bang nhưng sự tồn tại của nó còn gây tranh cãi kịch liệt. Không nên nhầm lẫn với khái niệm dây của lí thuyết siêu dây mà tôi sẽ trình bày kĩ hơn trong chương cuối, mà nó ấn tượng hơn nhiều. Dây vũ trụ sẽ hoặc ở dạng một cái vòng hoặc sẽ vắt ngang qua Vũ trụ (và như thế có thể dài vô hạn nếu như Vũ trụ là lớn vô hạn). Cho dù trường hợp nào thì đây là sợi dây không có đầu cuối! Đường kính của nó nhỏ hơn nhiều so với bề rộng của một nguyên tử nhưng nó đậm đặc tới mức chỉ một đoạn mili mét của nó sẽ nặng một triệu tỉ tấn. Hi vọng sẽ là nếu Vũ trụ đã từng trải qua một thời kì lạm phát, bị chi phối bởi lực phản hấp dẫn do một hằng số vũ trụ học khác không, thì trạng thái của Vũ trụ tại thời kì đó có thể bị đóng băng bên trong dây vũ trụ. Vì thế, sợi dây đó sẽ chứa vật chất lạ, hay bất cứ cái gì gây ra lực phản hấp dẫn chi phối sự lạm phát trong thời kì đó. Nếu chúng ta có thể tìm thấy sợi dây như thế trong Vũ trụ thì đúng là nó có thể dệt nên lỗ sâu đục của chúng ta.

Đến thăm một vũ trụ song song

Cho đến đây, tôi chỉ mới trình bày về lỗ sâu đục nội vũ trụ sẽ kết nối hai điểm xa nhau trong vũ trụ của riêng chúng ta. Nhưng lỗ sâu đục lượng tử của Wheeler còn có thể nối chúng ta với một vũ trụ song song. Những vũ trụ này được Hawking gọi là vũ trụ sơ sinh vì chúng sẽ giống như những cái bọt sinh ra và lớn lên từ bọt lượng tử trong Vũ trụ của chúng ta và kết nối với vũ trụ của chúng ta qua một lỗ sâu đục giống như dây rốn của bào thai. Một vũ trụ sơ sinh như vậy tự nó có thể bắt đầu giãn nở bên trong siêu không gian cao nhiều hơn và, nếu kết nối lỗ sâu đục bị phá vỡ, mãi mãi phân cách với vũ trụ của chúng ta. Thật vậy, nếu điều này đúng thì vũ trụ của riêng chúng ta tự nó có thể hiện hữu từ bọt lượng tử của một vũ trụ có sớm hơn nữa.

Như vậy, theo kiểu giống như cách chúng ta bơm căng một lỗ sâu đục nội vũ trụ lên từ cấp độ lượng tử, ta cũng có thể nghĩ tới việc bơm căng một lỗ sâu đục liên vũ trụ kết nối chúng ta với một vũ trụ láng giềng. Nếu hóa ra chúng ta đang sống trong một vũ trụ đóng kín, thì người ta có thể tưởng tượng một tương lai xa xôi nào đó Vũ trụ đang co lại đến một Vụ Co Lớn. Nếu lúc ấy loài người vẫn còn tồn tại thì họ sẽ muốn có thể thoát khỏi kiếp nạn bị nén của điểm kì dị cuối cùng bằng cách nhảy qua một lỗ sâu đục đi sang một vũ trụ trẻ hơn có những tính chất giống như vũ trụ của chúng ta.

___

³Sự xác nhận thực nghiệm của hiệu ứng Casimir vẫn còn chút gây tranh cãi.