Einstein đấu với cơ lượng tử tại chiến trường tâm lỗ đen

Tại trung tâm của mỗi lỗ đen là một cái lỗ còn lớn hơn nữa: lỗ trống nơi hai cột trụ của vật lí hiện đại nên gặp nhau.

Thế kỉ 20 là thế kỉ nhộn nhịp với những lí thuyết giải thích vũ trụ hoạt động như thế nào.

Với không thời gian cong và sự giãn nở thời gian do hấp dẫn, lí thuyết tương đối rộng của Einstein nghe có phần quái dị - hay ít nhất là đáng để đưa đi bệnh viện khám. Nhưng nó đặc biệt thành công ở việc tiên đoán và mô tả hành trạng của vạn vật ở cấp độ hết sức lớn (như các hành tinh và sao) hoặc siêu nhanh (gần bằng tốc độ ánh sáng).

Tại đầu vi mô bên kia, cơ học lượng tử nổi trội hẳn lên ở việc tiên đoán và giải thích hành trạng của những cái nhỏ từ cỡ một nguyên tử trở xuống – tất cả các lực, năng lượng và vật chất thống trị thế giới dưới nguyên tử. Giống như thuyết tương đối, cơ học lượng tử chưa hề đưa ra một tiên đoán nào bị chứng minh là sai. Có một vài thứ vẫn chưa được tìm thấy (ví dụ như boson Higgs), nhưng chưa có nội dung nào bị chứng minh là sai.

Nếu bạn nghĩ hai lí thuyết thành công rực rỡ này chung sống hòa bình với nhau, thì bạn hãy vứt ý nghĩ đó đi. Nhưng chẳng gì có thể tiến xa hơn sự thật cả.

Các hạt tạo nên thế giới lượng tử trông nhòe đi. (Ảnh: CERN LHC Alice Detector)

Các hạt tạo nên thế giới lượng tử trông nhòe đi. (Ảnh: CERN LHC Alice Detector)

Có một kẽ hở trong nền vật lí của chúng ta…

Không có gì bất ngờ khi mà chẳng có nhiều nơi cho lí thuyết của cái rất lớn và lí thuyết của cái rất nhỏ gặp nhau, nhưng các lỗ đen là một trong những nơi đó.

Lỗ đen là cái xảy ra khi những ngôi sao cỡ khủng (ít nhất gấp 25 lần khối lượng Mặt trời) hoàn toàn cạn kiệt nhiên liệu. Các ngôi sao tỏa sáng nhờ sự nhiệt hạch, chi phối bởi sự kết hợp của lực hấp dẫn và hydrogen. Trong khi chúng đang cháy (tức là các hạt nhân hydrogen kết hợp thành những nguyên tử khác làm giải phóng những lượng năng lượng khổng lồ), áp suất hướng ra ngoài từ phía phản ứng nhiệt hạt nhân cân bằng với lực hút hướng vào của lực hấp dẫn của ngôi sao.

Khi nhiên liệu cho sự nhiệt hạch vừa cạn kiệt, áp lực đẩy ra ngoài thắng thế và lực hấp dẫn không còn kháng cự nổi nữa. Sau pha kềnh đỏ siêu khổng lồ, sau đó là vụ nổ sao siêu mới và co lại thành một sao neutron, những ngôi sao thuộc cỡ này không kháng nổi lực hấp dẫn cực lớn của chúng. Khi ngôi sao chết càng nhỏ hơn và đặc hơn, lực hấp dẫn của nó càng lớn hơn, nén nó lại càng nhiều hơn. Lúc kết thúc bạn có một vùng có lực hấp dẫn mạnh đến mức không có cái gì băng qua ranh giới đi vào trong nó có thể thoát ra ngoài nữa. Thậm chí cả ánh sáng.

Các lỗ đen đã được thuyết tương đối rộng tiên đoán. Và thuyết tương đối rộng còn nói rằng tại tâm của mỗi lỗ đen là một điểm đặc vô hạn với thể tích bằng không – một điểm kì dị. Và đó là nơi hai lí thuyết không còn ăn nhập với nhau nữa.

Quan niệm một điểm không chiều mật độ vô hạn khiến đa số chúng ta khó nghĩ, nhưng cái bất ngờ nhất với các kì dị là chúng bôi nhọ danh tiếng của các nhà vật lí lượng tử. Đó không phải vì họ không nắm bắt được khái niệm trên – trong đầu họ còn nghĩ ra những khái niệm lạ lẫm hơn thế nhiều khi nghiên cứu các hiện tượng lượng tử. Mà đó là vì các quy tắc cơ học lượng tử ở cấp độ của cái rất nhỏ, và một trong những định luật cơ bản của nó là không có cái gì có thể nhỏ vô hạn. Cho dù là trái tim của một lỗ đen đi chăng nữa.

Tại sao lại có giới hạn cỡ lượng tử?

Bạn có thể nghĩ tới những cái nhỏ đến mức không tưởng tượng nổi là một điểm hay một chấm, nhưng khi bạn tiến đến cấp độ của những hạt nhỏ bé nhất đã biết – như electron và photon – không có cái gì giống như các chấm cả. Các hạt cấu tạo nên thế giới lượng tử lu mờ hơn nhiều, vì khi bạn tiến đến cái nhỏ xíu đó, thì “sóng nội” bên trong của bạn vào cuộc.

Thuyết lượng tử cho chúng ta biết rằng mỗi một chút vật chất và năng lượng trong vũ trụ có một chút lưỡng cách. Mọi thứ truyền đi giống như sóng (có tần số và bước sóng), và mọi thứ tương tác giống như hạt. Nó được gọi là lưỡng tính sóng hạt, và nó không chỉ hạn chế với thế giới lượng tử nhỏ bé.

Con người, các hành tinh và các hạt dưới nguyên tử đều có bản chất sóng khi truyền đi, chỉ có điều bước sóng của những cái trong thế giới hàng ngày của chúng ta quá nhỏ nên chúng ta chưa bao giờ để ý đến chúng. Một quả cricket sút qua sân oval trông giống như đang truyền đi theo một đường cong trơn nhưng cơ học lượng tử cho chúng ta biết rằng nó đang dao động trên suốt hành trình đó. Chẳng có gì bất ngờ là những dao động đó chưa từng được phát hiện – bước sóng của quả cricket chỉ bằng mười phần triệu tỉ tỉ tỉ (10^-34) của một mét! Bước sóng đó nằm ngoài tầm với của mọi thiết bị phân giải cao nhất hiện nay.

Trong khi lưỡng tính sóng hạt không biểu hiện ở cấp độ của chúng ta, nhưng khi mọi thứ đủ nhỏ - như các hạt dưới nguyên tử - thì bước sóng của chúng nên được xét tới. Điều này có nghĩa là các hạt dưới nguyên tử không hề đơn giản là một cái chấm, mà chúng luôn là một cái đốm lờ mờ. Và như thế có nghĩa là vật chất đậm đặc vô hạn trong một điểm kì dị tại tâm của một lỗ đen không thể nào tồn tại – khi vật chất nhỏ như thế bước sóng của nó bắt đầu biểu hiện, và kết quả là một vết nhòa không thể xem là không có chiều.

Điểm kì dị nhỏ vô hạn đó không phải là chướng ngại duy nhất ngăn trở mối lương duyên thuyết tương đối/thuyết lượng tử. Hễ khi nào bạn cố gắng áp dụng các phương trình của thuyết tương đối rộng cho cấp độ lượng tử là bạn sẽ nhận được câu trả lời “máy vi tính nói đáp số là vô hạn”.

Và cơ học lượng tử không giải thích tốt vũ trụ vĩ mô. Nó có thể giải thích cả ba lực có ảnh hưởng ở cấp độ lượng tử - lực điện từ, lực hạt nhân mạnh và lực hạt nhân yếu – nhưng nó không thể giải thích lực hấp dẫn. Cho nên, hiện nay chúng ta vẫn phân vân trước cả hai lí thuyết, và vẫn cứ đờ người ra mỗi khi chạm tới điểm kì dị.

Một lối thoát?

Có một lí thuyết có thể xử lí cả các lực lượng tử lẫn lực hấp dẫn, và thật sự vứt bỏ hẳn vấn đề một điểm không chiều quái quỷ đó. Lí thuyết dây nói rằng mọi thứ - toàn bộ vật chất, năng lượng và các hạt mang bốn lực trên – có cấu tạo từ những cái vòng năng lượng đang dao động nhỏ xíu, gọi là các dây. Những mode dao động khác nhau biến dây này là electron, và dây kia là photon. Cho nên không có những điểm không chiều, mà chỉ có những dây nhỏ xíu một chiều (Nhỏ xíu là nhỏ hơn một electron một trăm triệu tỉ lần!)

Tuy nhiên, toàn bộ sự thống nhất đó phải trả giá – lí thuyết dây cần khoảng 11 chiều để hoạt động, thay vì bốn chiều không gian và thời gian quen thuộc của chúng ta. Và nó cũng bao hàm sự đối xứng, nên mỗi hạt cần có một đối “siêu hạt” (sparticle) giống hệt nó nhưng có spin hơi khác một chút. Trong thế giới dây đó, electron có một selectron tương ứng, một quark có một squark đối xứng, và bạn sẽ có một s-hình ảnh.

Cơ sở toán học hoạt động đẹp đẽ, đó là cái may mắn bởi vì không có một tí bằng chứng nào hoặc cho những chiều còn thiếu đó hoặc cho các đối hạt siêu đối xứng. Nhưng có thể nói, cơ hội tìm thấy bằng chứng bằng xương bằng thịt cho lí thuyết dây là hết sức nhỏ. Loại máy gia tốc bạn cần thậm chí chỉ để phát hiện bằng chứng gián tiếp của các chiều còn thiếu hay các siêu hạt là cái chúng ta không thể chế tạo nổi – và chẳng có đủ tiền mà xây dựng. Hi vọng tốt nhất của chúng ta là quan sát và học hỏi từ một thí nghiệm lớn không thể điều khiển được đã chạy suốt chừng 13,5 tỉ năm qua cho đến ngày nay. Và hãy cứ tiếp tục bám lấy những lí thuyết mà chúng ta biết là thật sự hoạt động hiệu quả - cho dù là chúng không khớp với nhau.