Vũ trụ đã tiến một chặng đường dài trong 13,8 tỉ năm; nhưng bất chấp kiến thức không ngừng được mở rộng của chúng ta về vũ trụ, vẫn còn một số đầu dây mối nhợ chưa được buộc chặt. Trước hết, có một sự tréo ngoe thường được trích dẫn giữa thuyết tương đối rộng, vật lí học của cái rất lớn, và cơ học lượng tử, vật lí học của cái rất nhỏ. Rồi đến số phận mơ hồ của thông tin nội tại của một hạt sau khi nó rơi vào trong một lỗ đen. Nay, một lí giải mới của vật lí học cơ bản cố gắng giải quyết cả hai nan đề này bằng cách đưa ra một khẳng định liều lĩnh: ở những cấp độ nhất định, không gian và thời gian đơn giản là không tồn tại.
Ta hãy bắt đầu với cái gì đó không bị nghi vấn. Nhờ thuyết tương đối hẹp Einstein, tất cả chúng ta có thể đồng ý rằng tốc độ ánh sáng là không đổi đối với mọi nhà quan sát. Ta cũng có thể đồng ý rằng, nếu bạn không phải là một hạt photon, thì việc đạt tới tốc độ ánh sáng đến cùng với một số quy tắc đẹp tân thời – đó là, bất kì ai đang quan sát bạn sẽ thấy chiều dài của bạn co lại và đồng hồ của bạn chạy chậm lại.
Ảnh minh họa một siêu lỗ đen. Ảnh: ESO/M. Kornmesser
Nhưng sự chậm lại của thời gian cũng xảy ra ở gần những vật thể có lực hấp dẫn lớn, nó được mô tả bởi thuyết tương đối rộng. Cho nên nếu bạn được nhìn thấy ở gần tâm của Ngân hà và bạn đưa ra quyết định rất đáng nể là tiến thật gần đến chân trời sự kiện của siêu lỗ đen của chúng ta (nói nôm na thì đó là điểm-không-thể-quay-đầu của nó), thì bất kì ai quan sát bạn cũng sẽ thấy đồng hồ của bạn chạy chậm lại. Thật vậy, anh ta hoặc cô ta sẽ chứng kiến chuyển động của bạn về phía chân trời sự kiện chậm đến mức kịch tính trong một khoảng thời gian vô hạn; nghĩa là, từ góc nhìn của người bạn đó, bạn thật sự không hề băng qua chân trời sự kiện. Tuy nhiên, bạn sẽ không cảm thấy bất kì khác biệt nào về sự trôi qua của thời gian khi bạn rơi qua hàng rào vô hình này, và bạn sẽ sớm bị kéo dẹt thành mì sợi bởi lực hấp dẫn cực khủng của lỗ đen.
Vậy thì ai “đúng”? Thuyết tương đối thừa nhận rằng hệ quy chiếu của mỗi nhà quan sát là có giá trị ngang nhau; nhưng trong tình huống này, bạn không thể ba phải được. Vậy rốt cuộc bạn có thiệt mạng tại tâm của lỗ đen hay là không? (Lưu ý: Đây không hẳn là một nghịch lí, mà hiểu theo trực giác, nó có chút nhập nhằng.)
Và còn một vấn đề lớn hơn nữa. Người ta cho rằng chân trời sự kiện của lỗ đen phát ra bức xạ Hawking, một loại năng lượng thoát cuối cùng sẽ đưa đến sự bốc hơi của lỗ đen và sự hủy diệt của toàn bộ vật chất và năng lượng đã từng chứa bên trong nó. Quan niệm này khiến các nhà vật lí học lỗ đen vò đầu bứt tai. Bởi vì theo các định luật vật lí, toàn bộ thông tin nội tại về một hạt hoặc một hệ (tức là hàm sóng) phải được bảo toàn. Nó không thể cứ thế mà biến mất.
Tại sao lại có những nghịch lí kì lạ này? Bởi vì lỗ đen tồn tại trong không gian âm u trong đó một kì dị thỏa mãn thuyết tương đối rộng – mảnh đất màu mỡ, nhưng chưa được khai phá cho lí thuyết của tất cả vốn hay lảng tránh các nhà khoa học.
Giờ đến lượt hai khái niệm hấp dẫn, nhưng gây tranh cãi: thuyết tương đối hẹp kép và cầu vồng hấp dẫn.
Giống hệt như tốc độ ánh sáng là một hằng số thống nhất chung trong thuyết tương đối hẹp, trong thuyết tương đối hẹp kép (DSR – Doubly Special Relativity) năng lượng Planck là không đổi. Trong DSR, giá trị này (1,22 x 1019 GeV) là năng lượng tối đa (và do đó, khối lượng tối đa) mà một hạt có thể có trong vũ trụ của chúng ta.
Hai hệ quả quan trọng của giá trị năng lượng tối đa của DSR là các đơn vị tối thiểu của thời gian và không gian. Tức là, cho dù bạn đang chuyển động hay đứng yên, trong không gian trống rỗng hay ở gần một lỗ đen, bạn sẽ đồng ý rằng không gian cổ điển phá vỡ ở những khoảng cách ngắn hơn chiều dài Planck (1,6 x 10-35 m) và thời gian cổ điển phá vỡ ở những thời khắc phù du hơn thời gian Planck (5,4 x 10-44 s).
Nói cách khác, không-thời gian là rời rạc. Nó tồn tại thành những đơn vị không thể phân chia (mặc dù hết sức nhỏ). Dưới đó là lượng tử, trên đó là cổ điển. Thêm thuyết tương đối rộng vào bức tranh đó, bạn thu được lí thuyết cầu vồng hấp dẫn.
Các nhà vật lí Ahmed Farag Ali, Mir Faizal, và Barun Majumder tin rằng những lí thuyết này có thể dùng để giải thích các nan đề lỗ đen đã nói ở trên – cả chuyện bạn bị ép thành mì sợi lẫn nghịch lí thông tin. Làm thế nào ư? Theo DSR và lí thuyết cầu vồng hấp dẫn, trong những vùng nhỏ hơn 1,6 x 10-35 m và ở những thời khắc ngắn hơn 5,4 x 10-44 s... vũ trụ mà chúng ta biết đơn giản là không tồn tại.
“Theo lí thuyết cầu vồng hấp dẫn, không gian không tồn tại dưới một độ dài tối thiểu nhất định, và thời gian không tồn tại dưới một khoảng thời gian cực tiểu nhất định,” Ali giải thích, ông và Faizal và Majumder là tác giả một bài báo về đề tài này vừa công bố hồi tháng trước. “Vì thế, tất cả các vật tồn tại trong không gian và xảy ra tại một thời điểm không tồn tại dưới độ dài và khoảng thời gian đó [nó gắn liền với cấp độ Planck].”
May thay cho chúng ta, mỗi hạt mà chúng ta biết, và do đó mỗi hạt cấu tạo nên chúng ta, lớn hơn nhiều so với độ dài Planck và tồn tại lâu hơn nhiều so với thời gian Planck. Cho nên, bạn và tôi và vạn vật mà chúng ta nhìn thấy và biết đến có thể tồn tại. (Chỉ là đừng nhìn quá sâu.)
Tiến sĩ Stephen Hawking cùng hình minh họa một lỗ đen và một chân trời sự kiện với sự phát bức xạ Hawking. Ảnh: BBC, Illus.: T.Reyes
Tuy nhiên, chân trời sự kiện của lỗ đen là một câu chuyện khác. Xét cho cùng, chân trời sự kiện không được làm bởi các hạt. Nó là không-thời gian thuần túy. Và theo Ali và các đồng sự của ông, nếu bạn có thể quan sát nó trên cấp độ thời gian hoặc cự li cực kì ngắn, thì nó sẽ mất hết ý nghĩa. Nó sẽ không còn là điểm-không-thể-quay-đầu gì nữa. Theo quan điểm của họ, nghịch lí chỉ phát sinh khi bạn xem không-thời gian là liên tục – không có các đơn vị tối thiểu của độ dài và thời gian.
“Vì nghịch lí thông tin phụ thuộc vào sự tồn tại của chân trời sự kiện, và chân trời sự kiện thì giống như mọi vật không thể tồn tại dưới một độ dài và khoảng thời gian nhất định, cho nên không có nghịch lí thông tin tuyệt đối trong lí thuyết cầu vồng hấp dẫn. Sự vắng bóng một chân trời hiệu dụng có nghĩa là chẳng có gì hoàn toàn ngăn cản thông tin rò rỉ ra khỏi lỗ đen,” Ali kết luận.
Không có chân trời sự kiện tuyệt đối, thì không có nghịch lí thông tin.
Còn chuyện bạn bị kéo dẹt thành mì sợi bên trong lỗ đen thì sao? Một lần nữa, nó phụ thuộc vào cấp độ mà bạn chọn để phân tích tình huống của mình. Theo lí thuyết cầu vồng hấp dẫn, không-thời gian là rời rạc; do đó, cơ sở toán học cho biết cả bạn (người xui xẻo rơi vào trong) và nhà quan sát của bạn sẽ chứng kiến sự kết liễu của bạn trong một khoảng thời gian hữu hạn. Nhưng theo dạng thức hiện nay của thuyết tương đối rộng, trong đó không-thời gian được mô tả là liên tục, thì nghịch lí phát sinh. Vâng, kẻ rơi vào trong thì cứ rơi vào; còn nhà quan sát thì không bao giờ nhìn thấy kẻ rơi vào đó băng qua chân trời sự kiện.
“Bài học quan trọng nhất từ bài báo này là không gian và thời gian chỉ tồn tại lúc vượt quá một cấp độ nào đó,” Ali nói. “Chẳng có không gian và thời gian dưới cấp độ đó. Thành ra sẽ là vô nghĩa nếu định nghĩa các hạt, vật chất, hay bất kì vật thể nào, kể cả các lỗ đen, tồn tại trong không gian và thời gian dưới cấp độ đó. Như vậy, miễn là chúng ta còn ràng buộc mình với những cấp độ mà tại đó không gian và thời gian tồn tại, thì ta thu được đáp số có ý nghĩa vật lí. Tuy nhiên, khi chúng ta cố nêu câu hỏi tại độ dài và những khoảng thời gian dưới cấp độ mà không gian và thời gian tồn tại, thì chúng ta đi tới các nghịch lí và vướng mắc.”
Nhắc lại: nếu không-thời gian liên tục ở những cấp độ nhỏ tùy ý, thì các nghịch lí vẫn còn đó. Tuy nhiên, nếu lí thuyết cầu vồng hấp dẫn là đúng và độ dài Planck và thời gian Planck là đơn vị nhỏ nhất của không gian và thời gian và tồn tại một cách căn bản, thì chúng ta đang ở ngoài sáng... ít nhất là nói trên phương diện toán học. Thật không may, các cấp độ Planck là quá sức nhỏ để các máy va chạm hạt hiện đại của chúng ta khảo sát. Cho nên, ít nhất là hiện tại, nghiên cứu này mang lại một kết quả lí thuyết thuần túy khác mà thôi.
Bài báo gốc được đăng trên số ra ngày 23/1/2015 của tạp chí Europhysics Letters. Bản thảo có tại arXiv.
Nguồn: Universe Today
