Máy va chạm lỗ đen
Tóm lại, lực hấp dẫn quá khác biệt với các anh em lực còn lại của nó nên người ta ngờ rằng nó được nuông chiều hoặc là kết quả của một công việc đùa vui nào đó của Quý bà Vũ trụ. Lực hấp dẫn yếu hơn nhiều so với các lực kia, nó chỉ hoạt động một chiều (hút, không đẩy), nó có vẻ không lắp khớp vào cấu trúc lí thuyết chung với những lực kia, và chúng ta chẳng biết vì sao như vậy. Đây là một số bí ẩn to lớn nhất trong vũ trụ. Chúng ta đang làm gì để giải đáp những nan đề này?
Một phương pháp tìm hiểu cách thế giới vận hành là kiểm tra nó bằng các thí nghiệm và rồi đi tới những ý tưởng khéo léo lí giải những cái chúng ta nhìn thấy. Về mặt lí tưởng, chúng ta sẽ muốn kiểm tra thuyết tương đối rộng (lực hấp dẫn cổ điển) và cơ học lượng tử đồng thời để xem lí thuyết nào đúng (nếu có) và lí thuyết nào sụp đổ. Ví dụ, việc quan sát hai khối lượng đang hoán đổi một graviton sẽ chứng minh thuyết phục rằng lực hấp dẫn là một hiện tượng lượng tử.
Điều đó sẽ thật tuyệt vời, song hãy nghĩ xem một thí nghiệm như thế sẽ khó khăn đến dường nào. Hãy nhớ rằng lực hấp dẫn thật sự yếu. Ngay cả lực hấp dẫn của toàn bộ Trái Đất cũng mới đủ để đấu lại với lực điện từ của một nam châm bé xíu. Giả sử bạn mang hai hạt lại với nhau, lực hấp dẫn giữa chúng sẽ gần như bằng không, và nó sẽ bị hất văng ra bởi những lực điện từ, lực yếu và lực mạnh vốn mạnh hơn.
Để quan sát các graviton, chúng ta cần khối lượng rất lớn. Chúng ta cần một tình huống thực nghiệm trong đó chúng ta cho va chạm giữa các vật thể có khối lượng cấp vũ trụ vô cùng lớn đã triệt tiêu hết những lực kia. Không, chúng ta không nghĩ tới việc cho va chạm một triệu kilo-gram đu đủ.46 Hãy phát huy trí tưởng tượng của bạn đến tối đa và cố hình dung trong đầu bạn một khái niệm lạ về máy va chạm lỗ đen.
Hai vật thể khối lượng tầm cỡ vũ trụ lao vào nhau – đó là cái bạn cần để khảo sát lực hấp dẫn ở cấp độ lượng tử. Rõ ràng, đây chẳng phải là thứ người ta có thể xây dựng hoặc điều hành (chi phí hợp lí ước tính sẽ khiến việc tạo ra Sao Chết trông còn rẻ hơn). Tuy nhiên, chúng ta gặp may vì vũ trụ là một nơi rất rộng lớn với đầy chất liệu vô cùng lạ kì. Nếu bạn nhìn ra xung quanh đủ lâu, bạn có thể tìm thấy hầu như mọi thứ bạn đang tìm, bao gồm cả các lỗ đen đang va chạm.
Những sự kiện này không xảy ra theo lịch trình và không thể lặp lại được, nhưng khá thường xuyên, các lỗ đen tiến đến gần nhau nên chúng nuốt chửng lấy nhau. Đây chính là cái các nhà khoa học đang tìm kiếm. Có những nơi trong vũ trụ tại đó các lỗ đen bị vướng vào một vòng xoắn ốc chết chóc và va chạm ấy có thể tạo ra các graviton bay vọt ra theo mọi hướng. Tất cả những gì chúng ta cần làm là chứng kiến chúng! Hóa ra không dễ ăn như thế. Ngay cả các graviton được tạo ra bởi một máy va chạm lỗ đen cũng rất khó phát hiện. Sự yếu ớt của lực hấp dẫn có nghĩa là cho dù một graviton có đi qua bạn, thì bạn khó cảm nhận thấy nó. Bạn còn nhớ các neutrino, những hạt như ma quỷ có thể đi xuyên qua hàng năm ánh sáng làm bằng chì? Các graviton khiến neutrino trông như mấy bà tám lắm điều thích tán chuyện với mọi người tại bữa tiệc. Thật vậy, một tính toán đề xuất rằng một detector kích cỡ bằng Mộc tinh sẽ nhìn thấy một graviton trong mỗi mười năm, cho dù nó được đặt gần một nguồn graviton cường độ mạnh.
Hãy cưỡi thuyết tương đối đến thăm lỗ đen
Nếu việc nhìn thấy một graviton cá lẻ là không thể, thì làm thế nào chúng ta biết được lực hấp dẫn có là một lí thuyết lượng tử hay không? Một cách làm khác là hãy tìm một tình huống vật lí trong đó hai lí thuyết bất đồng ở các dự đoán của chúng. Ví dụ, một kịch bản có phần kém thực tế là thăm dò bên trong của một lỗ đen.
Thuyết tương đối rộng bảo chúng ta rằng tại trung tâm của mỗi lỗ đen là một kì dị, một điểm tại đó vật chất đậm đặc đến mức lực hấp dẫn trở nên vô hạn. Đây sẽ là một trải nghiệm bẻ cong đầu óc (theo nghĩa đen) bởi vì không-thời gian sẽ bóp méo bạn vượt quá bất kì sự hiểu biết trực giác nào. Thuyết tương đối rộng không gặp trục trặc gì với sự tồn tại của một thứ như thế, song cơ học lượng tử thì bất đồng. Theo các nguyên lí cơ học lượng tử, ta không thể tách riêng bất cứ thứ gì ra đúng một điểm (kiểu như điểm kì dị) bởi vì sẽ luôn luôn có một độ bất định nào đó. Vì thế một trong hai lí thuyết phải sụp đổ ở tình huống này. Giả sử chúng ta biết cái gì thật sự đang xảy ra ở bên trong một lỗ đen, chúng ta sẽ có một số manh mối rất quan trọng về cách cơ học lượng tử và lực hấp dẫn chơi với nhau. Thật không may, viễn cảnh đến thăm một lỗ đen, không bỏ mạng vì nó, làm được các thí nghiệm, thoát ra khỏi trường hấp dẫn vô phương trốn thoát, và mang các kết quả thí nghiệm trở về Trái Đất là chuyện nản lòng thay vào lúc này.
Thế là quá nhiều rồi
Song, cho dù chúng ta không thể dùng chúng để khám phá các graviton, chúng ta vẫn có thể học được nhiều điều từ một xoắn ốc lỗ đen chết chóc bởi vì chúng có thể tạo ra sóng hấp dẫn.
Sóng hấp dẫn là những gợn lăn tăn trong không gian do các khối lượng đang gia tốc gây ra. Nó tương tự như cái xảy ra khi bạn đặt bàn tay mình vào bồn tắm đầy nước và khua tới khua lui. Bàn tay của bạn sẽ gửi những gợn sóng trong nước đến đầu kia bồn tắm. Điều tương tự xảy ra khi các vật thể khối lượng lớn chuyển động trong không gian. Vật chuyển động làm bẻ cong không gian, tạo ra một nhiễu loạn có thể truyền đi giống như sóng.
Điều tuyệt vời là khi một sóng hấp dẫn lan qua, mọi thứ trên đường đi của nó bị co giãn. Một vòng tròn sẽ thoáng chốc thành một elip, và một hình vuông sẽ trở thành tam giác. Nghe tuyệt vời, phải không nào? Trước khi bạn ngừng đọc để xem quyển sách này có thay hình đổi dạng hay không, có lẽ bạn muốn biết rằng sóng hấp dẫn làm biến dạng không gian chỉ khoảng một hệ số 10-20 thôi. Điều đó có nghĩa là nếu bạn có một cái thước dài 1020 mili-mét (mười năm ánh sáng), thì một sóng hấp dẫn lan qua sẽ làm nó co lại một mili-mét. Đó là một hiệu ứng khó đo được.
Song các nhà khoa học có thể thật tài tình và kiên nhẫn. Họ đã xây dựng một thí nghiệm gọi là LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory/Đài thiên văn Sóng hấp dẫn Giao thoa kế Laser). Nó có hai tầng hầm dài bốn kilo-mét vuông góc với nhau, và sử dụng laser để đo các biến thiên khoảng cách giữa hai đầu các tầng hầm. Khi một sóng hấp dẫn đi qua, nó kéo giãn không gian theo chiều này và nén không gian theo chiều kia. Bằng cách đo sự giao thoa của các laser khi chúng phản xạ giữa các đầu hầm, các nhà vật lí có thể đo rất chính xác không gian ở giữa có bị co hoặc giãn hay không.
Vào năm 2016, sau 620 triệu đôla chi ra và hàng thập kỉ quan sát, các nhà khoa học đã phát hiện con sóng hấp dẫn đầu tiên của họ. Kết quả này xác nhận thật đẹp bức tranh của Einstein rằng lực hấp dẫn bẻ cong không gian. Thật không may, nó không đem lại cho chúng ta bất kì nhận thức mới nào về bức tranh lượng tử về cách lực hấp dẫn vận hành, bởi vì sóng hấp dẫn không giống với graviton. Điều đó giống như việc chứng minh rằng ánh sáng tồn tại, nhưng nó không được làm bằng các photon. Tuy vậy, đó là một khám phá “nặng kí” và nên được xem xét dưới “sức nặng” lớn (xin lỗi nhé).
Có lẽ lực hấp dẫn thật đặc biệt
Vậy đâu là một số lí giải cho các bí ẩn của lực hấp dẫn? Tại sao nó yếu như vậy và tại sao nó không lắp khớp vào khuôn mẫu và lí thuyết của những lực kia?
Có lẽ lực hấp dẫn thật đặc biệt. Chẳng có quy tắc nào ép lực hấp dẫn phải giống với những lực kia hay phải có một lí thuyết nào đó chế ngự chúng. Chúng ta nên luôn nhớ trong đầu rằng chúng ta vẫn đang ở trong tối của một viễn cảnh rộng lớn hơn trước những sự thật cơ bản về vũ trụ. Trong nhiều trường hợp, các giả định mà chúng ta thiết lập hóa ra là sai hoặc chỉ đúng dưới những điều kiện đặc biệt nhất định. Có lẽ lực hấp dẫn khác với bất cứ thứ gì mà chúng ta từng thấy trước đây. Hoặc là không. Hãy nhớ rằng mục tiêu của chúng ta là tìm hiểu vũ trụ, và chúng ta nên tránh đưa ra quá nhiều giả định xem vũ trụ trông như thế nào.
Nếu hóa ra lực hấp dẫn thật đặc biệt và nó khác với những lực cơ bản kia, thì đó cũng sẽ là manh mối cho một bức tranh to lớn hơn. Nó có thể nghĩa là lực hấp dẫn là thứ gì đó sâu sắc hơn và ăn sâu trong kết cấu của vũ trụ. Đôi khi chúng ta học được từ các ngoại lệ nhiều hơn từ các quy tắc. Và không có một lối tắt nào cho những ý tưởng thú vị giải thích được những bí ẩn này.
Một giải thích thổi bùng đầu óc cho sự yếu ớt của lực hấp dẫn là khái niệm về các chiều dư. Không phải các chiều thay thế kiểu như bạn thấy trong truyện tranh, mà có nhiều chiều không gian hơn bạn nghĩ bạn đang sống trong đó. Một số nhà vật lí đang đề xuất rằng lực hấp dẫn yếu bởi vì nó đã pha loãng vào các chiều dư này, tạo nên những vòng cuộn bé nhỏ mà chúng ta không thể nhìn thấy. Nếu bạn xét cả các chiều dư này, thì lực hấp dẫn đúng là mạnh như các lực khác. Chúng ta sẽ nói thêm về ý tưởng này ở chương 9.
Mặc dù chúng ta vừa nhắc tới một số khó khăn trong việc cố gắng hợp nhất cơ học lượng tử với thuyết tương đối rộng, và phát hiện graviton, nhưng điều đó không có nghĩa là các nhà vật lí đã từ bỏ ý tưởng tìm kiếm một lí thuyết thống nhất có thể lí giải mọi lực mà chúng ta biết. Chúng ta đang tiến gần như thế nào đến một phương trình đơn giản duy nhất dự đoán được mọi thứ? Ta sẽ bàn luận về chuyện đó ở chương 16.
Nghiên cứu lực hấp dẫn có ý nghĩa gì
Việc hiểu được các bí ẩn của lực hấp dẫn sẽ có tác động to lớn đối với nhận thức của chúng ta về thế giới xung quanh chúng ta. Hãy nhớ rằng lực hấp dẫn về cơ bản là lực duy nhất vận hành ở cấp vĩ mô, nghĩa là nó là một trong những động lực chính định đoạt hình dạng và số phận tối hậu của vũ trụ.
Thực tế lực hấp dẫn bẻ cong và làm biến dạng không gian và thời gian có thể đưa đến một số khả năng rất hào hứng. Ngay lúc này, rất có thể chúng ta sẽ không bao giờ đến thăm một hệ sao khác ở gần hệ sao quê nhà của chúng ta. Quãng đường đi đúng là quá xa xôi. Thế nhưng nếu chúng ta có thể hiểu được các bí ẩn của lực hấp dẫn, nó có thể đưa chúng ta đến chỗ hiểu rõ hơn về cách không gian có thể bị bẻ cong và kiểm soát, hoặc cách tạo ra hoặc kiểm soát các lỗ sâu đục. Nếu điều đó xảy ra, thì những giấc mơ điên rồ nhất của chúng ta về việc du hành xuyên vũ trụ bằng cách gấp nếp không-thời gian có thể trở thành thực tiễn. Và lực hấp dẫn có thể giữ chìa khóa cho điều đó.
Ai nói lực hấp dẫn luôn giữ chân chúng ta trên mặt đất chứ?
Trích từ We Have No Idea (Jorge Cham & Daniel Whiteson)
