Lời chào từ phía bên kia vũ trụ

Điều gì thật sự xảy ra tại tâm của một lỗ đen? Nhà vật lí Carlo Rovelli có một câu trả lời khả dĩ.

Đừng bao giờ tin vào các sách giáo trình, cho dù đó là những quyển được viết bởi những nhà khoa học vĩ đại. Trong quyển sách nổi tiếng năm 1972 của ông, Lực hấp dẫn và Vũ trụ học, nhà vật lí giành giải Nobel Steven Weinberg đã gọi sự tồn tại của các lỗ đen là “mang tính giả thuyết rất cao”, ông viết rằng “không có [lỗ đen] trong trường hấp dẫn của bất kì vật thể nào đã biết trong vũ trụ”. Ông đã phạm sai lầm chết người. Các nhà thiên văn vô tuyến đã dò thấy các tín hiệu từ vật chất đang rơi vào trong lỗ đen trong hàng thập niên mà không hề nhận ra. Ngày nay, chúng ta có rất nhiều bằng chứng cho thấy bầu trời có nhung nhúc các lỗ đen.

Nay câu chuyện có vẻ như đang tự lặp lại với các lỗ trắng, về cơ bản chúng là các lỗ đen lật ngược. Trong một quyển giáo trình nổi tiếng khác, nhà vật lí thuyết tương đối hàng đầu thế giới Bob Wald viết rằng “chẳng có lí do gì để tin rằng có vùng nào đó trong vũ trụ tương ứng với” một lỗ trắng – và đây vẫn là quan điểm át trội ngày nay. Thế nhưng một vài nhóm nghiên cứu trên khắp thế giới, bao gồm nhóm của tôi ở Verseille, mới đây đã bắt tay vào nghiên cứu khả năng theo cơ học lượng tử có thể mở ra một kênh cho các lỗ trắng này hình thành. Bầu trời có lẽ cũng nhung nhúc các lỗ trắng.

Lí do người ta nghi ngờ lỗ trắng tồn tại là vì chúng có thể giải được một bí ẩn còn bỏ ngõ: cái gì diễn ra tại tâm của một lỗ đen. Chúng ta nhìn thấy rất nhiều vật chất chuyển động xoắn ốc xung quanh lỗ đen và rồi rơi vào bên trong. Toàn bộ vật chất rơi vào này vượt qua bề mặt của lỗ đen, “đường chân trời” hay điểm bất quy hồi, rơi thẳng vào trung tâm, rồi sau đó thì sao? Chẳng ai biết cả.

Thuyết tương đối rộng Einstein, mô tả tốt nhất hiện nay của chúng ta về lực hấp dẫn, dự đoán rằng vật chất rơi vào trong sẽ tập trung lên một điểm ở giữa có mật độ vô hạn, gọi là điểm kì dị. Đây là loại kết thúc đối với thực tại, một điểm tại đó bản thân thời gian dừng lại và vạn vật biến mất vào hư không. Thế nhưng dự đoán này không đáng tin cậy, bởi vì tâm lỗ đen nằm ngoài địa hạt của lí thuyết vĩ đại của Einstein. Tại đây, lực hấp dẫn mạnh đến mức các hiệu ứng cơ học lượng tử không còn bỏ qua được nữa. Để hiểu điều gì xảy ra, chúng ta cần một lí thuyết lượng tử về lực hấp dẫn.

Thuyết lượng tử có thói quen giải quyết các vấn đề thuộc loại này. Vào đầu thế kỉ hai mươi, lí thuyết cổ điển dự báo rằng năng lượng của một electron quay xung quanh hạt nhân nguyên tử sẽ giảm xoắn ốc đến vô hạn. Thuyết lượng tử làm rõ tại sao điều này không xảy ra: nó bị cấm bởi sự rời rạc của năng lượng. Năng lượng của một electron chỉ có thể biến đổi từng lượng nhất định, và nó có một mức đáy hữu hạn.

Tương tự như vậy, các hiệu ứng lượng tử có thể ngăn cản mật độ vô hạn hình thành tại tâm lỗ đen. Trong trường hợp này, chính tính rời rạc của không-thời gian làm được nhiệm vụ đó, theo dự đoán của các lí thuyết lượng tử về lực hấp dẫn như lực hấp dẫn lượng tử vòng (cái tôi nghiên cứu). Không có những điểm vô cùng nhỏ tại đó mật độ trở nên vô hạn. Không gian gồm từng đơn vị, hay lượng tử, tuy nhỏ nhưng hữu hạn. Vật chất đang rơi vào có thể nén vào một trạng thái siêu đậm đặc, gọi là sao Planck, chứ không hơn nữa. Sau đó thì sao? Sau đó vật chất có thể làm cái công việc nó vẫn hay làm khi rơi xuống: bật trở lại.

Vật chất không thể bật trở lên bên trong lỗ đen, nơi mọi thứ chỉ có thể chuyển động đi xuống. Song đây là điều kì diệu: lực hấp dẫn lượng tử cho phép toàn bộ hình học không-thời gian của lỗ đen đó bật trở lại – nghĩa là tiếp tục băng qua điểm chính giữa của lỗ đen vào một vùng mới và tách biệt của không-thời gian, trong đó không riêng vật chất mà toàn bộ không-thời gian bật ra ngoài. Đây là cái chúng tôi gọi là lỗ trắng.

Một quả bóng bật lên theo quỹ đạo y hệt như phim quay chuyển động rơi của nó được chiếu ngược lại. Một lỗ trắng trông y hệt như phim quay một lỗ đen được chiếu ngược lại. Từ bên ngoài, chẳng có khác biệt gì nhiều: nó có khối lượng y hệt như lỗ đen, vì thế mọi thứ bị nó hút và có thể chuyển động xung quanh nó. Nhưng trong khi lỗ đen được bao quanh bởi một chân trời có thể vào mà không thể ra, thì lỗ trắng được bao quanh bởi một chân trời có thể ra mà không thể vào.

Hiện thân

Khả năng tồn tại các lỗ trắng đã được thuyết tương đối rộng dự đoán trên lí thuyết. Chúng là các nghiệm chính xác của các phương trình thuyết tương đối rộng. Nhưng lâu nay chúng được xem là những nét đẹp toán học chứ không thể hiện cái gì có thật, tình cảnh y như các lỗ đen trước đây, vì thật khó mà thấy được chúng có thể phát sinh như thế nào.

Tuy nhiên, vào đầu thập niên 1930, nhà vật lí Ireland John Lighton Synge đã nhìn thấy rằng một điều chỉnh nhỏ trong nghiệm của các phương trình thuyết tương đối rộng có thể cho phép khả năng hình học của nội phần của một lỗ đen tiếp tục diễn tiến thành một lỗ trắng. Cơ học lượng tử có thể cho phép một điều chỉnh như thế.

Vậy lỗ đen con cháu ấy nằm ở đâu? Lẽ nào nó nằm ở ngoài xa, kết nối bởi một lỗ sâu đục, hay trong một vũ trụ khác chăng? Không, chúng ta chẳng cần những suy biện lạ lùng làm gì. Nó sẽ được tìm thấy tại chính nơi lỗ đen từng hiện diện, chỉ là trong tương lai của nó thôi. Do tính đàn hồi đặc biệt hiểu theo lí thuyết Einstein, “phía bên kia của điểm trung tâm” có thể chỉ là ở trong tương lai của lỗ đen. Điều này thật khó hình dung, song kết quả thì đơn giản: ở phần đầu quãng đời của nó, cái lỗ ấy là đen và vật chất rơi vào trong; nhưng trong giai đoạn hai, hậu chuyển tiếp lượng tử, cái lỗ ấy là trắng và vật chất bật trở ra.

Để điều này xảy ra, sẽ phải có một thời khắc trong đó đường chân trời chuyển từ của lỗ đen sang của lỗ trắng. Ở đây một lần nữa, chính thuyết lượng tử cho phép điều này xảy ra, nhờ một hiện tượng đã biết rõ gọi là sự chui hầm lượng tử. Đây là một sự vi phạm trong chốc lát của các phương trình vật lí chuẩn, cổ điển, có thể xảy ra, với xác suất thấp, dù rằng ở nơi người ta không kì vọng xảy ra những hiện tượng lượng tử mạnh. Chui hầm là hiện tượng gây ra, chẳng hạn, sự phóng xạ hạt nhân. Một hạt bị bắt giữ bên trong hạt nhân nguyên tử sẽ không có khả năng thoát ra theo cơ học cổ điển, song thuyết lượng tử cho phép nó “chui hầm bên dưới” giếng thế bắt giữ nó, và do đó thoát ra khỏi hạt nhân.

Sự chui hầm cần có thời gian. Các chất phóng xạ vẫn giữ được trạng thái giả-bền trong hàng thiên niên kỉ. Tương tự, các lỗ đen có tuổi thọ lâu dài. Nếu chúng ta tuân theo thuyết cổ điển, thì một lỗ đen sẽ là vĩnh hằng. Nhưng chẳng có gì là vĩnh hằng cả. Stephen Hawking đã chứng minh rằng thuyết lượng tử ngụ ý rằng các lỗ đen từ từ bốc hơi và co lại. Khi chúng co lại, xác suất để chúng chui hầm thành lỗ trắng tăng lên. Vào một lúc nào đó, sự chui hầm xảy ra. Và một lần nữa, điều quan trọng là chính hình học của không-thời gian – đây mới là cái đang chui hầm. Thay vì diễn tiến theo các phương trình của thuyết tương đối rộng cổ điển, nó đột ngột chui hầm từ một chân trời lỗ đen thành chân trời lỗ trắng.

Bức tranh này có một mặt khó hiểu. Chúng ta thấy những lỗ đen hàng triệu năm tuổi, vì thế cần một khoảng thời gian rất lâu để một lỗ đen chui hầm thành lỗ trắng. Thế nhưng vật chất rơi vào trong lỗ đi tới tâm thật nhanh, chỉ trong hàng giây. Nó cũng sẽ bật ra nhanh như vậy. Làm thế nào vật chất có thể thoát ra khỏi lỗ trắng sớm như vậy, trong khi sự hình thành lỗ đen diễn ra lâu như thế?

Câu trả lời thật thú vị làm sao. Trong thuyết tương đối rộng, thời gian là hết sức linh động. Chúng ta biết ở mực nước biển – ở gần tâm Trái Đất hơn – thời gian trôi qua chậm hơn so với trên núi cao. Tiến gần đến một sao khối lượng lớn hay một lỗ đen, thời gian càng trôi chậm hơn nữa. Và điều này giải thích được câu hỏi khó ở trên: một thời gian rất ngắn ở bên trong lỗ có thể ứng với một thời gian rất dài ở bên ngoài. Nhìn từ bên ngoài, sự diễn tiến bên trong lỗ tựa như một cú bật ngược, nhưng trong chuyển động siêu chậm. Những cái lỗ mà chúng ta nhìn thấy trên bầu trời có thể chỉ là những vật thể co lại và bật trở ra, mà nhìn từ bên ngoài chúng ta cảm nhận trong chuyển động chậm quá mức.

Một kết quả nữa từ kịch bản này là nó giải được nghịch lí thông tin lỗ đen nổi tiếng – chúng ta kì vọng thông tin không bao giờ mất đi hoàn toàn trong tự nhiên, thế nhưng nó mất đi nếu thời gian đi tới kết thúc bên trong lỗ đen. Lời giải đáp thật đơn giản: nếu mọi thứ cuối cùng đều bật trở ra, thì thông tin lại được hồi phục.

Nói cho chính xác thì nghịch lí thông tin không đơn giản như vậy. Nó phát sinh từ niềm tin của đông đảo mọi người rằng diện tích của chân trời sự kiện giới hạn số lượng cấu hình khả dĩ của bất cứ thứ gì ở bên trong lỗ. Nếu có quá ít cấu hình sẵn có, thì các đặc trưng của vật chất rơi vào trong bị mất đi, và thông tin cũng thế.

Nhưng tôi cảm thấy niềm tin này là sai. Nó nhầm lẫn số lượng cấu hình có thể phân biệt từ bên ngoài, cái chi phối hành trạng bên ngoài của lỗ, với số lượng lớn hơn nhiều của các cấu hình nội tại, có thể phân biệt từ bên trong, nó tăng lên khi đường chân trời co lại. Phần bên trong của lỗ đen có thể lớn ngay cả khi đường chân trời của nó nhỏ – giống như một cái chai có thể lớn dù rằng cổ chai nhỏ – và có thể chứa lượng thông tin rất lớn, sau này được giải phóng bởi lỗ trắng.

Toàn bộ điều này đem lại một kịch bản thú vị cho sự tiến hóa trọn đời của một lỗ đen. Trong nội phần của lỗ, không có điểm kì dị, không có chỗ không-thời gian kết thúc, và nhìn từ bên ngoài thì một lỗ đen không phải vĩnh hằng. Thay vậy, vào một lúc nào đó lỗ đen hóa thành trắng và bất cứ thứ gì từng rơi vào trong sẽ thoát ra ngoài.

Kịch bản này thật đẹp trên lí thuyết. Liệu nó có ngụ ý rằng bầu trời kia đầy rẫy các lỗ trắng? Và nếu vậy thì chúng ta có thể nhìn thấy chúng không?

Câu trả lời phụ thuộc vào những thứ mà chúng ta vẫn chưa hiểu trọn vẹn. Phần lớn các lỗ đen mà chúng ta nhìn thấy trên bầu trời được hình thành từ sự co sụp của một ngôi sao. Các lỗ đen này quá trẻ và quá to để chui hầm thành lỗ trắng – lỗ càng to sống càng lâu. Thế nhưng có khả năng các lỗ đen nhỏ hơn đã hình thành trong môi trường khốc liệt của vũ trụ xa xưa, không bao lâu sau vụ nổ lớn. Các lỗ đen nguyên thủy này có thể đã chui hầm thành lỗ trắng, hoặc có thể đang chui hầm ngày nay. Nhưng chúng ta không chắc về số lượng của chúng, và điều này khiến các dự đoán về lỗ trắng hiện nay là không chắc chắn.

Một nguyên nhân khiến không chắc chắn nữa là tuổi thọ của một lỗ đen. Người ta đã cố gắng thực hiện những tính toán chi tiết bằng lực hấp dẫn lượng tử vòng, thế nhưng chúng phụ thuộc vào các gần đúng và chúng không thuyết phục cho lắm. Tuy nhiên, chúng ta có một sự liên kết bền đẹp giữa tuổi thọ “dài” tối đa, được đặt giới hạn bởi thời gian bốc hơi Hawking, và tuổi thọ “ngắn” tối thiểu theo đòi hỏi của các hiện tượng lượng tử. Điều này cho phép chúng ta phác họa một số kết luận sơ bộ.

Nếu tuổi thọ là dài, thì những lỗ nguyên thủy nhỏ mới biến thành trắng. Điều này sẽ có nghĩa là phần lớn các lỗ trắng trên bầu trời hiện nay phải có kích cỡ tối thiểu. Kích cỡ lỗ trắng tối thiểu là Planckian, ấy là chừng một micro-gam, hay bằng trọng lượng của nửa inch sợi tóc người.

Đây là một khả năng cuốn hút bởi vì các lỗ trắng thuộc kích cỡ này có thể tương đối bền, và chúng có thể là một thành phần của vật chất tối bí ẩn mà các thiên văn đã phát hiện (gián tiếp) trên bầu trời. Đa số các giả thuyết khác về bản chất của vật chất tối đều đòi hỏi phải sửa đổi các định luật vật lí đã được xây dựng chắc chắn. Chẳng hạn, chúng dựa trên các lí thuyết dự đoán những thực thể mới gọi là các hạt siêu đối xứng. Song việc người ta không tìm thấy những hạt như thế làm phát sinh các nghi vấn về những lí thuyết này.

Khả năng vật chất tối bao gồm những lỗ đen nhỏ không đòi hỏi gì hơn ngoài cơ sở vật lí học đã biết, ấy là thuyết tương đối rộng và thuyết lượng tử, và không bị loại trừ bởi bất kì quan sát nào. Nếu điều này là đúng, thì chúng ta đã quan sát thấy các lỗ trắng rồi: chúng là vật chất tối!

Các tín hiệu dữ dội

Hoặc là, nếu tuổi thọ lỗ đen là ngắn, thì các lỗ đen nguyên thủy chui hầm ngày nay phải có khối lượng của một hành tinh nhỏ và có thể phát nổ dữ dội, biến đổi phần lớn khối lượng của chúng thành bức xạ phát ra. Sự kiện này sẽ gửi đến chúng ta những tia vũ trụ năng lượng cực cao và các tín hiệu ngắn, dữ dội trong dải vi sóng hoặc vô tuyến. Các tín hiệu kiểu này đặc biệt thu hút bởi vì các tín hiệu giống vậy đã được phát hiện thấy: các vụ nổ vô tuyến nhanh bí ẩn đã được quan sát thấy gần đây bởi các kính thiên văn vô tuyến. Một lần nữa, có thể chúng ta đã nhìn thấy các lỗ trắng.

Với chỉ vài ba phát hiện, chúng ta chưa thể xác nhận những tín hiệu này thật sự có đến từ lỗ trắng hay không – còn có khả năng do những nguồn phát khác. Nhưng có một dấu hiệu chúng tôi sẽ tìm kiếm trên mẫu rộng: một độ lệch đỏ bị cào bằng. Tín hiệu phát ra bởi những lỗ trắng ở xa và do đó trẻ hơn sẽ tạo ra những bước sóng ngắn hơn so với các lỗ ở gần hơn, già hơn. Đây là cái chúng ta có thể tìm thấy trong các tia vũ trụ năng lượng cao hay các vụ nổ vô tuyến nhanh một khi chúng ta có đủ dữ liệu. Nếu làm được thế, thì chúng ta sẽ có bằng chứng cho các lỗ trắng tồn tại.

Việc tìm kiếm các lỗ trắng trên bầu trời sẽ là một bước đi tươi đẹp trên con đường chúng ta nhận thức vũ trụ. Chúng có thể tiêu biểu cho quan sát trực tiếp đầu tiên về lực hấp dẫn lượng tử đang phát huy tác dụng, và vì thế mở ra một cánh cửa mới sang vấn đề to lớn nhất của vật lí học cơ bản, vấn đề tìm hiểu các phương diện lượng tử của không-thời gian.

Tôi kết bài bằng cách đề cập một ý tưởng sau cùng rất mang tính suy đoán. Vũ trụ của chúng ta có lẽ đã không ra đời lúc vụ nổ lớn: có thể nó đã bật ngược từ một pha co lại trước đó. Khả năng được cho phép bởi thuyết lực hấp dẫn lượng tử vòng và các khuôn khổ lí thuyết khác. Cơ chế lượng tử của cú bật vũ trụ ấy tương tự với cú bật lỗ đen thành lỗ trắng. Các lỗ trắng Planckian trong vật chất tối ngày nay có thể đã hình thành trước cú bật ấy. Nếu vậy, thì hình học của không-thời gian lúc xảy ra cú bật là không êm mượt như vũ trụ học lâu nay đề xuất, mà là rất nhàu nát, bởi vì mỗi lỗ trắng tựa như một cành nhọn chọc thủng hình học của không-thời gian.

Thực tế này có thể liên quan với bí ẩn của mũi tên thời gian – câu hỏi tại sao thời gian chỉ trôi theo một chiều. Mũi tên thời gian có thể không phải do trạng thái ban đầu của vũ trụ là “đặc biệt” (nghĩa là entropy thấp), như người ta thường tin vậy. Thay vậy, nó có thể là một hiện tượng phối cảnh liên quan đến vị trí rất “đặc biệt” của các nhà quan sát chúng ta: chúng ta ở bên ngoài các lỗ.

Các lỗ trắng là một khả năng hợp lí, ngoại trừ là hầu như chưa được khám phá. Chúng ta chưa nhận ra lỗ trắng nào, song hãy nhớ trong một thời gian dài trước đây chúng ta cũng chẳng nhận ra lỗ đen nào.

Nguồn: New Scientist

Bài trước | Bài kế tiếp