Các nhà vật lí đang sử dụng các tương tự-lỗ đen (black hole analog) để hiểu rõ hơn về lực hấp dẫn.
A0620-00, một hệ sao đôi ở xa 3.300 năm ánh sáng, có chứa một bí mật tăm tối: Một trong các sao của nó chẳng phải sao gì cả, mà là một lỗ đen. Trong chừng mực mà chúng ta biết, đây là lỗ đen gần hành tinh chúng ta nhất. Các nhà thiên văn chỉ biết nó có mặt ở đó do ngôi sao đồng hành của nó có vẻ đang khiêu vũ một mình, nó bị hút theo một đường dẫn vô hình.
Trong những năm gần đây, các nhà khoa học đã tìm được nhiều cách nghiên cứu lỗ đen, lắng nghe sóng hấp dẫn do chúng tuôn ra khi chúng va chạm, và thậm chí còn tạo dựng được hình ảnh của một lỗ đen bằng cách kết hợp thông tin từ các kính thiên văn vô tuyến trên khắp thế giới.
Nhưng kiến thức của chúng ta về lỗ đen vẫn còn hạn chế. Sẽ không ai có thể kiểm tra một lỗ đen thực tế trong phòng thí nghiệm, và với công nghệ hiện nay, sẽ mất khoảng 50 triệu năm để gửi một tàu thăm dò đi tới A0620-00.
Vì thế các nhà khoa học đang tìm cách nghiên cứu với các vật thay thế - tức là những cái tương tự với lỗ đen, chúng có thể chứa đựng đáp án cho những bí ẩn về lực hấp dẫn và cơ học lượng tử.
Xây dựng các mô hình lỗ đen
Vào năm 1972, William “Bill” Unruh, một nhà vật lí tại Đại học British Columbia, Vancouver (Canada), đã kết nối lực hấp dẫn với động lực học chất lưu trong một sự tương tự: “Hãy tưởng tượng bạn là một con cá mù, đồng thời là nhà vật lí nữa, đang sống trong một con sông,” Unruh viết.
Dọc theo con sông của Unruh, một thác nước trút xuống ở tốc độ siêu thanh – nhanh hơn tốc độ âm thanh trong nước. Điều gì xảy ra nếu một con cá vàng rơi xuống thác? Bạn, một con cá mù, làm sao biết được; bạn sẽ không bao giờ nghe được tiếng hét của nó [con cá vàng] vì thác nước sẽ kéo theo âm thanh xuống nhanh hơn tốc độ nó truyền ngược lên.
Unruh dùng vở kịch tôm cá này để giải thích một tính chất của lỗ đen: Giống như âm thanh truyền qua rìa của một thác nước siêu thanh, ánh sáng băng qua chân trời sự kiện của lỗ đen không thể thoát ra ngoài.
Hóa ra sự tương tự trên còn chính xác hơn so với ban đầu Unruh nghĩ tới. Tám năm sau, vào năm 1980, ông nhận thấy các phương trình chuyển động cho âm thanh trong ví dụ tương tự thác nước là y hệt với các phương trình mô tả ánh sáng tại chân trời của một lỗ đen.
Khi ấy, nghiên cứu của ông chẳng được mấy người chú ý – nó được trích dẫn có bốn lần trong thập niên sau khi công bố. Nhưng vào thập niên 1990, công trình của Unruh được khám phá lại khi các nhà vật lí bắt đầu khảo sát lực hấp dẫn trên lí thuyết lẫn thực nghiệm với các mô hình tương tự.
Ngày nay, các nhà vật lí sử dụng mọi thứ từ nước cho đến các trạng thái cực lạnh mới lạ của vật chất để phỏng theo các lỗ đen. Những người ủng hộ các tương tự nói rằng các mô hình này đã xác nhận các dự báo lí thuyết về lỗ đen. Song nhiều nhà vật lí vẫn hoài nghi rằng các mô hình tương tự có thể dự đoán cái xảy ra nơi lực hấp dẫn bẻ cong không-thời gian rất dữ dội.
Lỗ đen được lí thuyết hóa lần đầu tiên vào năm 1784, bởi vị tu sĩ và nhà thiên văn học người Anh John Michell, ông tính được rằng đối với một ngôi sao đủ lớn, “toàn bộ ánh sáng phát ra từ một vật thể như thế sẽ buộc phải quay đầu về phía nó, bởi chính lực hấp dẫn của nó.”
Ý tưởng ấy chủ yếu vẫn nằm ngoài lề khoa học mãi cho đến thế kỉ 20, khi thuyết tương đối rộng của Einstein đánh đổ luận thuyết Newton về lực hấp dẫn. Các danh nhân như Karl Schwarzchild, Subrahmanyan Chandrasekhar và John Archibald Wheeler đã phát triển lí thuyết về những con quái vật nuốt chửng mọi thứ, không chừa thứ gì xổng ra này. Thế nhưng vào năm 1974, một nhà vật lí trẻ tên là Stephen Hawking đã cách mạng hóa lĩnh vực này bởi việc đề xuất rằng một số thứ, quả thật, có thể thoát ra khỏi lỗ đen.
Do các thăng giáng lượng tử ngẫu nhiên trong kết cấu của không-thời gian, các cặp hạt và phản hạt ảo thoắt ẩn thoắt hiện vào mọi lúc trên khắp vũ trụ. Phần đa thời gian, các cặp hạt này hủy nhau tức thì, biến mất trở lại vào hư không. Nhưng, Hawking lập luận trên lí thuyết, chân trời của một lỗ đen có thể chia tách một cặp hạt: Một hạt sẽ bị nuốt vào trong, còn hạt kia sẽ văng ra ngoài và trở thành một hạt thật sự.
Do một thủ thuật toán học trong sự phát bức xạ Hawking, các hạt ảo bị nuốt vào có năng lượng hiệu dụng âm. Lỗ đen ăn những hạt này sẽ co lại. Đối với nhà quan sát, sự phát bức xạ Hawking sẽ trông rất giống như lỗ đen đang cắn hạt dưa phun vỏ ra ngoài và trở nên nhỏ lại.
Tuy nhiên sự phát bức xạ Hawking là ngẫu nhiên và chẳng mang thông tin gì về bên trong của lỗ đen – hãy nhớ rằng hạt phát ra thoát từ ngay phía bên ngoài của chân trời sự kiện. Điều này tạo ra một nghịch lí: Cơ học lượng tử dựa trên tiền đề rằng thông tin không bao giờ bị hủy mất, song nếu các hạt phát ra dưới dạng bức xạ Hawking thật sự là ngẫu nhiên thì thông tin sẽ biến mất mãi mãi.
Đa số các nhà vật lí tin rằng lỗ đen không thật sự phá hủy thông tin và rằng thông tin được bảo toàn trong sự phát bức xạ Hawking, nhưng phỏng đoán ấy có lẽ không cách nào kiểm tra trực tiếp được. “Nhiệt độ của bức xạ Hawking là rất nhỏ - nhỏ hơn nhiều so với bức xạ nền của vũ trụ,” phát biểu của Hai Son Nguyen, một nhà vật lí tại Viện Công nghệ Nano Lyon. “Đó là lí do chúng ta sẽ không bao giờ có thể quan sát thấy bức xạ Hawking từ một lỗ đen thực tế.”
Thế cái gì hành xử y hệt lỗ đen? Trong bài báo năm 1980 của ông, Unruh tính được rằng các phonon – các đơn vị lượng tử của âm thanh tương đương với photon, các đơn vị lượng tử của ánh sáng – sẽ là bức xạ Hawking phát ra từ tương tự lỗ đen của ông.
Ban đầu Unruh cảm thấy ảm đạm trước viễn cảnh tiến hành một phép đo như thế, ông gọi nó là “một khả năng cực kì mong manh”. Nhưng ngày càng có nhiều nhà vật lí tham gia với Unruh trong việc xây dựng lí thuyết về các tương tự với lỗ đen vào thập niên 1990, khả năng đo bức xạ Hawking đã trở thành một mục tiêu khó, nhưng có thể đạt được.
Vượt thác
Có nhiều mô hình tương tự về lỗ đen, song chúng thảy đều có một điểm chung: một đường chân trời. Về mặt toán học, đường chân trời được định nghĩa là ranh giới mà nếu vượt quá nó thì các sự kiện không thể nào thoát ra – giống như rìa thác nước của Unruh. Vì chúng có thể chia tách các cặp hạt, nên mọi đường chân trời đều tạo ra một hình thức bức xạ Hawking.
“Việc tìm hiểu hiện tượng học gắn liền với sự có mặt của đường chân trời trong những hệ thống tương tự khác nhau đem lại gợi ý về những hiện tượng cũng có thể có mặt trong lĩnh vực lực hấp dẫn,” theo Carlos Barceló, một nhà vật lí lí thuyết tại Viện Thiên văn Vật lí Andalucia.
Thông thường, người ta nên bắt đầu với một tương tự đơn giản như là nước, theo Silke Weinfurtner, một nhà vật lí tại Đại học Nottingham. Có thể tạo ra một chân trời bằng cách cho nước chảy đủ nhanh trên một chướng ngại vật; nếu các điều kiện vừa vặn thích hợp, thì các sóng mặt nước bị ngăn lại tại chướng ngại vật đó.
Nhưng để đo cho đúng các hiệu ứng nhỏ nhất – cấp lượng tử – của lỗ đen, bạn cần một tương tự lượng tử. Các ngưng tụ Bose-Einstein, hay viết tắt là BEC, thông thường là các chất khí cực lạnh như rubidium bị chi phối bởi các hiệu ứng lượng tử đủ lạ để xem chúng là một trạng thái khác của vật chất. Các hiệu ứng lượng tử tinh vi như sự phát bức xạ Hawking vốn bị ẩn mất bởi tín hiệu nhiễu có mặt trong các chất lưu thông thường sẽ trở nên hiển hiện trong các BEC.
Các lỗ đen tương tự thậm chí có thể dùng ánh sáng làm một chất lưu. Chất lưu đó được làm bằng những giả hạt gọi là polariton, chúng là trạng thái tập thể gồm một photon kết hợp với một điện trường. Có đủ polariton sẽ hành xử như một chất lưu lượng tử của ánh sáng. Vì thế khi dòng polariton chuyển động nhanh hơn tốc độ âm thanh trong chất lưu polariton, y hệt như thác nước của Unruh, thì một chân trời hình thành. Bức xạ Hawking từ chất lưu này của ánh sáng sẽ xuất hiện ở dạng các phonon.
Một số tương tự lỗ đen là “quang học” vì bức xạ Hawking của chúng xuất hiện ở dạng photon. Trong sợi quang – giống loại sợi quang chúng ta truyền dữ liệu – các xung laser cường độ mạnh có thể tạo ra một chân trời. Xung laser làm thay đổi tính chất vật lí của sợi, làm chậm tốc độ ánh sáng bên trong sợi. Điều này biến rìa trước của xung thành một chân trời: Ánh sáng bị chậm lại không thể thoát ngược khỏi xung, kiểu như âm thanh không thể thoát ra lên phía trên thác nước của Unruh.
Tuy nhiên, cho đến nay, vẫn chưa có bằng chứng thực nghiệm nào của bức xạ Hawking ở bất kì tương tự nào trong số này – trừ một ngoại lệ.
Kiểm tra Hawking trong phòng thí nghiệm
Hồi tháng Năm, Jeff Steinhauer công bố bài báo mới nhất của ông, với bằng chứng mạnh mẽ từ trước đến nay cho bức xạ Hawking. Steinhauer là một nhà vật lí tại Viện Technion ở Haifa, Israel. Ông đã nghiên cứu vấn đề này trong hơn một thập kỉ, công phá không ngừng nghỉ vào nhiệm vụ thực nghiệm cực kì khó khăn này, chủ yếu dựa vào sức của riêng ông.
Tập trung một laser vào chất khí rubidium, một BEC, Steinhauer tạo ra được một vùng năng lượng cao. Các hạt chuyển động từ các vùng năng lượng cao sang các vùng năng lượng thấp, cho nên chất khí rubidium muốn thoát khỏi laser. Rìa của laser ở đây đóng vai trò đường chân trời đối với chất khí rubidium, tương tự với một thác nước nó có thể trôi xuống chứ không thể lội ngược lên. Steinhauer sử dụng bố trí này để nghiên cứu sự phát bức xạ Hawking do các thăng giáng lượng tử bị chia tách bởi đường chân trời.
Nhiệt độ của bức xạ Hawking – trong trường hợp này là các phonon phát ra có năng lượng bao nhiêu – phụ thuộc vào độ dốc của đường chân trời, hay thác nước. Đường chân trời càng dốc, thì năng lượng của bức xạ càng cao. Đây là lí do bức xạ Hawking ở nhiệt độ thấp đối với một lỗ đen: Một lực yếu như lực hấp dẫn không gây ra đường chân trời dốc.
Bằng cách đo độ dốc, và rồi độc lập đo năng lượng của các phonon phát ra, Steinhauer đã có thể chứng thực cho dữ liệu của ông.
Các thí nghiệm trước đây của Steinhauer và những người khác khẳng định đã tìm thấy bức xạ Hawking, nhưng vẫn còn thiếu tính chặt chẽ của kết quả mới nhất này. Lần này, Steinhauer và các nhà vật lí khác tin rằng ông đã quan sát thấy bức xạ Hawking.
“Tôi nghĩ chúng ta đã xác thực được tính toán của Hawking,” Steinhauer nói. “Ông có một phép tính với những giả thuyết và những gần đúng nhất định, và chúng ta có những xấp xỉ giống như vậy, và vì thế về mặt toán học nó là tương đương.”
Tuy nhiên, Steinhauer trình bày, cũng có khả năng là đối với các lỗ đen bức xạ Hawking vận hành không giống vậy, do lực hấp dẫn lượng tử. Các phê bình cũng cho rằng các phonon chưa phải là tương tự hoàn hảo với các photon.
Theo tường thuật trên trang Quanta, nhiều nhà vật lí nghiên cứu về lực hấp dẫn lượng tử đã bác bỏ các kết quả mới nhất này.
Weinfurtner thừa nhận sự phê bình trên và tán thành rằng các tương tự không thể chứng minh chặt chẽ bất cứ điều gì về các lỗ đen. Nhưng đối với các nhà vật lí đang nghiên cứu các tương tự, thì những bản sao này của các lỗ đen vẫn đáng đồng tiền bát gạo. “Cái chúng tôi đang làm tự nó thật sự hào hứng lắm,” Weinfurtner nói. “Chúng tôi đang đào sâu hiểu biết của chúng ta về các hệ tương tự lực hấp dẫn, và hi vọng rằng các thí nghiệm như thế sẽ thúc đẩy các nghiên cứu mới về lỗ đen trên lí thuyết.”
Nguồn: Symmetry Magazine
