Vấn Đề với Lỗ Sâu Đục
Mặc dù hầu hết các nhà vật lý học đồng ý, ít nhất là trên lý thuyết, rằng nhà du hành của Gribbin có thể đi vào và cảm nhận các tác động kỳ lạ của siêu không gian bên trong hố đen, họ cũng báo trước rằng không có nghĩa rằng người đó có thể làm vậy một cách an toàn. Thứ nhất, họ cảnh báo, có nhiều nguy hiểm nghiêm trọng đang nấp bên ngoài chân trời sự kiện. Trước khi đi vào được hố đen, nhà du hành phải tìm cách nào đó để tồn tại với lực thủy triều siêu mạnh và các bức xạ mạnh trong đĩa bồi thêm xoay tròn.
Tuy nhiên, để thuận tiện hơn, ta giả sử rằng nhà du hành có thể sáng chế ra một tấm khiên đặc biệt để chống lại các tác động chết người kia. Và người đó có thể đi qua được chân trời sự kiện và vào trong hố đen. Từ lúc đó, nhà du hành sẽ không bao giờ quay lại điểm khởi đầu trong không gian và thời gian nữa. Nhà du hành Sagan đã giải thích vấn đề này trong Contact
Khi đo từ Trái Đất, chúng ta sẽ mất một thời gian vô hạn để đi qua một hố đen, và chúng ta có thể không bao giờ, không bao giờ quay trở lại Trái Đất được nữa…. Một đường hầm loại Kerr có thể dẫn tới một hệ quả mâu thuẫn kỳ cục [sự tan vỡ của các nguyên nhân và tác động thông thường]. Với một thay đổi nhỏ trong đường cong [con đường của nó] trong hầm, chúng ta sẽ đi ra một nơi khác ở thời điểm trong lịch sử sớm hơn dự định -- một pico giây [một phần nhỏ của giây] sau Vụ Nổ Lớn chẳng hạn. Vũ trụ như vậy thật rất lộn xộn.49
Vẫn còn một thách thức khác cho nhà du hành phải vượt qua đó là tính không ổn định của cánh cổng lỗ sâu đục và đường hầm. Lỗ sâu đục trong hố đen Kerr có thể giữ được trạng thái mở lâu hơn phiên bản có cuộc sống siêu ngắn trong một hố đen Schwarschild. Tuy nhiên, lỗ sâu đục Kerr vẫn rất mỏng manh. Ngay cả với tác động hấp dẫn nhỏ tạo ra bởi nhà du hành và con tàu của anh ta khi đi vào đường hầm cũng có thể làm nó sụp đổ. Theo Sagan:
Có một đường hầm bên trong trong tính toán chính xác của Kerr về hệ các phương trình của Einstein, nhưng nó không bền. Một tác động nhỏ cũng có thể thổi nó đi và biến đường hầm thành một kỳ dị mà ở đó không có gì qua được. Tôi đã cố tưởng tượng ra các xã hội cao hơn có thể điều khiển được cấu trúc bên trong của một ngôi sao đang suy sập và giữ ổn định đường hầm bên trong. Việc này rất khó. Xã hội đó phải giám sát và ổn định đường hầm mãi mãi. Điều này đặc biệt khó đối với một thứ lớn như một con tàu vũ trụ đi qua.50
Tuy nhiên, để thuận tiện hơn, ta giả sử rằng nhà du hành có thể sáng chế ra một tấm khiên đặc biệt để chống lại các tác động chết người kia. Và người đó có thể đi qua được chân trời sự kiện và vào trong hố đen. Từ lúc đó, nhà du hành sẽ không bao giờ quay lại điểm khởi đầu trong không gian và thời gian nữa. Nhà du hành Sagan đã giải thích vấn đề này trong Contact
Khi đo từ Trái Đất, chúng ta sẽ mất một thời gian vô hạn để đi qua một hố đen, và chúng ta có thể không bao giờ, không bao giờ quay trở lại Trái Đất được nữa…. Một đường hầm loại Kerr có thể dẫn tới một hệ quả mâu thuẫn kỳ cục [sự tan vỡ của các nguyên nhân và tác động thông thường]. Với một thay đổi nhỏ trong đường cong [con đường của nó] trong hầm, chúng ta sẽ đi ra một nơi khác ở thời điểm trong lịch sử sớm hơn dự định -- một pico giây [một phần nhỏ của giây] sau Vụ Nổ Lớn chẳng hạn. Vũ trụ như vậy thật rất lộn xộn.49
Vẫn còn một thách thức khác cho nhà du hành phải vượt qua đó là tính không ổn định của cánh cổng lỗ sâu đục và đường hầm. Lỗ sâu đục trong hố đen Kerr có thể giữ được trạng thái mở lâu hơn phiên bản có cuộc sống siêu ngắn trong một hố đen Schwarschild. Tuy nhiên, lỗ sâu đục Kerr vẫn rất mỏng manh. Ngay cả với tác động hấp dẫn nhỏ tạo ra bởi nhà du hành và con tàu của anh ta khi đi vào đường hầm cũng có thể làm nó sụp đổ. Theo Sagan:
Có một đường hầm bên trong trong tính toán chính xác của Kerr về hệ các phương trình của Einstein, nhưng nó không bền. Một tác động nhỏ cũng có thể thổi nó đi và biến đường hầm thành một kỳ dị mà ở đó không có gì qua được. Tôi đã cố tưởng tượng ra các xã hội cao hơn có thể điều khiển được cấu trúc bên trong của một ngôi sao đang suy sập và giữ ổn định đường hầm bên trong. Việc này rất khó. Xã hội đó phải giám sát và ổn định đường hầm mãi mãi. Điều này đặc biệt khó đối với một thứ lớn như một con tàu vũ trụ đi qua.50
Nghịch Lý Giết MẹTrong cuốn sách nổi tiếng của mình Black Holes and Time Warps (hố đen và sự uốn cong thời gian), nhà vật lý học nổi tiếng Kip Thorne mô tả hiện tượng mang tên nghịch lý giết mẹ: “Nếu tôi có một cỗ máy thời gian… tôi sẽ có khả năng dùng nó để đi ngược thời gian và giết mẹ mình trước khi tôi được sinh ra, và vì vậy tôi sẽ không được sinh ra.” Rõ ràng, nghịch lý nói về việc tội ác tự ngăn chặn việc chính nó xảy ra.
Thorne tin vào Joe Polchinski, một nhà vật lý tại Trường đại học Texas ở Austin, khi ông cung cấp sự mô tả khoa học sau về việc nghịch lý trên hoạt động như thế nào: Giả sử một lỗ sâu đục được làm thành một cỗ máy thời gian, và đặt hai cửa của nó [mỗi cửa nằm ở một hố đen] tại những điều gần nhau trong không gian liên hành tinh. Sau đó, nếu một trái bi da đi vào cửa bên phải… với một vận tốc cho trước, đi ngược thời gian, và bay ra cửa bên trái trước khi nó đi vào cửa ben phải… và nó sẽ tông vào chính nó ở thời điểm sớm hơn, cuối cùng đã ngăn chính nó đi và cửa bên phải và tông vào chính mình. |
Sự Cần Thiết của Vật Chất Ngoại Lai
Xu hướng dễ dàng sụp đổ của các lỗ sâu đục có vẻ chổi bỏ việc sử dụng những đường hầm này như là một cánh cổng đến không gian và thời gian khác. Và đây là vấn đề mà Thorne, Morris, và Yurtsever đối mặt khi họ bắt đầu nối các phương trinh toán học của hố đen theo yêu cầu của Sagan. Họ đã vượt qua vấn đề này vì họ dùng một sự tiếp cận mới. Thay vì coi lỗ sâu đục là một thiên thể giả thuyết và cố tìm cách dự đoán xem chúng hoạt động như thế nào nếu chúng có tồn tại, họ bát đầu chấp nhận việc lỗ sâu đục ổn định, du hành được có thể tồn tại. Họ mô tả cấu trúc có thể của thực thê này; và cuối cùng, họ thêm vào các nguyên tắc của thuyết tương đối rộng để dự đoán loại vật chất cần thiết để giữ nó mở và ổn định.
Trong bộ phim dựa trên cuốn tiểu thuyết Contact của Carl Sagan, nhà du hành Ellie Arroway chuẩn bị để đi vào siêu không gian trên một con tàu được thiết kế đặc biệt.Kết quả được xem là một bước đột phá trong vật lý giả thuyết. Các phương trình của đội Caltech cho thấy một loại vật chất cần dùng để đưa vào áp lực cần thiết để giữ lỗ sâu đục ổn định đủ lâu để các nhà du hành đi qua. Nhưng vật chất bình thường không tạo đủ áp lực để làm việc này. Thực tế, phải cần tới một loại vật chất bất thường. Thorne gọi đó là vật chất ngoại lai (exotic matter), hay nguyên liệu, trong bài viết sau này của mình:
Tôi phát hiện ra từ hệ phương trình của Einstein, rằng, để hấp dẫn… đẩy bức tường của lỗ sâu dục ra, vật chất ngoại lai xen qua lỗ sâu đục phải có năng lượng mật độ nghịch đảo [một trạng thái mà ở đó vật chất không tạo ra áp lực bên trong như vật chất của vũ trụ thông thường]…. Vì hầu hết các dạng của vật chất mà con người gặp đều có năng lượng mật độ trung bình thuận trong cấu trúc của mọi người, nên các nhà vật lý học có một thời gian dài nghi ngờ sự tồn tại của các vật chất ngoại lai…. Sau đó vào năm 1974, một sự bất ngờ lớn xuất hiện. [Stephen] Hawking [phát hiện ra] sự dao động chân không [tác động hấp dẫn bất kỳ] gần chân trời [sự kiện] của hố đen là ngoại lai…. Chân trời bóp méo dao động chân không làm chúng khác xa dạng trên trái đất và từ đó nó tạo ra một năng lượng mật độ trung bình nghịch, mà điều đó làm chúng thành ngoại lai.51
Mặc dù vật chất ngoại lai không được chúng minh sự tồn tại một cách dứt khoát, nhưng một số các nhà khoa học tin rằng có một lượng lớn vật chất loại này có thể đã bị cuốn đi trong buổi đầu của vũ trụ. Có lẽ, họ nói, một lượng nhỏ vẫn còn tồn tại ở đây trong vũ trụ bây giờ. Có khả năng, một xã hội cao cấp có thể tìm ra cách tạo ra các vật chất ngoại lai từ vật chất thông thường.
Tôi phát hiện ra từ hệ phương trình của Einstein, rằng, để hấp dẫn… đẩy bức tường của lỗ sâu dục ra, vật chất ngoại lai xen qua lỗ sâu đục phải có năng lượng mật độ nghịch đảo [một trạng thái mà ở đó vật chất không tạo ra áp lực bên trong như vật chất của vũ trụ thông thường]…. Vì hầu hết các dạng của vật chất mà con người gặp đều có năng lượng mật độ trung bình thuận trong cấu trúc của mọi người, nên các nhà vật lý học có một thời gian dài nghi ngờ sự tồn tại của các vật chất ngoại lai…. Sau đó vào năm 1974, một sự bất ngờ lớn xuất hiện. [Stephen] Hawking [phát hiện ra] sự dao động chân không [tác động hấp dẫn bất kỳ] gần chân trời [sự kiện] của hố đen là ngoại lai…. Chân trời bóp méo dao động chân không làm chúng khác xa dạng trên trái đất và từ đó nó tạo ra một năng lượng mật độ trung bình nghịch, mà điều đó làm chúng thành ngoại lai.51
Mặc dù vật chất ngoại lai không được chúng minh sự tồn tại một cách dứt khoát, nhưng một số các nhà khoa học tin rằng có một lượng lớn vật chất loại này có thể đã bị cuốn đi trong buổi đầu của vũ trụ. Có lẽ, họ nói, một lượng nhỏ vẫn còn tồn tại ở đây trong vũ trụ bây giờ. Có khả năng, một xã hội cao cấp có thể tìm ra cách tạo ra các vật chất ngoại lai từ vật chất thông thường.
Đường Hầm Thời Gian và Những Bong Bóng Nguyên thủy
Nếu vật chất ngoại lại tồn tại trong tự nhiên hay có thể tạo ra được, vất đề giữ một lỗ sâu đục mở và ổn định có thể được giải quyết. Và khi chặn hết các khó khăn bất ngờ, người ta có khả năng du hành qua một đường hầm vũ trụ như vậy. Nhưng tại sao có ai đó lại lao vào một chuyến đi như vậy? Giả sử rằng người ta có thể phát triển đến kỹ thuật cao để có thể ổn định và điểu khiển được lỗ sâu đục, tại sao con người hay sinh vật thông minh khác lại chọn cách du hành trong siêu không gian mà không phải trong không gian bình thường?
Trước hết, toán học dự báo rằng lỗ sâu đục có thể tạo ra một đường tắt cho các vị trí cách xa nhau. Nói cách khác, nếu một tàu vũ trụ vận tốc cao mất một ngàn năm để tới một hệ hành tinh ở rất xa, thì việc điều khiển một lỗ sâu đục đúng đắn sẽ cho phép con tàu du hành trong một khoảng thời gian ít hơn nhiều. Các nhà khoa học thường đưa ví dụ tương tự quả dưa hấu, bề mặt bên ngoài tượng trưng cho không gian bình thường. Một con kiến đi trên bề mặt quả dưa tượng trưng cho một con tàu trên một chuyến đi dài đếu vị trí ở xa phía bên kia quả dưa. Dù đi hết tốc lực, con kiến cũng phải mất hết ba phút để đi hết quãng đường. Tuy nhiên, nếu trước đó con vật thấy một cái hos, miệng hố cho thấy đường hầm đi thẳng vào tâm trái dưa. Con kiến phải suy tính về việc có đi vào hố hay không vì nó dẫn tới một vùng không gian chưa biết có vẻ khác hẳn với khu vực quen thuộc bên ngoài. Nhưng nó vẫn bắt lấy cơ hội và đi xuống hố. Theo đường hầm, con kiến đi thẳng tới tâm trái dưa và leo ra khỏi hố ở mặt kia, ngay cạnh nơi nó cần đến. Con đường nó chọn ngắn hơn và chính diện hơn con đường trên bề mặt, vì vậy mà chuyến đi chỉ có một phút chứ không phải ba.
Trường hợp tương tự, con người trong các tàu vũ trụ một ngày nào đó có thể tạo ra được lỗ sâu đục để tới các khu vực xa xôi nhanh hơn. Nếu vậy, họ có thể đi xuyên được cả thời gian. Thời gian chậm lại đối với các vật thể và con người đi với vận tốc gần vận tốc ánh sáng trong không gian bình thường, thời gian sẽ hoạt động kỳ lạ và có thể thay đổi được trong một hố đen hay trong siêu không gian. Đối với một nhà du hành trôi nổi bên trong một hố đen (nếu có thể làm được vậy), thời gian có vẻ trôi bình thường. Nhưng đối với góc nhìn của người đó, vũ trụ bên ngoài chân trời sự kiện lại hoạt động nhanh quá mức bình thường. Nhà du hành có thể ở trong siêu không gian một tuần để rồi khi đi ra khỏi lỗ sâu đục và thấy thế giới đã đi qua mười ngàn năm rồi.
Một khả năng khác là các lỗ sâu đục có thể không dẫn tới một nơi khác của vũ trụ đã biết, nhưng lại dãn tới các vũ trụ chưa biết khác. Không có bằng chứng trực tiếp nào cho thấy những nơi đó tồn tại. Nhưng vài nhà khoa học đã dự đoán vụ nổ dữ dội trong Vụ Nổ Lớn có thể đã tạo ra những lớp vỏ “bong bóng,” bao bọc các vùng không gian và thời gian bị bóp méo làm chúng tách rời và vô hình với không gian và thời gian bình thường. Không có một sự đảm bào nào cho các định luật vật lý đã biết hoạt động trong các bong bóng vũ trụ này. Vì vậy con người khi đi vào một khu vực theo đường lỗ đen có thể chết ngay lập tức, hoặc chí ít cũng phát hiện ra họ đang ở trong một môi trường hỗn loạn quá mức tưởng tượng.
Trước hết, toán học dự báo rằng lỗ sâu đục có thể tạo ra một đường tắt cho các vị trí cách xa nhau. Nói cách khác, nếu một tàu vũ trụ vận tốc cao mất một ngàn năm để tới một hệ hành tinh ở rất xa, thì việc điều khiển một lỗ sâu đục đúng đắn sẽ cho phép con tàu du hành trong một khoảng thời gian ít hơn nhiều. Các nhà khoa học thường đưa ví dụ tương tự quả dưa hấu, bề mặt bên ngoài tượng trưng cho không gian bình thường. Một con kiến đi trên bề mặt quả dưa tượng trưng cho một con tàu trên một chuyến đi dài đếu vị trí ở xa phía bên kia quả dưa. Dù đi hết tốc lực, con kiến cũng phải mất hết ba phút để đi hết quãng đường. Tuy nhiên, nếu trước đó con vật thấy một cái hos, miệng hố cho thấy đường hầm đi thẳng vào tâm trái dưa. Con kiến phải suy tính về việc có đi vào hố hay không vì nó dẫn tới một vùng không gian chưa biết có vẻ khác hẳn với khu vực quen thuộc bên ngoài. Nhưng nó vẫn bắt lấy cơ hội và đi xuống hố. Theo đường hầm, con kiến đi thẳng tới tâm trái dưa và leo ra khỏi hố ở mặt kia, ngay cạnh nơi nó cần đến. Con đường nó chọn ngắn hơn và chính diện hơn con đường trên bề mặt, vì vậy mà chuyến đi chỉ có một phút chứ không phải ba.
Trường hợp tương tự, con người trong các tàu vũ trụ một ngày nào đó có thể tạo ra được lỗ sâu đục để tới các khu vực xa xôi nhanh hơn. Nếu vậy, họ có thể đi xuyên được cả thời gian. Thời gian chậm lại đối với các vật thể và con người đi với vận tốc gần vận tốc ánh sáng trong không gian bình thường, thời gian sẽ hoạt động kỳ lạ và có thể thay đổi được trong một hố đen hay trong siêu không gian. Đối với một nhà du hành trôi nổi bên trong một hố đen (nếu có thể làm được vậy), thời gian có vẻ trôi bình thường. Nhưng đối với góc nhìn của người đó, vũ trụ bên ngoài chân trời sự kiện lại hoạt động nhanh quá mức bình thường. Nhà du hành có thể ở trong siêu không gian một tuần để rồi khi đi ra khỏi lỗ sâu đục và thấy thế giới đã đi qua mười ngàn năm rồi.
Một khả năng khác là các lỗ sâu đục có thể không dẫn tới một nơi khác của vũ trụ đã biết, nhưng lại dãn tới các vũ trụ chưa biết khác. Không có bằng chứng trực tiếp nào cho thấy những nơi đó tồn tại. Nhưng vài nhà khoa học đã dự đoán vụ nổ dữ dội trong Vụ Nổ Lớn có thể đã tạo ra những lớp vỏ “bong bóng,” bao bọc các vùng không gian và thời gian bị bóp méo làm chúng tách rời và vô hình với không gian và thời gian bình thường. Không có một sự đảm bào nào cho các định luật vật lý đã biết hoạt động trong các bong bóng vũ trụ này. Vì vậy con người khi đi vào một khu vực theo đường lỗ đen có thể chết ngay lập tức, hoặc chí ít cũng phát hiện ra họ đang ở trong một môi trường hỗn loạn quá mức tưởng tượng.

Một nghệ sĩ chụp một bức tranh ấn tượng của thiên hà M87, với các dòng khí lớn tạo ra tại tâm của một hố đen nặng 5 tỷ khối lượng Mặt Trời.
Dựa vào hình ảnh Vụ Nổ Lớn có thể đưa ra một khái niệm làm thay đổi suy nghĩ từ trước tới nay về hố đen. Gần nhất các nhà khoa học có thể nói đó là vụ nổ khủng khiếp tạo ra vũ trụ từ một điểm nhỏ đương độc trong thời gian, một điểm giống hoàn toàn với điểm kỳ dị được giả thuyết có trong hố đen. Có lẽ vụ trụ đã biết của chúng ta đây giãn nở từ một thiên thể siêu đặc và siêu nặng. Và các nguyên tử tạo ra cơ thể chúng ta, Trái Đất, các vì sao, và mọi thức khác chúng ta có thể thấy được tạo ra từ những con quái vật. Begelman và Rees nói:
Che khuất khỏi tầm mắt những thứ bên trong “chân trời” của chúng, [các hố đen] giữ những bí mật vượt khỏi những tính chất vật lý mà ta có thể hiểu được. “Kỳ dị” tại trung tâm dựa vào những định luật vật lý xảy ra tại những giây ban đầu của Vụ Nổ Lớn và sẽ tái diễn trở lại nếu vũ trụ lại sụp đổ. Khi chúng ta thực sự hiểu những hố đen, chúng ta sẽ hiểu được cội nguồn của vũ trụ.52
Che khuất khỏi tầm mắt những thứ bên trong “chân trời” của chúng, [các hố đen] giữ những bí mật vượt khỏi những tính chất vật lý mà ta có thể hiểu được. “Kỳ dị” tại trung tâm dựa vào những định luật vật lý xảy ra tại những giây ban đầu của Vụ Nổ Lớn và sẽ tái diễn trở lại nếu vũ trụ lại sụp đổ. Khi chúng ta thực sự hiểu những hố đen, chúng ta sẽ hiểu được cội nguồn của vũ trụ.52
49. Carl Sagan, Contact. New York: Simon and Schuster, 1985, pp.
347–48.
50. Sagan, Contact, p. 347.
51. Thorne, Black Holes and Time Warps, pp. 488, 490–92.
52. Begelman and Rees, Gravity’s Fatal Attraction, p. 235.
347–48.
50. Sagan, Contact, p. 347.
51. Thorne, Black Holes and Time Warps, pp. 488, 490–92.
52. Begelman and Rees, Gravity’s Fatal Attraction, p. 235.
Hết
Trịnh Khắc Duy - PAC
