Lỗ đen, lỗ sâu đục và cỗ máy thời gian (Phần 29)

LỖ ĐEN

Lỗ đen là những cái phễu không gian.

- Beavis và Butthead

Sáng hơn cả bắt gặp ánh mắt!

Ánh sáng thật sự là một chất liệu kì lạ. Trừ khi bạn có kiến thức khoa học, bằng không bạn sẽ lãng phí khá nhiều thời gian để suy tư xem ánh sáng là cái gì. Chắc chắn, bạn có thể nghĩ, nó là cái tỏa ra từ những vật như Mặt trời, bóng đèn điện, ngọn đuốc, ngọn nến, ngọn lửa và vân vân và, cho dù nó cấu tạo từ cái gì, nó đi vào mắt của bạn và chúng ta “nhìn thấy” các vật. Khi ánh sáng phản xạ khỏi một vật, nó mang theo cùng với nó vào võng mạc của chúng ta những thông tin về hình dạng và màu sắc của vật đó. Nhưng rốt cuộc thì ánh sáng cấu tạo từ cái gì?

Tôi đã mô tả ánh sáng phát ra từ một vật đang chuyển động ra xa chúng ta trở nên đỏ hơn như thế nào do sự giãn ra của bước sóng ánh sáng. Điều này gợi ý rằng nó không được cấu tạo từ những chất liệu mà chúng ta có thể sờ mó được. Thật vậy, ở trường học chúng ta được dạy rằng ánh sáng chỉ là những sóng năng lượng tuần hoàn, đang dao động, giống như sóng âm hay những gợn lăn tăn trên mặt hồ khi một hòn đá rơi xuống. Tất cả những thí nghiệm mà bạn đã làm trong phòng thí nghiệm khoa học ở trường học đều có thể xác nhận điều này. Sóng ánh sáng phản xạ khỏi gương, đi qua thấu kính và tách ra thành những màu cầu vồng, gọi là quang phổ nhìn thấy của ánh sáng (khi ánh sáng mặt trời đi qua một lăng kính).

Một số thí nghiệm này với ánh sáng có thể có rất nhiều điều thú vị, và tôi nhớ lúc còn nhỏ mình đã từng chế ra một cái hộp tối và cố gắng tìm hiểu xem làm thế nào ánh sáng đi qua một cái lỗ nhỏ xíu ở một thành hộp có thể tạo ra ảnh (lộn ngược) ở phía sau. Thật may cho những ai có ngưỡng buồn chán hơi bị thấp, hóa ra ánh sáng hầu như chẳng đơn giản và nhàm chán như chúng ta thấy ở trường học. Thật vậy, nó kì lạ đến mức toàn bộ giáo viên dạy khoa học đều kí tên vào một văn bản mật trong đó họ thề rằng sẽ không bao giờ tiết lộ bản chất của ánh sáng trước những đứa trẻ ngây thơ và chất phác. Lúc bọn trẻ lớn lên, chúng sẽ hoàn toàn mất hết vô tư hay đơn giản là từ chối không muốn tin vào những thứ quen thuộc với cuộc sống hàng ngày của chúng ta vì ánh sáng che giấu trong nó quá nhiều bí ẩn và là yếu tố hết sức cơ bản đối với sự hoạt động của Vũ trụ.

Vâng, tôi thừa nhận rằng bản hiệp ước bí mật quái gỡ mà các giáo viên trường học đã kí nghe có chút gì đó tựa như một câu chuyện Roald Dahl. Tất nhiên, không có sự thông đồng mang tính toàn cầu nào muốn che đậy bản chất đích thực của ánh sáng, nhưng tôi thật sự nghiêm túc khi nó có nhiều ánh sáng hơn cả bắt gặp ánh mắt!

Âm thanh là một ví dụ đơn giản của sóng. Người ta nói một vật tạo ra âm thanh nếu nó làm cho các phân tử không khí xung quanh nó dao động. Những phân tử này va chạm với những phân tử khác ở gần làm cho chúng chuyển động và cứ thế truyền dần đến tai chúng ta. Khi đó, các phân tử không khí bên trong tai làm cho màng nhĩ dao động và não của chúng ta phiên dịch dao động này thành cái ta gọi là âm thanh. Nhưng ta không thể nói một “chất” đã truyền từ vật tạo ra âm thanh đến tai chúng ta.

Ánh sáng thì phức tạp hơn. Trong Chương 6, tôi sẽ nói rõ ánh sáng cơ bản như thế nào đối với bản chất đích thực của không gian và thời gian. Nhà vật lí David Bohm đã tóm gọn khi ông nói rằng “khi chúng ta đến với ánh sáng, chúng ta đang đến với hoạt động cơ bản trong đó sự tồn tại có cơ sở của nó”. Hiện nay, và với mục đích trình bày về lỗ đen, chúng ta hãy nghiên cứu xem ánh sáng thật sự gồm những gì.

Isaac Newton, dựa trên những thí nghiệm nổi tiếng của ông với lăng kính, tin chắc rằng ánh sáng gồm một dòng hạt nhỏ xíu gọi là tiểu thể (corpuscle). Ông khẳng định điều này là hiển nhiên vì ánh sáng hầu như chắc chắn không thể hành xử giống như sóng âm. Các tia sáng luôn luôn truyền đi theo đường thẳng (sự bẻ cong tia sáng do lực hấp dẫn còn lâu nữa mới được khám phá ra) và tạo ra những cái bóng rõ nét. Sóng âm thì có thể đi vòng qua vật cản và dễ dàng luồn lách qua những góc khuất. Sóng âm cần một môi trường để truyền; một chất liệu cấu tạo từ những nguyên tử mà qua dao động mang năng lượng và tần số của âm thanh. Đây là nguyên do mà các tấm biển quảng cáo bộ phim Alien (Người ngoài hành tinh) mang đầu đề, khá chính xác, “Trong không gian, không ai nghe được tiếng thét của bạn”, vì trong không gian không có không khí để mang sóng âm. Mặt khác, ánh sáng rốt cuộc chẳng giống như thế này và rõ ràng chẳng gặp khó khăn gì khi truyền trong không gian trống rỗng.

Vì những lí do này mà Newton bị thuyết phục rằng lí thuyết hạt của ánh sáng là đúng. Nhưng không phải ai cũng bị thuyết phục, và phải mất một thế kỉ thì bằng chứng rõ ràng mới xuất hiện rằng lí thuyết của Newton chưa phải là toàn bộ câu chuyện. Vào đầu thế kỉ 19, Thomas Young phát hiện rằng nguyên do ánh sáng dường như không bẻ cong xung quanh những góc khuất là vì hiệu ứng ấy quá nhỏ. Bước sóng của ánh sáng quá ngắn so với bước sóng của âm thanh nên lượng bẻ cong, gọi là nhiễu xạ, khó phát hiện ra. Tuy nhiên, Young đã thu được điều này bằng cách cho ánh sáng đi qua những cái khe rất hẹp và chứng minh rằng, khi nó đi tới một màn hứng ở phía bên kia, nó tạo ra một hàng gồm những vân sáng và tối theo một kiểu không thể nào giải thích nếu như ánh sáng là gồm các hạt cấu tạo nên. Những vân giao thoa như thế, như chúng được gọi ngày nay, được giải thích trong mọi quyển sách giáo khoa vật lí là do các đỉnh sóng và hõm sóng ở sóng ánh sáng từ hai khe đến tăng cường và triệt tiêu nhau. Chúng ta đều đã quan sát hiệu ứng này ở trường học, với mức độ hứng thú khác nhau, trong các thí nghiệm bể sóng.

Vậy là Newton đã sai ư? Có phải rốt cuộc ánh sáng là sóng chứ không phải một dòng gồm những hạt nhỏ xíu? Vào cuối thế kỉ 19, dường như cách lí giải sóng ánh sáng của Young không còn ai nghi ngờ gì nữa khi nhà vật lí người Scotland James Clerk Maxwell phát triển một hệ phương trình chứng minh rằng toàn bộ ánh sáng mà chúng ta thấy là một dạng bức xạ điện từ, cái ngày nay chúng ta biết là bao gồm cả những dạng khác như sóng vô tuyến, vi sóng và tia X, cũng như bức xạ hồng ngoại và tử ngoại. Hóa ra ánh sáng cấu tạo gồm một sự kết hợp của điện trường và từ trường, dao động vuông góc với nhau, có thể truyền trong không gian trống rỗng. Vậy thì rốt cuộc ánh sáng là sóng. Nhưng đây có phải là hồi kết của câu chuyện hay chưa?

Còn lâu mới kết thúc. Tới lượt Albert Einstein, người giành giải Nobel vật lí cho một bài báo ông viết vào năm 1905 – thật bất ngờ, bài báo đó chẳng có liên quan gì tới các lí thuyết tương đối của ông hết. Bài báo đó giải thích cái gọi là hiệu ứng quang điện và chứng minh rằng rốt cuộc Newton không hẳn đã sai. Ánh sáng ở cấp độ cơ bản nhất của nó là gồm những thực thể nhỏ xíu gọi là photon.

Vậy còn hệ vân giao thoa Young thì sao? Và sóng điện từ của Maxwell là cái gì? Trên Trái đất, cái gì đang diễn ra ở đây? Chắc chắn ánh sáng phải cấu tạo từ cái gì đó của nó: là sóng hay là hạt?

Có rất nhiều sách vở giải thích chuyện gì xảy ra sau đó. Hóa ra ánh sáng thật sự là một kẻ tâm thần. Thỉnh thoảng, chúng ta thấy nó hành xử giống như một sóng tuần hoàn và thỉnh thoảng lại giống như một dòng hạt. Nó phụ thuộc vào loại thí nghiệm mà chúng ta thực hiện! Nếu bạn không thích như thế thì đành vậy. Tôi đã nói ánh sáng là kì lạ rồi mà. Lí thuyết mô tả các quy tắc hành xử của ánh sáng được gọi là QED, viết tắt của điện động lực học lượng tử, và đã được phát triển bởi nhà vật lí người Mĩ Richard Feynman, cùng với những người khác, hồi cuối thập niên 1940. QED, như tên gọi của nó cho thấy, được suy luận ra từ một lí thuyết rộng hơn nhiều trong vật lí hiện đại gọi là cơ học lượng tử, lí thuyết mô tả hành trạng không chỉ của riêng ánh sáng mà của toàn bộ vật chất và năng lượng ở cấp độ cơ bản nhất của nó (cấp độ nguyên tử và nhỏ hơn).

Cơ học lượng tử được phát triển hồi giữa thập niên 1920 bởi một nhóm nhà vật lí châu Âu, trong đó có Einstein. Nó mô tả những thứ như làm thế nào một nguyên tử có thể ở hai nơi cùng một lúc, và làm thế nào những hạt nhỏ xíu có thể tự phát xuất hiện từ hư vô sau đó nhanh chóng biến mất trở lại. Các nhà vật lí hàng đầu thế giới đều nhất trí rằng nếu ai đó không thấy khó chịu với cái mà cơ học lượng tử cho chúng ta biết về thế giới chúng ta sống trong đó thì có lẽ người đó không thật sự hiểu cơ học lượng tử. Mặc dù vậy, nó vẫn là khám phá khoa học thành công nhất và quan trọng nhất của thế kỉ 20. Cơ học lượng tử hậu thuẫn cho toàn bộ nền hóa học hiện đại và toàn bộ nền điện tử học hiện đại. Không có nó, chúng ta sẽ không thể hiểu cấu trúc của tinh thể, hay phát minh ra laser hay chip silicon. Không có kiến thức về các quy luật của cơ học lượng tử thì sẽ không có truyền hình, máy vi tính, lò vi sóng, máy hát đĩa, đồng hồ kĩ thuật số và rất nhiều thứ không thể thiếu trong kỉ nguyên công nghệ của chúng ta.

Chúng ta sẽ dừng việc thảo luận về ánh sáng ở đây với một trích dẫn từ Einstein từ năm 1951 (bốn năm trước khi ông qua đời):

“Toàn bộ năm mươi năm suy tư nhận thức này chẳng mang tôi đến gần hơn với câu trả lời cho câu hỏi ‘Các lượng tử ánh sáng [photon] là cái gì?’ Ngày nay, cậu Tom, cậu Dick hay cậu Harry đều nghĩ cậu ta biết, nhưng các cậu sai lầm rồi”.

Đã giới thiệu đôi chút với bạn về bản chất của ánh sáng, giờ thì tôi có thể bắt đầu nói về tính chất của các lỗ đen.