Lỗ đen, lỗ sâu đục và cỗ máy thời gian (Phần 65)

Alice qua chiếc gương soi

Đã có một số nét nổi bật trong lịch sử vật lí lỗ sâu đục. Sau nghiên cứu của Einstein và Rosen hồi giữa thập niên 1930, chẳng có gì xảy ra cho đến khi John Wheeler, một trong những nhà vật lí vĩ đại nhất của thế kỉ hai mươi (và là người đã đặt ra cái tên lỗ đen) công bố một bài báo vào năm 1955. Trong bài báo đó, ông lần đầu tiên chứng minh rằng một đường hầm trong không thời gian không nhất thiết nối Vũ trụ của chúng ta với một vũ trụ song song, mà có thể uốn cong để nối hai vùng khác nhau của Vũ trụ của chúng ta lại với nhau (giống như cái tay cầm trên cốc cà phê). Nó sẽ là một đường hầm phát sinh từ không thời gian bình thường mang lại một lộ trình khác giữa hai “cái miệng” của nó qua một chiều cao hơn. Hai năm sau đó, ông đã nêu lỗ sâu đục thành một biệt ngữ vật lí trong một bài báo nổi bật nói về cái ông gọi là “hình động lực học”, nghĩa là nghiên cứu cách thức hình học, hay hình dạng, của không gian biến thiên và diễn tiến. Tất nhiên, tác phẩm của ông vẫn là lí thuyết thuần túy. Mục tiêu của nó là tìm hiểu không thời gian có thể xoắn lại thành những hình dạng gì và chẳng nghiên cứu gì việc sử dụng lỗ sâu đục cho con người đi xuyên qua. Thật vậy, những lỗ sâu đục mà Wheeler quan tâm là những cái lỗ cực kì nhỏ. Ông đang nghiên cứu cấu trúc của không thời gian ở thang bậc nhỏ nhất có thể có, nơi cơ học lượng tử cho chúng ta biết rằng mọi thứ trở nên mờ nhạt và bất định. Xuống đến thang bậc này, ngay cả không thời gian cũng trở nên sủi bọt và phù du, và mọi kiểu hình dạng và cấu trúc khác lạ, trong đó có những lỗ sâu đục mini, có thể hình thành ngẫu nhiên. Tôi sẽ gọi đây là những lỗ sâu đục lượng tử và chúng ta sẽ gặp lại chúng lần nữa trong phần sau.

Sự kiện quan trọng nhất là vào năm 1963 khi nhà toán học người New Zealand Roy Kerr phát hiện thấy các phương trình Einstein dự đoán sự tồn tại của một loại lỗ đen hoàn toàn mới: một lỗ đen đang quay tròn, mặc dù lúc đầu ông không nhận ra như vậy. Chỉ sau đó người ta mới nhận ra rằng nghiệm Kerr áp dụng cho bất kì ngôi sao đang quay tròn nào co lại thành một lỗ đen và, vì tất cả các ngôi sao đều đang quay tròn xung quanh trục của chúng ở những tốc độ khác nhau, nên những lỗ đen của Kerr là khái quát hơn và thực tế hơn những lỗ đen không quay của Schwarzschild. Ngoài ra, một lỗ đen có thể quay nhanh hơn nhiều so với ngôi sao bình thường đã sinh ra nó vì nó nhỏ và đặc hơn rất nhiều. (Hãy nhớ tôi đã nêu sự tương tự với vận động viên trượt băng đang quay tròn khi tôi mô tả những lỗ đen như thế ở Chương 4.) Cái hấp dẫn ở những kết quả tính toán của Kerr là bản chất của điểm kì dị tại tâm của một lỗ đen như thế. Nó không còn là một điểm kích cỡ zero như điểm kì dị tại tâm của những lỗ đen Schwarschild mà thay vậy nó có dạng hình vòng. Chu vi của cái vòng đó là toàn bộ vấn đề cần nói, và nó có bề dày gần như bằng không và vì thế có mật độ gần như vô hạn. Ở giữa cái vòng đó là không gian trống rỗng. Một cái vòng kì dị như vậy, tùy thuộc vào khối lượng và spin của nó, có thể có một đường kính đủ lớn cho con người và cả phi thuyền của họ đi xuyên qua.¹

Nhà thiên văn vật lí Oxford John Miller trình bày rằng, trong khi nghiệm Kerr chỉ biểu diễn tính chất của không thời gian ở bên ngoài một lỗ đen đứng yên nào đó đang quay tròn, thì chưa có dấu hiệu nào cho thấy nó mô tả cái diễn ra ở bên trong chân trời sự kiện, kể cả những thứ xung quanh điểm kì dị vòng. Nó chỉ là một bức tranh khả dĩ của cái bên trong một lỗ đen có thể trông như thế. Miller đề xuất rằng những mô tả như vậy nên đi kèm với một sự cảnh báo nhất định nào đó.

Với suy nghĩ này trong đầu, tôi sẽ tiếp tục trình bày và mô tả một lỗ đen Kerr có thể trông như thế nào. Trước tiên, điểm kì dị vòng thì không giống với điểm kì dị của Schwarzschild. Chẳng hạn, một kì dị vòng có một chân trời thứ hai, ở bên trong, gọi là chân trời Cauchy, bao quanh điểm kì dị đó. Tất nhiên, một khi bạn đã băng qua chân trời sự kiện phía ngoài thì bạn không còn đường nào tiến lui nữa. Nhưng ít nhất bạn sẽ có thể nhìn thấy ánh sáng đến từ Vũ trụ bên ngoài, mặc dù nó sẽ bị bẻ cong và hội tụ do lực hấp dẫn của lỗ đen. Chân trời Cauchy đánh dấu ranh giới bên trong đó bạn sẽ không còn nhìn thấy ánh sáng từ Vũ trụ bên ngoài nữa. Điều này thoáng nghe ra thì hợp lí, nhưng không đơn giản thế. Lỗ đen là nơi kì quái đến mức không có cái gì là rõ ràng cả. Một trong những tiên đoán kì lạ của cơ sở toán học của lỗ đen là cái xảy ra với ánh sáng bạn nhìn thấy đến từ Vũ trụ bên ngoài khi bạn rơi về phía chân trời Cauchy. Vì thời gian của bạn đang trôi qua mỗi lúc một chậm đi, nên thời gian ở bên ngoài đang trôi nhanh cho đến khi, tại chân trời Cauchy, thời gian ở bên ngoài đang chạy nhanh vô hạn và bạn sẽ thấy toàn bộ tương lai của Vũ trụ lóe qua trước mắt bạn tại thời khắc bạn băng qua chân trời đó. Tôi thấy điều này có chút quá khó hiểu, ngay khi bạn muốn nhìn thấy toàn bộ quá khứ của mình lóe qua trước mắt, thì thay vậy bạn lại nhìn thấy toàn bộ tương lai.

Để đảm bảo không làm phật lòng bất cứ người nào say mê trước những lỗ đen, tôi phải nói thêm rằng, trên thực tế, thật ra bạn sẽ không có cái nhìn ân huệ về tương lai của Vũ trụ vì toàn bộ ánh sáng đi vào trong lỗ đen đều sẽ đi tới cùng một lúc trong một cái chớp mắt. Dòng ánh sáng đổ vào sẽ bị nén về phía đầu xanh của quang phổ. Đây là cái ngược lại của cái nhìn thấy bởi một nhà quan sát ở bên ngoài lỗ đen đang nhìn thấy ánh sáng đang rơi vào. Trong trường hợp đó, ánh sáng bị giãn ra (lệch đỏ). Khi bạn tiến đến chân trời Cauchy, bạn thấy ánh sáng bị lệch xanh càng lúc càng nhiều hơn về phía tần số cao hơn. Điều này hàm ý rằng ánh sáng đang thu thêm năng lượng và bạn sẽ bị rán cháy xèo xèo luôn bởi vụ nổ sau cuối của bức xạ năng lượng cao vô hạn. Xin lỗi nhé. Tất nhiên, toàn bộ vấn đề ở đây là đang giả sử bạn còn sống sót trước lực thủy triều hấp dẫn kéo bạn giãn căng ra và xé bạn thành từng mảnh trước khi bạn đi tới chân trời Cauchy.

Ta hãy tạm gát qua một bên vấn đề tầm thường là bị kéo thành mì sợi và rồi bị nấu chín trong bức xạ và hãy nhìn gần hơn chút nữa về bản thân điểm kì dị. Cơ sở toán học của thuyết tương đối tổng quát dường như đề xuất rằng điểm kì dị Kerr là một cửa sổ mở sang một vũ trụ khác. Thay vì Alice rơi xuống một cầu nối Einstein-Rosen dẫn sang Xứ sở thần kì, đây là chỗ cô có thể bước qua gương soi. Bạn thấy đó, miễn là bạn ở cách xa điểm kì dị, bạn có thể đi xuyên qua tâm của vòng kì dị (đảm bảo rằng bạn không tiến đến quá gần các cạnh vì đó là nơi có “chất liệu” của điểm kì dị). Một khi bạn làm được như vậy, bạn sẽ để lại không thời gian của chúng ta ở phía sau lưng.

Vậy bạn sẽ đi tới đâu nếu như bạn nhảy qua cái vòng lửa vũ trụ này? Câu trả lời là nó phụ thuộc chủ yếu và không thể điều khiển vào đường đi chính xác của bạn xuyên qua điểm kì dị. Một khả năng là bạn sẽ đi tới một bộ phận khác của vũ trụ của chúng ta và, vì thời gian và không gian là hòa lẫn, nên hầu như chắc chắn bạn cũng sẽ đi tới một thời điểm khác. Bạn có thể xuất hiện trong quá khứ xa xăm hoặc trong tương lai xa xôi. [Hay đấy, bạn nghĩ, ít ra thì đây là một cỗ máy thời gian đích thực.] Nhưng ngoài toàn bộ những cái nguy hiểm của việc nhảy vào một lỗ đen đang quay tròn, thì việc đi xuyên qua điểm kì dị Kerr là một chuyến đi một chiều. Tôi không có ý nói rằng bạn không thể đi ngược từ phía bên kia vòng trở về một khi bạn đã nhảy qua, nhưng đơn giản là bạn không thể tìm thấy chính mình trở về nơi và khi bạn xuất phát. Ồ, và đừng quên rằng còn có một chân trời sự kiện một chiều ngăn không cho bạn thoát ra.

Hãy để tôi tóm tắt những lí lẽ tán thành và phản đối việc xem lỗ đen Kerr là một “cổng sao”. Về mặt tích cực, bạn có thể tránh bị nén lại đến kích cỡ zero bằng cách thận trọng tìm phương hướng đi qua tâm của điểm kì dị. Vấn đề ở đây là ở chỗ, từ bên ngoài chân trời sự kiện, bạn không thể nhìn thấy mình đi vào với một góc bao nhiêu. Đi vào từ một bên nào đó (trong mặt phẳng vòng) thì bạn sẽ không thể tránh được bị chuyển động xoắn ốc vào trong và lao vào vòng. Một sự khác biệt quan trọng hơn giữa điểm kì dị bên trong lỗ đen đang quay (Kerr) và lỗ đen không quay (Schwarzschild) là không gian và thời gian bị cuộn lại theo những cách khác nhau. Theo biệt ngữ của thuyết tương đối, một kì dị điểm được gọi là kiểu-thời gian còn một kì dị vòng được gọi là kiểu-thời gian. Một kì dị kiểu-không gian đánh dấu ranh giới của thời gian (hoặc là sự bắt đầu của nó, ví dụ như kì dị Big Bang, hoặc sự kết thúc của nó như trong trường hợp lỗ đen) còn một kì dị kiểu-thời gian đánh dấu ranh giới của không gian, đó là cách có thể xem nó là một cánh cửa sổ vươn ra ngoài Vũ trụ của chúng ta.

Nói chung, thật sự có một sự ngượng nghịu trước hai chân trời rắc rối đó. Chân trời sự kiện chỉ cho phép du hành một chiều, và nó chắn kì dị khuất tầm nhìn để chúng ta không thể chọn góc thích hợp mà đi vào. Mặt khác, chân trời Cauchy là nơi bạn bị hạ gục trước bức xạ bị lệch xanh vô hạn. Vì thế, cái chúng ta thật sự muốn có là giải thoát những chân trời này, để lại cái gọi là một kì dị trần phơi ra trước Vũ trụ bên ngoài. Có một số cách (có lẽ) để có một kì dị trần. Một là qua sự bức xạ Hawking, nhờ đó một lỗ đen dần dần bay hơi cho đến khi chân trời của nó lùi ra xa hoàn toàn, để lại một kì dị trần. Nhưng đây vẫn còn là giả thuyết gây nhiều tranh cãi và nhiều nhà vật lí tin rằng khi một lỗ đen bay hơi hoàn toàn, nó chẳng để lại cái gì cả. Dẫu sao, đây chỉ là cái có khả năng xảy ra với những lỗ đen rất nhỏ và chẳng ai đủ kiên nhẫn mà chờ cho đến khi một lỗ đen siêu khối đang quay bay hơi hết. Tuy nhiên, một lỗ đen như thế có thể bị tước mất chân trời của nó theo một cách khác. Bạn thấy đó, một lỗ đen đang quay càng nhanh thì chân trời Cauchy của nó sẽ càng rộng ra bên ngoài và càng tiến gần đến chân trời sự kiện phía ngoài. Nếu nó quay đủ nhanh thì hai chân trời đó chồng lên nhau, và, tại thời khắc đó, toán học dự đoán rằng chúng sẽ hủy lẫn nhau và cả hai cùng biến mất.

Một kì dị trần còn có thể hình thành từ sự co lại của một khối lượng lớn, không có dạng cầu, nhưng lựa chọn này cũng còn gây tranh cãi vì những hình dạng như thế không có khả năng tồn tại trong Vũ trụ thực. Dự đoán là loại kì dị trần như thế này có thể hình thành từ những mô phỏng phức tạp trên máy tính mà các nhà thiên văn vật lí đã nghiên cứu.

Tất nhiên, tôi muốn nhắc bạn rằng đa phần những gì tôi trình bày từ trước đến nay trong chương này là dựa trên những dự đoán và suy đoán lí thuyết. Các nhà vật lí không tin rằng chúng ta sẽ có thể đi qua một kì dị Kerr trần và đi đến một vũ trụ khác, hay thậm chí là phía bên kia của vũ trụ của chúng ta. Một phần lí do cho sự hoài nghi (và bối rối) của họ là nếu chúng ta có thể thì chúng ta sẽ có khả năng sử dụng nó làm một cỗ máy thời gian và, như chúng ta đã thấy trong chương trước, đó chẳng phải là một lựa chọn mà nhiều nhà vật lí sẵn sàng xét đến.

Nhưng có một số khó khăn thực tế có khả năng sẽ làm cho toàn bộ ý tưởng du hành xuyên qua những kì dị vòng như thế thành không thể khi cố gắng đi xuyên qua cầu nối Einstein-Rosen. Trước hết, có vẻ chẳng có khả năng cho một lỗ đen nào đó có thể quay đủ nhanh để ném đi các chân trời của nó. Và nghiên cứu trong thời gian rất gần đây dường như cho biết rằng chân trời Cauchy kém bền đến mức ngay khi bạn đi qua nó (thậm chí nếu bạn đang trên đường đi xuyên qua tâm của kì dị) bạn sẽ làm nó biến dạng đủ để biến nó thành cái gọi là một kì dị yếu toàn phần, tuy nhiên khi đó bạn sẽ bị giữ lại ở bên trong.

¹Như vậy, điểm kì dị khái quát hơn những điểm kích cỡ zero. Một điểm kì dị là bất cứ nơi nào đánh dấu ranh giới của không thời gian. Cho nên, trong mô hình tấm cao su 2D, mọi đường cắt trên tấm đó đều tạo nên một điểm kì dị.