Có đáng sợ nếu ta rơi vào hố đen vũ trụ?

Thuyết tương đối

Thuyết tương đối rộng tiên đoán một lượng vật chất với khối lượng đủ lớn nằm trong phạm vi đủ nhỏ sẽ làm biến dạng không thời gian để trở thành lỗ đen. Xung quanh lỗ đen là một mặt xác định bởi phương trình toán học gọi là chân trời sự kiện, mà tại đó khi vật chất vượt qua nó sẽ không thể thoát ra ngoài lỗ đen được. Lỗ đen gọi là “đen” bởi vì nó hấp thụ mọi bức xạ và vật chất hút qua chân trời sự kiện, giống như một vật đen tuyệt đối trong nhiệt động lực học; nó cũng không phải là một loại “lỗ” hay “hố” nào mà là vùng không thời gian không để cho một thứ gì thoát ra.

Vậy điều gì xảy ra nếu ta rơi vào hố đen?

Bạn sẽ chết, hẳn là vậy! Người bạn sẽ dài ra như sợi bún rồi bạn sẽ bị thiêu sống thành tro bụi. Song theo Einstein, “cái chết” chỉ là “ảo giác” bên ngoài. Thực tế thì bạn vẫn sống và hoàn toàn bình yên.

Nếu từng xem qua bộ phim Interstellar (2014) của đạo diễn Christopher Nolan, hẳn bạn sẽ biết đến cảnh cơ trưởng Cooper rơi vào lỗ đen (black hole) Gargantua. Và Cooper hoàn toàn vô sự sau khi băng qua chân trời sự kiện (event horizon). “Hư cấu“, bạn có thể sẽ thốt lên khi thấy cảnh đấy. Song theo Einstein, thì chuyện trên là có thể.

Khối cầu – hố đen

Nhưng trước khi đi vào vấn đề chính, bạn có thể biết Interstellar được dựng lên dựa trên những hiểu biết khoa học mới nhất của nhân loại. Phần lớn những cảnh trong bộ phim viễn tưởng này được Nolan vẽ lên nhờ sự tư vấn của các nhà vật lý. Ví dụ, hình ảnh của lỗ đen trong bộ phim không phải là “cái lỗ” như bạn vẫn thấy trong các ảnh mà chúng ta sắp xem dưới đây, mà là một khối cầu. Tại sao? Vì lỗ đen là điểm mà không-thời gian “sụp đổ” thành một điểm duy nhất. Và không gian của chúng ta có 3 chiều nên sự sụp đổ của chúng co lại thành 1 điểm có dạng cầu.

Xoáy nước hố đen

Tuy vậy, trong đa số các ảnh về lỗ đen mà bạn thấy đều thể hiện chúng như các xoáy nước. Lý do là vì không gian trong chúng được thể hiện ở dạng 2 chiều và mô tả như vậy cho người xem dễ hình dung về bản chất lỗ đen – những điểm “hút” mà ngay cả ánh sáng cũng không thoát ra nổi, giống như những con tàu vô tình đi vào các xoáy nước và chìm nghỉm trong đấy. Nếu thể hiện ở khối cầu như Interstellar, rất nhiều người sẽ không hiểu vấn đề. Ở đây, chúng ta cũng dùng hình ảnh xoáy nước để nói về lỗ đen. Dĩ nhiên, không phải mọi thứ trong Interstellar đều có thật và hoàn toàn đúng nhưng Nolan đã cố gắng thể hiện gần nhất những gì mà khoa học hiện đại đang có

Hoàn toàn vô sự?

Vậy, nếu bạn rớt vào lỗ đen thì sẽ giống Cooper, hoàn toàn vô sự? Ở mức độ nào đó, thì… có lẽ vậy. Gọi là “có lẽ” vì sự việc được quan sát bởi ai, chính bạn hay người ở bên ngoài lỗ đen. Tuỳ theo góc quan sát mà mọi chuyện sẽ trái ngược nhau hoàn toàn.

Hãy mượn lại hình ảnh của Cooper và Amelia lúc anh rơi vào Gargantua trong khi cô đang ở bên ngoài lỗ đen quan sát mọi chuyện. Mọi thứ sẽ khác biệt tuỳ theo chúng ta ở góc nhìn của Cooper hay Amelia.

Từ Amelia

Khi Cooper bắt đầu tiến sát tới chân trời sự kiện, cô sẽ thấy người anh bị kéo dài ra như sợi bún. Đó là do sự chênh lệch lực hút giữa 2 điểm đầu và cuối của Cooper. Giả định Cooper đưa chân anh vào trước, lực hút của lỗ đen tác dụng lên đó sẽ lớn hơn rất nhiều so với đầu của anh. Thêm vào đó, kích thước của Cooper cũng sẽ nhỏ đi rất nhiều, Amelia cần phải dùng kính lúp hoặc thiên văn để theo dõi sự việc.

Nhưng vấn đề chưa hết. Amelia sẽ cảm thấy những gì cô nhìn được giống như một bộ phim chiếu chậm. Hình ảnh của Cooper đến được với cô sẽ “chậm chạp” hơn. Cũng chính là lực hấp dẫn đã gây ra tình trạng trên. Lỗ đen là vật thể đặc biệt tới nỗi ánh sáng cũng không thoát ra khỏi nó nếu chúng vô tình đi ngang qua chân trời sự kiện. Song ngay cả khi các photon không bị lỗ đen nuốt chửng, tốc độ của chúng cũng giảm đi đáng kể. Đặc biệt khi chúng càng ở gần chân trời sự kiện. Dĩ nhiên để giảm từ 300.000 km/s về zero sẽ là một quá trình diễn ra từ từ từ 250.000… 200.000… 100.000…

Bức xạ khổng lồ

Giả định nếu Cooper có liên lạc với Amelia qua sóng radio (một loại bức xạ điện từ), tốc độ truyền dẫn cũng sẽ giảm từ từ khi anh càng tiến sát chân trời sự kiện hơn. Cô sẽ nhận được những tín hiệu bị kéo dài và chậm dần kiểu như: “Ok.. a… y… T…… ô………….. i………………… đ…….. đ……………….. đ………………….. a…………………… à……………………….. o……………………….. o…………………………..”. Và tại thời điểm Cooper biến mất sau chân trời sự kiện, Amelia sẽ không nhận được bất kỳ tín hiệu nào của anh nữa.

Tuy vậy, trước đó, trước thời điểm mà Cooper lọt qua chân trời sự kiện, Amelia sẽ thấy anh bị đốt thành tro bụi, bởi bức xạ Stephen Hawking. Theo Hawking, như là sự cân bằng giữa môi trường có mật độ vật chất lớn nhất vũ trụ với chân không không có vật chất ở xung quanh đó, lỗ đen sẽ bị mất dần đi khối lượng của nó dưới dạng bức xạ phát ra ở chân trời sự kiện. Và Cooper, trong ánh mắt của Amelia, “chết không kịp ngáp” bởi lượng bức xạ khổng lồ này.

Từ Cooper

Tất cả nhìn có vẻ rất tệ từ phía Amelia (ở bên ngoài lỗ đen). Song từ chính Cooper, mọi thứ ngược lại hoàn toàn. Hoặc theo Albert Einstein, cha đẻ thuyết tương đối, Cooper sẽ hoàn toàn bằng an, anh không bị kéo dài như sợi bún, cũng chẳng bị bức xạ đốt thành tro bụi. Vấn đề duy nhất của Cooper là sau khi lọt qua chân trời sự kiện, anh sẽ chẳng thể liên lạc với Amelia được nữa.

Thế giới dường như tách làm 2 sau khi Cooper bước qua chân trời sự kiện. Thế giới của anh và của Amelia. Trong thế giới của Amelia, anh đã chết. Nhưng trong thế giới của Cooper (trong lỗ đen), anh vẫn sống.

Vách ngăn thời không

Tuy vậy, đây mới là vấn đề. Theo các nhà vật lý, không-thời-gian trong lỗ đen đổi chỗ nhau so với thế giới bên ngoài của chúng ta. Tức trong lỗ đen chỉ có một chiều không gian duy nhất – chiều hướng tâm. Cooper sẽ chỉ có một hướng di chuyển cũng như sóng radio của anh, nó không thể thoát ra ngoài. Vì vậy kể cả Cooper có còn sống (theo Einstein), anh cũng không có cách nào để nói điều đó cho Amelia và chúng ta biết.

Các chiều không – thời gian

Ngược lại, thời gian trong lỗ đen lại có rất nhiều chiều. Chúng ta chưa rõ những chiều thời gian khác như thế nào, vì thế giới của chúng ta chỉ có một chiều duy nhất hướng đến tương lai. Nhưng có thể một trong những chiều đó là hướng về quá khứ. Nolan đã tận dụng ý tưởng này trong bộ phim của mình. Ông cho phép Cooper có thể nhìn về quá khứ, nhìn lại chính hình ảnh của con gái và bản thân mình nhiều chục năm trở về trước. Thậm chí Nolan còn đẩy mọi thứ đến mức viễn tưởng khi cho phép Cooper (trong lỗ đen) can thiệp vào Cooper (quá khứ) khi gửi toạ độ trung tâm của NASA bằng những dải cát.

Dù vậy, tại khả năng hiện tại của khoa học, chúng ta không nói được ý tưởng của Nolan có chính xác hay không vì nó dẫn tới nhiều nghịch lý. Giả dụ nếu Cooper (trong lỗ đen) không gửi những toạ độ đó về quá khứ, có lẽ giờ đây anh vẫn đã là một ông già tóc bạc phơ chứ không thực hiện chuyến du hành xuyên thiên hà (Interstellar), tức Cooper (trong lỗ đen) sẽ không hề tồn tại.

Làm sao để kiểm chứng?

Có thể Einstein đúng về số phận của Cooper. Nhưng đó chỉ mới là lý thuyết, nó chưa hề được kiểm chứng. Trong thực tế thì Einstein đã từng sai khi tự thêm vào một hằng số vào phương trình về vũ trụ của ông để nó “không giãn nở”, mà về sau, ông tự nhận đấy là “sai lầm ngớ ngẩn nhất” của mình. Như vậy, không có gì đảm bảo Einstein không sai thêm lần nữa. Nhưng để biết Einstein đúng hay sai thì… cũng chỉ có thực nghiệm mới khẳng định được!

Nhưng phép thực nghiệm này không chỉ đòi hỏi một ai đó đủ dũng cảm lấy tính mạng của mình ra để kiểm chứng, mà còn yêu cầu một cách thức liên lạc mới hoàn toàn nằm ngoài những gì mà chúng ta đã biết. Phép liên lạc lạ lùng này được biết đến với cái tên “rối lượng tử” (quantum entanglement).

Rối lượng tử

Và cơ học lượng tử lại là một sai lầm khác của Einstein. Nhà vật lý nổi tiếng này trên thực tế rất “anti” các lý thuyết lượng tử. Nổi tiếng với câu nói “Chúa không chơi trò xúc xắc” (God doesn’t play dice), Einstein cực lực phản đối ý tưởng rằng kết quả quan sát lệ thuộc vào người xem chứ không phải ở bản chất sự việc. Tuy vậy, các thí nghiệm khoa học mới nhất đã kết luận Niels Bohr (cha đẻ thuyết lượng tử) đúng và Einstein sai.

Điều khôi hài là, để biết Einstein có đúng về lỗ đen không, các nhà vật lý vừa đề ra một phép thực nghiệm dựa trên… thuyết lượng tử.

Nhưng tại sao lại cần tới “rối lượng tử”? Như chúng ta đã biết, phép liên lạc dựa trên sóng điện từ (radio, ánh sáng, bức xạ…) đều dựa trên lưới không-thời-gian. Phía sau lỗ đen chỉ có 1 chiều không gian hướng tâm, tức Cooper (nếu còn sống) không thể nào liên lạc với Amelia dựa trên sóng điện từ. Do vậy, Cooper cần dùng một cách khác để cho biết Amelia biết mình còn sống.

2 hạt vật chất

Cơ học lượng tử nói rằng bằng một cách nào đó, nếu 2 hạt vật chất bị “rối” (entangled) thông tin với nhau, khi trạng thái của hạt này thay đổi, hạt kia sẽ lập tức “biết” và thay đổi tương ứng bất kể khoảng cách giữa chúng. Lấy ví dụ 2 electron có tổng spin là zero, nếu 1 hạt quay ngược chiều kim đồng hồ, hạt còn lại sẽ quay xuôi chiều để đảm bảo tổng spin của chúng giữ nguyên. Einstein mỉa mai hiện tượng kỳ quái này là “hành vi ma quái ở khoảng cách xa” (spooky action at a distance). Nhưng mặc cho Einstein có phản đối như thế nào, hiện tượng trên vẫn diễn ra.

Dựa trên điều này, các nhà vật lý hiện đại đề ra một giải pháp liên lạc cho Cooper. Ở bên ngoài lỗ đen, Amelia sẽ đặt một máy thu thập thông tin lượng tử mà lỗ đen ấy phát ra. Bất kể là Cooper còn sống hay chỉ là nắm tro tàn, Amelia sẽ đều thu được một mớ dữ liệu A.

Chìa khóa

Chìa khoá là ở chỗ, A sẽ bị “rối” với dữ liệu mà Cooper để lại. Nếu Cooper chết, nó sẽ tạo ra dữ liệu B. Còn Cooper vẫn sống phía sau lỗ đen, sự hiện diện của anh sẽ tạo ra dữ liệu C. Nhưng A sẽ chỉ “rối” với duy nhất B hoặc C, không tồn tại cả 2 cùng lúc. Khi Amelia giải mã xong gói dữ liệu A, chúng ta sẽ biết thực sự Cooper có còn sống hay không.

Vấn đề duy nhất ở đây, theo lo ngại của các nhà khoa học, liệu Amelia có giải mãđược gói dữ liệu A hay không. Dữ liệu lượng tử có thể quá lớn và quá nhiều tham số, các siêu máy tính nhanh nhất mà con người hiện có cũng không đảm bảo có thể giải ngay được. Họ e rằng thời gian cần để ra được đáp án B hoặc C có thể tới hàng tỷ năm. Thậm chí cả khi lỗ đen đã “bốc hơi” hết thành bức xạ, Amelia cũng chưa có được câu trả lời.

Vì thế, lỗ đen, như cái tên của nó, có lẽ là nơi cất giấu bí mật tốt nhất mà khoa học có thể tìm đến.

Cánh cổng du hành không gian

Bạn có lẽ đang hỏi, thực ra biết được Cooper sống hay chết sau khi rơi vào lỗ đen có quan trọng không? Dù sao thì Cooper cũng không thể thoát ra ngoài được, cũng có khác gì đã chết?

Câu trả lời là, lỗ đen (hoặc lỗ sâu đục – wormhole) có thể nắm giữa chìa khoá cho việc du hành vũ trụ. Bạn cũng đã biết, những ngôi sao và hành tinh gần chúng ta nhất cũng cách đây hàng chục năm ánh sáng. Chưa có gì cho thấy nhân loại có thể làm ra được con tàu di chuyển với vận tốc ánh sáng. Thêm vào đó, kể cả có đạt được tới mức đấy, thì việc khám phá những thiên hà cách chúng ta hàng tỷ năm ánh sáng cũng là không thể. Nguồn năng lượng mà hành tinh này có không đủ đáp ứng cho những chuyến du hành xa đến thế.

Và chưa kể vũ trụ đang giãn nở với vận tốc ngày càng nhanh. Trong kịch bản Big Freeze, vũ trụ sẽ giãn nở mãi mãi, những thiên hà chúng ta còn thấy được hôm nay không chắc hậu thế sẽ còn nhìn thấy chúng, mặc dù hình ảnh của chúng đến với chúng ta cũng ở vận tốc ánh sáng.

Interstellar

Nhưng lỗ đen/lỗ sâu đục có thể sẽ giúp nhân loại khám phá vũ trụ nếu Einstein đúng – chúng ta hoàn toàn bình an sau khi rơi vào đấy. Về bản chất thì lỗ sâu đục cũng là lỗ đen, nhưng nó có tới 2 đầu (ra – vào), một đầu chuyên hút vào vật chất còn đầu kia “thải” ra mọi thứ, vào một nơi khác xa xăm trong vũ trụ. Thứ mà Nolan đã mô phỏng cho chúng ta thấy trong phim Interstellar.

Thử hình dung lỗ đen/lỗ sâu đục như những trạm dừng xe bus mà bạn vẫn sử dụng hàng ngày. Nếu hình ảnh này đúng, việc khám phá vũ trụ xem chừng vẫn còn trong tầm tay của nhân loại.

Vấn đề còn lại duy nhất là, làm sao chúng ta tìm được một lỗ đen hoặc lỗ sâu đục ở đâu đó “gần” đây? Hay lại như phim Interstellar, một nền văn minh nào đó đã “mở cửa”để “khai sáng” cho nhân loại?

Hố đen và Người ngoài hành tinh

Thời – không là một dạng vật chất và có tồn tại trường, nếu như bằng cách nào đó có thể sử dụng và điều động được trường này ta có thể tạo được các “hố đen” thời – không, có thể đến và đi một nơi nào đó rất xa xôi trong vũ trụ chỉ trong chớp mắt.

Theo nhiều nhà khoa học, người ngoài hành tinh có thể đã thường xuyên ghé thăm trái đất trong hàng ngàn năm qua, tuy nhiên, vì họ có thể điều động được thời – không nên họ đến và đi chỉ trong chớp mắt khiến ta không nhận biết được. Tuy vậy họ cũng có thể đã để lại cho ta rất nhiều di sản mà không thể giải thích bằng cơ sở khoa học hiện tại, một trong số chúng là những hình vẽ kỳ dị, khổng lồ trên cánh đồng ở khắp nơi trên thế giới với độ chính xác cực cao, con người không thể “chế” lại được.

Tiểu thiên sứ (TH)

>> Xem thêm : Lỗ sâu – Chìa khóa giải quyết mâu thuẫn của vật lý hiện đại?