khöng?
ho đến giờ, người ta vẫn dựa trên ánh sáng để tính toán các tính chất chính của hố đen -- hấp dẫn cực mạnh, đĩa bồi thêm, các quasar, vân vân -- tác động như thế nào đến vật chất, không gian, và thời gian trong vũ trụ quanh chúng. Có rất ít hiểu biết về chuyện gì xảy ra bên trong một hố đen ngoài vật chất bị xé ra hay rơi xuống giếng hấp dẫn mãi mãi. Nguyên nhân một phần là do hoạt động bên trong của những thiên thể kỳ lạ này vẫn còn là một bí ẩn lớn. Rõ ràng, chưa hề có cách gì để nhìn trực tiếp hay tính toán trực tiếp bên trong một hố đen.
Nhưng điều này rõ ràng không ngăn được việc con người cố mường tượng về cái gì đang ở đằng sau chân trời sự kiện bí ẩn kia. Kể từ
những nghiên cứu nghiêm túc về hố đen bắt đầu vào những năm 1960, có nhiều giả và các phương trình toán học khác nhau đã dự báo rằng có một thứ gì đó đang tồn tại hoặc đang hoạt động bên trong hố đen. Và vì những giả thuyết này có vẻ còn thiếu sót, nên những nhà nghiên cứu
được quyền tự do sử dụng trí tượng tượng của mình. Ví dụ, họ băn khoăn không biết các vật thể bên trong hố có thấy được những vật thể
bên ngoài hay không vì họ biết các vật thể bên ngoài không thể thấy
được các vật thể bên trong. Ngoài ra, vật chất khi đi vào bên trong hố đen sẽ biến mất khỏi vũ trụ bình thường. Vật chất này sẽ dừng tồn tại, hay bằng một cách nào đó vẫn tồn tại, và quai lại ở một nơi nào đó trong vũ trụ này hoặc một vũ trụ khác? Xa hơn nữa, nếu vật chất có thể
tồn tại vậy có khả năng con người cũng tồn tại khi đi qua một hố đen không?
Thật không ngạc nhiên khi các nhà văn khoa học viễn tưởng đã khai thác triệt để và đầy màu sắc về chúng và các khả năng kỳ lạ khác về
môi trường bên trong các hố đen. Rất thường xuyên, họ miêu tả những thiên thể siêu đặc này làm nhiễu loạn không gian và cuối cùng xé nó ra, tạo ra một cánh cửa nhỏ. Cảnh cửa này và một đường hầm không gian vô hình hiện nay được gọi là một lỗ sâu đục. Tất nhiên, các lỗ sâu đục chỉ là giả thuyết, mặc dù các nhà vật lý tin rằng nó tồn tại.
Hố Đen Có Thể là những Cánh Cổng Vũ Trụ Được Không? Don Nardo
Các câu chuyện khoa học và phim ảnh thường mô tả các tàu vũ trụ
có người lái trong những khu vực xa xôi của thiên hà hay trong quá khứ
hoặc tương lai. Ví dụ, trong bộ phim truyền hình Babylon 5 một trạm không gian trôi gần các lỗ sâu đục dẫn tới một hệ sao khác. Và trong chương cuối cùng của bộ phim Star Trek: Voyager, Thuyền trưởng Janeway dùng một lỗ sâu đục để đi xuyên không gian và thời gian để
cố gắng thay đổi quá khứ. Thật đáng kinh ngạc, những năm gần đây các nhà vật lý đã cho thấy những kiểu du hành này, mặc dù không thể
thực hiện được bằng kỹ thuật của con người hiện đại, về mặc lý thuyết là có khả năng thực hiện được.
Lỗ Sâu Đục là Cỗ Máy Thời Gian
Vài phương trình toán học kết hợp với giả thuyết về lỗ sâu đục dự đoán rằng nếu một đầu hố cố định và đầu còn lại di chuyển, thì hai đầu này nằm hở hai khung thời gian khác nhau. Trong đoạn trích dưới đây từ cuốn The Physics of Star Trek (vật lý trong Star Trek), nhà vật lý Lawrence M. Krauss nói các nhà văn trong Star Trek: Voyager (nhà du hành) đã mô tả đúng đến mức nào về hiện tượng này.
Các lỗ sâu đục, cực kỳ thú vị khi có khả năng nối hai khoảng cách cực lớn trong không gian, có nhiều tiềm năng đáng chú ý, đã xuất hiện thoáng qua trong chương Voyager mới đây là “Lỗ Xâu Kim.” Trong chương này, phi hành đoàn Voyager đã phát hiện ra một lỗ sâu đục nhỏ dẫn họ về “cung alpha” của họ trong thiên hà. Sau khi tính toán đi qua nó, họ phát hiện ra rằng nó không dẫn tới cung alpha họ đã biết và yêu quý mà là cung alpha vào thời điểm sớm hơn. Hai đầu của lõ sâu đục nối các không gian ở các thời điểm khác nhau! Đây là một ví dụ khác về sự đúng đắn của các nhà văn viết ra Voyager. Nếu lỗ sâu đục tồn tại, chúng có thể là những cỗ máy thời gian! Sự nhận thức ngạc nhiên này lớn lên trong thập kỷ mới đây, khi các nhà lý luận… bắt đầu nghiên cứu vật lý về các hố đen nghiêm túc hơn.
Siêu Không Gian Tưởng Tượng
Thực tế, nhà khoa học hành tinh nổi tiếng Carl Sagan đã nghiên cứu khả năng này trong niềm vui thích vào mùa hè năm 1985. Tại thời điểm
đó, ông đang viết một cuốn tiểu thuyết khoa học tiêu đề Contact (tiếp cận-ND) và muốn nhân vật chính du hành trong một khoảng cách vũ
trụ khổng lồ trong một khoảng thời gian rất ngắn bằng một kỹ thuật hợp lý. Không phải là chuyên gia trong lĩnh vực thuyết tương đối rộng, Sagan đã nhờ một trong những nhà dẫn đầu về lĩnh vực đó, Kip
Hố Đen Có Thể là những Cánh Cổng Vũ Trụ Được Không? Don Nardo
Thorne, thuộc California Institute of Technology (Viện Kỹ Thuật California-ND) (viết tắt Caltech). “Nó nảy ra cho tôi,” Thorne viết sau
đó, “cuốn tiểu thuyết của ông ấy có thể là một… công cụ cho sinh viên
đang nghiên cứu thuyết tương đối rộng.”46 Với suy nghĩ này, Thorne
đồng ý lời đề nghị và tham gia trợ giúp cùng với hai nghiên cứu sinh của mình, Michael Morris và Ulvi Yurtsever.
Sau khi thăm dò các khả năng toán học, họ cho Sagan biết dạng hình học của không thời gian kết hợp với khái niệm lỗ sâu đục tạo ra một cánh cổng vũ trụ theo lý thuyết. Một cánh cổng có thể cho phép vật chất đi vào “siêu không gian,” một khu vực giả thuyết nằm bên trên không gian bình thường, và đi ra không gian ở một cánh cổng tương tự. “Để chắc ăn,” John Gribbin chỉ ra,
các yêu cầu vật lý được xoay trở và hợp lý. Nhưng đó không phải là
điều quan trọng. Có vấn đề gì nữa khi có vẻ như các định luật vật lý
đều bị cấm khi du hành qua một lỗ sâu đục. Nhà văn khoa học viễn tưởng đã đúng -- kết nối siêu không gian, ít nhất là trong lý thuyết, tạo ra một điều kiện để du hành tới các khu vực xa xôi của vũ trụ
mà không phải mất hàng ngàn năm như trong không gian bình
thường với vận tốc nhỏ hơn vận tốc ánh sáng.47
Câu hỏi của Sagan và tính toán của đội Caltech bỗng nhiên làm bùng lên sự quan tâm của cộng đồng khoa học. Và kể từ đó những nghiên cứu kỹ lưỡng về lỗ sâu đục và khả năng du hành qua chúng được dẫn
đường. Tuy nhiên những cố gằng này không đưa ra được những khoảng không khoa học. Những thập niên trước, một vài nhà khoa học cho rằng ý tưởng cơ bản của lỗ sâu đục có thể là một kết quả của việc uốn cong không gian của hố đen. Trong 1916, ít lâu sau khi phương trình của Einstein và Schwarzschild về thuyết tương đối rộng xuất hiện, một nhà khoa học người Úc, Ludwig Flamm, đã nghiên cứu chúng kỹ
lưỡng. Flamm chỉ ra rằng những phương trình này cho phép một loại kết nối vô hình nào đó giữa hai khu vực không thời gian riêng biệt. Nhà toán học người ĐỨc Hermann Weyl cũng đưa đến một tính toán tương tự vào những năm 1920.
Hố Đen Có Thể là những Cánh Cổng Vũ Trụ Được Không? Don Nardo
Nhà thiên văn học, khoa học hành tinh, và nhà văn carl Sagan đã mô tả việc du hành trong không gian qua lỗ sâu đục trong cuốn tiểu thuyết Contact nổi tiếng của mình
Năm 1935, chính Einstein, làm việc với một đồng sự, Nathan Rosen, thăm dò khái niệm về mối liên kết bí ẩn này rõ hơn, gồm cả mối quan hệ giữa nó với các thiên thể siêu đặc. Họ đoán rằng loại đường hầm như vậy có thể tồn tại bên trong một hố đen. Đường hầm này, tồn tại ở
một khu vự ngoài không gian bình thường, có thể kết nối với một hố đen khác ở một nơi nào đó. Trong một thời gian, các nhà nghiên cứu gọi đườn hầm vũ trụ này là cầu Einstein-Rosen, theo tên những người
Hố Đen Có Thể là những Cánh Cổng Vũ Trụ Được Không? Don Nardo
đầu tiên đề xuất ra nó; chỉ sau này người ta mới kiếm được cái tên lỗ
sâu đục.
Một Thế Giới Lật Ngược?
Cần nhấn mạnh rằng Einstein và Rosen không có ý nói rằng người ta có thể đi vào hố đen và dùng nó như một cánh cổng đến một nới khác. Học chỉ cho thấy rằng các phương trình toán học không cấm sự tồn tại của loại đường hầm như vậy. Học không giả thuyết rằng những đường hầm này lớn bao nhiêu, dài bao nhiêu hay an toàn mức nào, và trong bất cứ trường hợp nào, ý tưởng về việc du hành qua chúng đều có vẻ thích hợp. Trước hết là các tính toán toán học cho thấy bất cứ lỗ sâu
đục nào cũng mở ra không hơn 1/10.000 giây và sau đó đóng lại. Thực tế, nó không tồn tại đủ lâu để cho cả ánh sáng đi tới đầu kia của đường hầm, vậy làm sao những con tàu vũ trụ có vận tốc chậm hơn có thể đi qua được? Tất cả các nhà khoa học này đều đồng ý là bất kỳ vật chất nào đi vào hố đen, kể cả con người, đều bị tiêu hủy; ngay cả phân tử
của họ cũng bị xé ra. Vì vậy không có nhà du hành không gian nào bay và hố đen có thể tồn tại đủ lâu để biến nó thành lỗ sâu đục rồi đi ra khỏi đó.
Tuy nhiên, trong những năm 1960, các nghiên cứu mới bắt đầu thay
đổi viễn cảnh vô vọng này. Flamm, Einstein, Rosen, và những người khác đã dựa trên những tính toán và ý kiến chủ yếu là các hố đen Schwarzschild tĩnh, không quay. Khi thời gian trôi đi, ngày càng nhiều nhà khoa học đồng ý rằng những thiên thể như vậy chỉ là cấu trúc lý thuyết và không tồn tại trong vũ trụ thật sự. Khi Roy Kerr giới thiệu kết quả toán học của mình về các hố đen quay và nó trở nên rõ ràng rằng những thiên thể siêu đặc này có quay, bức tranh về thế giới bên trong hố đen có sự thay đổi. Bây giờ chúng ta có thể xem điểm kỳ dị có dạng như một chiếc nhẫn chứ không phải là một điểm duy nhất. Và các phương trình toán học cho những chiếc nhẫn xoay này cho phép vật chất đi qua chúng mà không bị nghiền ra. (Tất nhiên, điều này không bác bỏ khả năng vật chất sẽ trải qua các tác động chết người khác, như
việc bị bắn phá bởi các bức xạ chết người.)
Ý tưởng về một chiếc nhẫn kỳ dị có thể là cánh cổng cho một lỗ sâu
Hố Đen Có Thể là những Cánh Cổng Vũ Trụ Được Không? Don Nardo
về dạng hình học của khu vực bên trong hố đen. Trong số đó có khái niệm rằng một vài tính chất cơ bản của vũ trụ bình thường sẽ bị đảo lộn. Trong trường hợp một nhà du hành lặn xuống vùng ở giữa của nhẫn kỳ dị, Gribbin giải thích,
thế giới sẽ lật ngược lại. Các phương trình nói cho chúng ta biết khi bạn đi qua cái nhẫn thì bạn đã đi vào khu vực không thời gian mà ở đó tích số giữa khoảng cách của bạn tới tâm nhẫn và lực hấp dẫn là
âm. Điều này có nghĩa là lực hấp dẫn hoạt động hoàn toàn bình
thường nhưng bạn đã đi vào khu vực không gian nghịch mà ở đó có
khả năng, ví dụ, cách tâm của hố “âm mười kilomet”. Ngay cả những nhà theo thuyết tương đối cũng gặp rắc rối với khả năng này, vì vậy họ thường hiểu sự nghịch đào này là hấp dẫn sẽ đảo ngược khi bạn
đi qua cái nhẫn, thay đổi thành một lực đẩy bạn, chứ không phải
kéo. Trong khu vực không thời gian sau cái nhẫn, hấp dẫn của hố
đen đẩy cả vật chất và ánh sáng ra khỏi nó.48
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
Hố Đen Có Thể là những Cánh Cổng Vũ Trụ Được Không? Don Nardo
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 tragj 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 Mẹ
Trong 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 tước 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: