[비즈한국] Lỗ đen là bí mật khổng lồ và tăm tối nhất của vũ trụ. Điều gì sẽ xảy ra nếu ta bước vào trong lỗ đen? Lỗ đen lớn nhất vũ trụ rộng lớn đến mức nào? Ngoài ra, còn có một từ khóa luôn xuất hiện trong các câu chuyện về lỗ đen. Đó chính là lỗ trắng.
Lỗ đen, theo nghĩa đen là hố đen. Lỗ trắng chính là khái niệm đối nghịch hoàn toàn với nó, một cái hố màu trắng. Người ta thường ví lỗ đen như một ống thoát nước bị thủng dưới đáy hồ bơi. Nó được coi là cái phễu thủng trên không-thời gian, vô tình hút tất cả những thứ xung quanh vào. Một câu hỏi tự nhiên sẽ nảy sinh: Nếu lỗ đen là thực thể hút mọi thứ, thì những gì nó nuốt chửng đã biến đi đâu? Chẳng phải nếu có cái miệng để ăn thì cũng phải có nơi để thứ đó thoát ra ngoài hay sao? Vì vậy, nhiều người tưởng tượng lỗ trắng là mặt đối lập của lỗ đen, không phải là thứ hút mọi thứ vào mà là nơi phun tất cả ra ngoài.
Sự tồn tại của lỗ đen đã được dự đoán từ rất sớm. Thậm chí, hình ảnh thực tế của nó đã được xác nhận bằng cách huy động các kính thiên văn vô tuyến trên toàn cầu. Thế nhưng, lỗ trắng lại khác. Cho đến nay, chưa có trường hợp nào quan sát được lỗ trắng. Thậm chí, khá nhiều nhà thiên văn học và vật lý học còn hoài nghi về chính sự tồn tại của nó.
Nếu lỗ trắng thực sự tồn tại trong vũ trụ, chỉ là chúng ta chưa tìm thấy nó mà thôi, thì chúng ta nên tìm kiếm điều gì? Chúng ta nên nhìn vào đâu? Thoạt nhìn, vì nó là thực thể phun trào vật chất và năng lượng ngược lại với lỗ đen, nên ta dễ dàng nghĩ rằng chỉ cần nhìn vào một thiên thể cực kỳ sáng đang phun trào năng lượng khổng lồ ra xung quanh là được. Nhưng đó chính là sai lầm lớn nhất mà chúng ta mắc phải. Nếu muốn tìm lỗ trắng, bạn đừng tìm những nơi đang tỏa sáng rực rỡ.
Trước hết, hãy cùng suy nghĩ về điểm kỳ dị của lỗ đen. Lỗ đen thông thường mà chúng ta dễ thấy nhất trong vũ trụ được hình thành khi một ngôi sao có khối lượng nặng gấp hàng chục lần Mặt Trời kết thúc quá trình tiến hóa và sụp đổ nhanh chóng cùng một lúc. Nhiều người nghĩ rằng phần cặn bã còn lại ở trung tâm sau khi ngôi sao nặng trải qua vụ nổ siêu tân tinh chính là lỗ đen, nhưng không phải vậy. Khi trung tâm của một ngôi sao đã kết thúc quá trình hợp hạch hạt nhân bị sụp đổ, các hạt năng lượng cao bao gồm cả neutrino bị bắn ra khắp nơi với tốc độ nhanh chóng. Tuy nhiên, một lượng năng lượng quá lớn phân tán ra xung quanh đã va chạm với các lớp vỏ sao đang cùng sụp đổ từ bên ngoài, cuối cùng các vật chất ở rìa sao cũng bị phản lực văng ra ngoài. Đây chính là vụ nổ siêu tân tinh mà chúng ta quan sát được.
Do đó, sau vụ nổ siêu tân tinh, thứ còn lại ở trung tâm thường là một sao neutron. Nếu khối lượng trung tâm của ngôi sao sụp đổ ngay từ đầu quá lớn, nó có thể đè bẹp cả sức mạnh của các hạt năng lượng cao thoát ra từ bên trong. Khi đó, không có bất kỳ vụ nổ nào xảy ra mà toàn bộ ngôi sao sụp đổ thẳng xuống một điểm. Đây chính là lỗ đen còn sót lại khi một ngôi sao chết đi.
Tóm lại, đúng hơn nên hiểu rằng tàn dư sau vụ nổ siêu tân tinh không phải là lỗ đen, mà một ngôi sao chết đi sẽ đi theo một trong hai ngã rẽ: hoặc là xảy ra vụ nổ siêu tân tinh, hoặc là sụp đổ thẳng thành lỗ đen mà không có vụ nổ nào.
Lỗ đen được tạo ra như vậy trên thực tế tập trung gần như toàn bộ khối lượng của ngôi sao đã sụp đổ vào một điểm. Theo thuyết tương đối của Einstein, không-thời gian bị uốn cong và bóp méo bởi khối lượng. Khối lượng càng lớn, không-thời gian càng bị bóp méo nhiều hơn. Và ở những nơi có trọng lực mạnh, tức là nơi không gian bị bóp méo mạnh hơn, thời gian sẽ trôi chậm hơn.
Vì trọng lực của lỗ đen quá mạnh, chúng ta có thể suy nghĩ đến những tình huống cực đoan. Ở một khoảng cách vừa đủ xa lỗ đen, vì mức độ bóp méo không-thời gian chưa lớn, nên nếu đạt được tốc độ đủ nhanh, ta có thể thoát ra ngoài an toàn mà không bị hút vào trong lỗ đen. Tuy nhiên, nếu tiếp cận quá gần lỗ đen thì rất nguy hiểm. Không-thời gian bị uốn cong quá sâu và dốc. Để thoát khỏi độ cong dốc đó, tốc độ phải nhanh hơn ánh sáng. Nói cách khác, ngay cả ánh sáng – thứ nhanh nhất trong vũ trụ – cũng không thể thoát khỏi trọng lực của lỗ đen.
Ranh giới gần nhất mà ta có thể tiến sát lỗ đen trước khi ánh sáng không thể thoát ra ngoài được gọi là chân trời sự kiện. Thuyết tương đối của Einstein từ lâu đã dự đoán về tình huống cực đoan này. Tuy nhiên, chính bản thân Einstein ban đầu lại không chấp nhận khái niệm lỗ đen – nơi mà ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát ra. Có thể nói rằng ngay cả Einstein cũng không thể dễ dàng chấp nhận những chân lý của vũ trụ mà toán học phơi bày.
Bây giờ, hãy tưởng tượng chúng ta thực hiện một chuyến du hành vượt qua chân trời sự kiện của lỗ đen để đi sâu vào trung tâm. Nếu con tàu vũ trụ vô cùng bền chắc không bị hư hại, chúng ta ngồi bên trong sẽ cảm nhận được sự thay đổi gì? Đáng ngạc nhiên là chúng ta sẽ không cảm thấy bất kỳ sự thay đổi nào. Dù là đang trôi dạt trong vũ trụ bình thường cách xa lỗ đen, hay lơ lửng ngay sát ranh giới chân trời sự kiện, thậm chí là vượt qua chân trời sự kiện để đi vào bên trong, thời gian đối với chúng ta vẫn trôi chảy như bình thường.
Chỉ là nếu có ai đó từ xa quan sát chúng ta tiếp cận chân trời sự kiện, họ sẽ nhìn thấy một hình ảnh hoàn toàn khác. Trong mắt họ, con tàu của chúng ta sẽ chậm dần, rồi đến khoảnh khắc chạm tới chân trời sự kiện, nó sẽ trông như bị đóng băng tại chỗ, thời gian như dừng lại vĩnh viễn. Đây chính là điểm kỳ lạ của thuyết tương đối. Dù tôi làm gì hay ở đâu, thời gian của bản thân tôi vẫn luôn trôi chảy mà không gặp vấn đề gì. Chỉ là thời gian của tôi khi nhìn từ quan điểm của một người quan sát khác sẽ trở nên khác biệt mà thôi.
Để dễ hiểu, hãy hạ thấp không-thời gian 3 chiều xuống mặt phẳng 2 chiều. Lỗ đen có thể coi là một cái hố đào sâu vô tận vào không-thời gian 2 chiều. Theo thời gian, lỗ đen tiếp tục đào cái hố không-thời gian này sâu và hẹp hơn nữa. Dù có vẻ như nó bị đào sâu vô tận, nhưng độ sâu của cái hố này không thực sự kéo dài đến vô hạn. Nó chỉ nhanh chóng lún sâu hơn khi thời gian trôi qua.
Ở đáy sâu nhất của cái hố đó, ngôi sao đã tự sụp đổ để tạo nên lỗ đen vẫn còn tồn tại! Thế nhưng, một ngôi sao đã kết thúc quá trình tiến hóa rõ ràng sẽ biến mất chỉ trong vài giây khi sụp đổ trong chớp mắt. Vậy làm thế nào mà lỗ đen có thể tồn tại trong thời gian dài hơn nhiều như vậy?
Chính tại đây, phép màu về thời gian của thuyết tương đối đã mở ra. Khoảng thời gian ngắn ngủi chỉ trôi qua ở thế giới mà chúng ta đang sống bên ngoài chân trời sự kiện. Đối với lỗ đen đang sống ở nơi sâu thẳm bên kia chân trời sự kiện, một khoảng thời gian dài hơn nhiều đã trôi qua. Tức là, điểm kỳ dị của lỗ đen không nằm ở trung tâm lỗ đen hiện tại, mà nó nằm ở thời điểm tương lai – nơi thời gian đã trôi qua nhiều hơn bây giờ!
Vậy liệu ngôi sao đã sụp đổ có thực sự sụp đổ mãi mãi không? Nhà vật lý người Ý Carlo Rovelli đã đưa ra một mô hình cho rằng không phải vậy. Ngôi sao bị sụp đổ tiếp tục nhỏ lại, và khi đạt đến quy mô nhỏ nhất có thể chấp nhận được về mặt cơ học lượng tử – cái gọi là thang đo Planck – nó có thể dừng sụp đổ. Nếu ngôi sao đang sụp đổ đột ngột dừng lại, điều gì sẽ xảy ra tiếp theo? Giống như một quả bóng rơi xuống đất rồi bật ngược trở lên, ngôi sao bị sụp đổ khi đạt đến giới hạn có thể nhanh chóng bật ngược trở lại. Trong thuyết tương đối tổng quát của Einstein, đây chỉ là quá trình tạo ra lỗ đen nhưng với chiều thời gian bị đảo ngược. Tức là, nếu quá trình hình thành lỗ đen diễn ra giống hệt, chỉ khác là dòng chảy thời gian ngược lại, chúng ta có thể tạo ra lỗ trắng một cách rất đơn giản.
Vậy thì làm thế nào mà tàn dư của ngôi sao ở sâu dưới hố không-thời gian đã sụp đổ đến thang đo Planck có thể ngay lập tức đảo ngược dòng thời gian để biến thành lỗ trắng? Ở đây, Rovelli vận dụng một hiện tượng rất phổ biến trong thế giới vi mô nơi cơ học lượng tử thống trị. Đó chính là hiệu ứng đường hầm lượng tử. Khi ở quy mô lượng tử rất nhỏ, mọi thực thể đều mang đặc tính của sóng mạnh mẽ hơn. Chúng thậm chí có thể xuyên qua tường và đi sang phía bên kia. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng đường hầm lượng tử.
Ngay cả bên trong những ngôi sao bình thường như Mặt Trời, trong quá trình các proton vốn chỉ đẩy nhau lại va chạm và kết hợp thành khối lớn hơn, hiệu ứng đường hầm lượng tử đã cho phép chúng vượt qua lực đẩy giữa cả hai để liên kết với nhau. Trong cùng mạch suy nghĩ đó, nếu ngôi sao bị sụp đổ trong hố lỗ đen trải qua hiệu ứng đường hầm lượng tử, nó có thể ngay lập tức tiến vào quá trình hình thành lỗ trắng, nơi dòng thời gian chảy ngược trở lại.
Nếu rơi vượt qua chân trời sự kiện của lỗ đen, ta sẽ rơi mãi vào trong hố sâu. Không thể thoát ra ngoài. Ngược lại, không ai có thể đi vào bên kia chân trời sự kiện của lỗ trắng. Vậy liệu có thể sử dụng sự khác biệt này để chứng minh sự tồn tại của lỗ trắng khác với lỗ đen thông qua quan sát không? Tức là, nếu nhìn từ bên ngoài vũ trụ chúng ta đang sống, hình ảnh của lỗ đen và lỗ trắng khác nhau như thế nào?
Thật đáng ngạc nhiên là chúng không có khác biệt gì! Thoạt nghe có vẻ lạ lùng. Hãy tưởng tượng có ai đó đang quan sát từ xa khi bạn tiếp cận chân trời sự kiện của lỗ đen và lỗ trắng. Bạn sẽ vượt qua chân trời sự kiện của lỗ đen một cách dễ dàng và rơi mãi vào trong. Ngược lại, trong trường hợp lỗ trắng, bạn không thể vượt qua chân trời sự kiện để đi vào trong. Cuối cùng, bạn sẽ bị dừng lại ngay tại ranh giới chân trời sự kiện của lỗ trắng.
Vậy chẳng phải sự khác biệt này cuối cùng sẽ lộ ra từ bên ngoài sao? Nhưng không phải vậy. Chẳng phải đã nói rằng xung quanh lỗ đen, thời gian chậm dần và cuối cùng dừng lại vĩnh viễn ở chân trời sự kiện hay sao! Kết quả là, dù là lỗ đen hay lỗ trắng, nếu nhìn từ xa một người đang tiếp cận ranh giới chân trời sự kiện, họ đều trông như bị đóng băng ngay tại ranh giới đó và dừng lại vĩnh viễn. Không có bất kỳ sự khác biệt nào cả!
Đây chính là điểm tinh tế của lỗ trắng. Bên trong chân trời sự kiện, các hiện tượng diễn ra ở lỗ đen và lỗ trắng chắc chắn là ngược nhau. Nhưng sự khác biệt giữa cả hai chỉ tồn tại bên trong chân trời sự kiện. Còn ở thế giới bên ngoài, không hề có sự khác biệt.
Vậy thì, liệu một lỗ đen sau khi sụp đổ, trải qua thang đo Planck và biến thành lỗ trắng thông qua hiệu ứng đường hầm lượng tử để bật ngược trở lại, có tồn tại mãi mãi cho đến khi vũ trụ diệt vong mà không biến mất không?
Có lẽ là không. Về sự kết thúc của lỗ đen, nhà vật lý Stephen Hawking đã dự đoán một cách chính xác. Tại ranh giới chân trời sự kiện của lỗ đen, năng lượng âm chảy vào lỗ đen khiến nó giải phóng các hạt ra xung quanh, một quá trình bay hơi gọi là bức xạ Hawking. Điều này tương tự như bức xạ nhiệt khi một vật thể tích tụ nhiệt độ tỏa ra nhiệt. Và dòng chảy của nhiệt chính là manh mối duy nhất cho thấy thời gian trong vũ trụ cuối cùng đang chảy theo một hướng. Bên trong chân trời sự kiện, việc ra đời lỗ trắng nơi thời gian trong phương trình của Einstein chảy ngược là khả thi, nhưng cuối cùng nhìn từ bên ngoài vũ trụ, lỗ đen cũng chỉ là nô lệ của thời gian khi nó chậm rãi bay hơi và khối lượng giảm dần.
Toàn bộ quá trình này đối với chúng ta ở ngoài chân trời sự kiện có vẻ như sẽ tốn rất nhiều thời gian. Nhưng bên trong chân trời sự kiện, tất cả diễn ra trong chớp mắt. Từ lúc toàn bộ ngôi sao sụp đổ, đi qua thang đo Planck cho đến khi trở thành lỗ trắng, chỉ một khoảnh khắc rất ngắn trôi qua. Nhưng trong khoảng thời gian đó, vũ trụ bên ngoài có thể đã trôi qua hàng tỷ năm. Rovelli đã nói như thế này:
“Sự bật ngược của sao Planck là con đường tắt dẫn đến tương lai. Ở bên ngoài, thời gian vô tận trôi qua chậm rãi, nhưng đó là con đường nơi ta có thể trốn tạm an toàn.”
Nếu chấp nhận giả thuyết này, ta có thể nghĩ đến một khả năng đáng kinh ngạc khác. Hãy thử nghĩ xem lỗ trắng được tạo ra sau một thời gian rất dài sẽ có hình dạng như thế nào. Cuối cùng, sao Planck đã mất đi phần lớn năng lượng và khối lượng thông qua bức xạ Hawking, nếu nhìn từ bên ngoài sẽ chỉ là một khối nhỏ giải phóng lượng năng lượng rất nhỏ. Đáng ngạc nhiên là bên trong nó có thể chứa đựng một thế giới bao la dường như kéo dài vô tận hướng về tương lai. Lỗ trắng đạt đến cuối đời sẽ chỉ còn lại khối lượng Planck, khối lượng nhỏ nhất có thể tồn tại về mặt vật lý. Vì kích thước chân trời sự kiện không thể ngắn hơn thang đo Planck, nên cuối cùng lỗ trắng chỉ có thể nhẹ đến mức khối lượng này. Nó chỉ bằng khối lượng của một sợi tóc.
Nếu ngay sau vụ nổ Big Bang, trong vũ trụ sơ khai, nhiều khối vật chất tối co lại cùng lúc và tạo ra vô số lỗ đen nguyên thủy thì sao? Và nếu hầu hết chúng dần dần giảm khối lượng cho đến hiện tại và chỉ còn lại là những lỗ trắng nhỏ xíu chỉ bằng một sợi tóc? Có lẽ những mảnh lỗ trắng nhỏ hơn 0,1g đang trôi nổi khắp nơi trong vũ trụ giống như những sợi lông mèo trắng bay đầy trong phòng tôi. Mặc dù khối lượng của một sợi lỗ trắng là quá nhỏ bé, dù nó quá nhỏ đến mức không thể nhìn thấy, nhưng nếu số lượng của chúng nhiều vô kể, có lẽ chúng chiếm một phần không nhỏ khối lượng toàn vũ trụ. Có khi nào, bản chất thực sự của vật chất tối mà chúng ta vẫn chưa nắm bắt chính xác lại chính là vô số mảnh lỗ trắng đang trôi nổi trong không gian vũ trụ hay không?
Tác giả Ji Woong-bae là ai? Anh yêu mèo và vũ trụ. Khi còn nhỏ, sau khi xem "Galaxy Express 999", anh đã nuôi giấc mơ truyền bá vẻ đẹp của vũ trụ. Hiện anh đang nghiên cứu sự tiến hóa thông qua tương tác giữa các thiên hà tại Trung tâm Nghiên cứu Tiến hóa Thiên hà và Phòng thí nghiệm Vũ trụ học tại Đại học Yonsei, đồng thời thực hiện nhiều hoạt động truyền thông khoa học như thuyết trình và viết lách. Anh đã viết các cuốn sách như "Đài thiên văn đang hẹn hò", "Suy nghĩ về vũ trụ cả ngày", "Sao, khoa học của ánh sáng".