Những điều bí ẩn còn lại của các lỗ đen
Ngay cả với những phát triển đầy ấn tượng đó, vẫn còn hai điều bí ẩn bao quanh các lỗ đen. Điều thứ nhất có liên quan với tác động của các lỗ đen đến khái niệm quyết định luận. Vào đầu thế kỷ XIX, nhà toán học người Pháp Pierre - Simon de Laplace phát biểu một hệ quả chặt chẽ và có tầm quan trọng lớn nhất, được suy ta từ các định luật chuyển động của Newton, về guồng máy của vũ trụ:
“Một trí tuệ, mà ở thời điểm đã cho, có khả năng hiểu được tất cả các sinh lực làm sống động tự nhiên và tình huống cả tất cả mọi sinh vật tạo nên tự nhiên đó, hơn thế nữa, trí tuệ đó còn đủ quảng bác để có thể phân tích các dữ liệu, thì nó sẽ có thể thâu tóm được, trong một công thức, những chuyển động của các vật lớn nhất trong vũ trụ và cả những vật nhỏ bé nhất như các nguyên tử. Đối với một trí tuệ như vậy, không tồn tại một thứ gì là bất định và tương lai cũng như quá khứ đều được mở ra trước mắt nó” [1]
Theo những lời đó, nếu như ở một thời điểm nào đấy, bạn biết được vị trí và vận tốc của mọi hạt trong vũ trụ, thì bạn có thể dùng các định luật chuyển động của Newton để xác định được, ít nhất là về nguyên tắc, các vị trí và vận tộc của chúng ở bất kỳ thời điểm nào trước đó hoặc trong tương lai. Theo quan điểm đó, mọi sự kiện, từ sự tạo thành Mặt trời cho tới sự đóng đinh câu rút của chúa Giêsu, tới chuyển động của mắt bạn qua những hàng chữ này, nhất nhất đều có thể suy ra từ vị trí và vận tốc chính xác của mọi hạt của vũ trụ ngay sau Big Bang. Quan điểm cứng nhắc đó về sự tiến triển của vũ trụ đã làm nảy sinh rất nhiều quan điểm triết học khá phức tạp xung quanh vấn đề về ý chí tự do, nhưng tác động của nó đã suy giảm đi rất nhiều với sự ra đời của cơ học lượng tử. Nguyên lý bất định của Heisenberg đã đánh nốc ao quyết định luận của Laplace, vì chúng ta về cơ bản không thể biết được vị trí và vận tốc chính xác của tất cả mọi thành phần của vũ trụ. Trái lại, các tính chất cổ điển đó được thay bằng các hàm sóng chỉ cho ta biết xác suất để một hạt đã cho ở nơi này hay nơi khác hoặc có vận tốc này hay vận tốc khác.
Tuy nhiên, sự thất bại của quan điểm Laplace chưa làm cho khái niệm quyết định luận sụp đổ hoàn toàn. Các hàm sóng - tức là sóng xác suất của cơ học lượng tử - vẫn tiến triển theo thời gian theo những quy tắc toán học rất chính xác, như phương trình Schrodinger, chẳng hạn (hay chính xác hơn là các phương trình tương đối tính của Dirac và Klein - Gordon). Điều này có nghĩa là quyết định luận lượng tử đã thay thế cho quyết định luận cổ điển của Laplace. Sự hiểu biết về hàm sóng của tất cả mọi thành phần của vũ trụ ở một thời điểm nào đó, cho phép mọi trí tuệ đủ quảng bác xác định được các hàm sóng ở bất cứ thời điểm nào trước đó hoặc trong tương lai. Quyết định luận lượng tử nói với chúng ta rằng, xác suất để một sự kiện cụ thể nào đó xảy ra ở một thời điểm đã chọn nào đó trong tương lai là hoàn toàn được xác định bởi hiểu biết về các hàm sóng ở thời điểm bất kỳ trước đó. Khía cạnh xác suất của cơ học lượng tử đã làm cho quyết định luận của Laplace mềm đi rất nhiều bằng cách chuyển dịch sự không tránh khỏi của các kết cục thành xác suất xảy ra của các kết cục, nhưng những xác suất đó vẫn được xác định hoàn toàn trong khuôn khổ thông thường của lý thuyết lượng tử.
Năm 1976, Hawking tuyên bố rằng ngay cả dạng mềm đó của quyết định luận cũng vẫn bị vi phạm bởi sự hiện diện của các lỗ đen. Lại một lần nữa những tính toán phía sau tuyên bố đó hết sức đồ sộ, nhưng ý tưởng chủ yếu thì cũng khá đơn giản. Khi một vật nào đó rơi vào lỗ đen, hàm sóng của nó cũng bị hút vào theo. Nhưng điều này có nghĩa là, trong nhiệm vụ xác định hàm sóng tại mọi thời điểm trong tương lai, “trí tuệ đủ quảng bác” của chúng ta sẽ bị lừa gạt một cách không thể cứu vãn nổi. Để tiên đoán toàn bộ tương lai, chúng ta cần biết đầy đủ tất cả các hàm sóng của ngày hôm nay. Nhưng nếu như một số hàm sóng bị biến mất trong vực thẳm của lỗ đen, thì thông tin mà các hàm sóng đó mang theo cũng sẽ bị mất.
Thoạt nhìn, người ta nghĩ rằng sự rắc rối do các lỗ đen gây ra này không đáng phải bận tâm. Vì mọi thứ nằm trong chân trời sự kiện của một lỗ đen đều bị cắt đứt khỏi phần còn lại của vũ trụ, vậy thì lẽ nào ta không thể quên đi những thứ đã không may bị rơi vào đó? Hơn nữa, về mặt triết học mà nói, lẽ nào ta không thể tự nhủ rằng, vũ trụ không hề mất thông tin được mang bởi vật đã bị rơi vào lỗ đen; đơn giản là thông tin đó bị khóa trong một vùng không gian mà những sinh vật có lý trí như chúng ta đã chọn để tránh xa bằng mọi giá? Trước khi Hawking phát hiện ra rằng các lỗ đen không hoàn toàn là đen, thì câu trả lời là có thể. Nhưng khi Hawking thông báo với thế giới rằng, các lỗ đen bức xạ, thì mọi chuyện đã thay đổi. Do bức xạ mang theo năng lượng, mà các lỗ đen bức xạ, nên khối lượng của nó sẽ giảm dần, tức là nó sẽ bay hơi dần. Và một khi điều đó xảy ra, thì khoảng cách từ tâm lỗ đen đến chân trời sự kiện của nó sẽ co dần lại, do đó vùng không gian trước kia bị cắt đứt đi này sẽ hồi dần trở lại với vũ trụ. Và bây giờ những tư biện triết học của chúng ta sẽ phải đối mặt với thực tế sau: thông tin chứa trong các vật bị rơi vào lỗ đen - tức dữ liệu mà chúng ta hình dung tồn tại trong lỗ đen - liệu có xuất hiện trở lại khi lỗ đen bay hơi hay không? Đây là thông tin đòi hỏi để cho quyết định luận lượng tử không bị vi phạm và như vậy câu hỏi này dẫn thẳng tới câu hỏi liệu các lỗ đen có tiêm nhiễm cho sự tiến hóa của vũ trụ chúng ta bằng một yếu tố ngẫu nhiên, thậm chí còn cơ bản hơn nữa hay không.
Khi chúng tôi đang viết các dòng này, thì các nhà vật lý còn chưa nhất trí về câu trả lời cho câu hỏi đó. Trong nhiều năm, Hawking đã tuyên bố rất mạnh mẽ rằng thông tin đã mất sẽ không xuất hiện trở lại: theo ông các lỗ đen đã phá hủy những thông tin ấy và do đó “đưa vào vật lý một cấp độ bất định mới, ngoài sự bất định thông thường gắn liền với cơ học lượng tử” [2]. Thực tế, Hawking cùng với Kip Thorne thuộc Học viện công nghệ California đã đánh cuộc với John Preskill cũng thuộc Học viện đó về điều gì sẽ xảy ra đối với thông tin đã bị bắt giữ bởi một lỗ đen: Hawking và Thorne cuộc rằng thông tin này sẽ vĩnh viễn bị mất, còn Preskill giữ quan điểm ngược lại, tức là cuộc rằng thông tin sẽ xuất hiện trở lại, khi lỗ đen bức xạ và co bé lại. Họ cược nhau cái gì? Cũng chính là thông tin thôi: “Người thua sẽ phải mất cho người thắng một bộ bách khoa thư do người thắng chọn”.
Cuộc đánh cược này cho tới nay vẫn chưa ngã ngũ, nhưng mới đây Hawking đã thừa nhận rằng, những hiểu biết mới tìm ra về lỗ đen của lý thuyết dây như vừa được thảo luận ở trên, chứng tỏ rằng có thể có một cách cho phép các thông tin xuất hiện trở lại. Ý tưởng mới này là đối với các loại lỗ đen đã được Strominger và Vafa cũng như nhiều nhà vật lý khác nghiên cứu từ khi xuất hiện bài báo ban đầu của họ, thông tin có thể được lưu trữ và phục hồi từ những thành phần brane tạo nên lỗ đen. Khả năng này, theo Strominger, “đã dẫn một số nhà lý thuyết dây tới ý muốn tuyên bố rằng thông tin sẽ được khôi phục khi lỗ đen bay hơi. Theo ý tôi, kết luận này có lẽ hơi sớm; vẫn còn nhiều việc phải làm mới có thể khẳng định được điều đó có đúng hay không” [3]. Vafa cũng đồng ý như thế, nhưng ông còn nói thêm rằng: “Ông hoàn toàn mù tịt về vấn đề này - nó vẫn có thể xảy ra theo một chiều hướng khác” [4]. Việc trả lời câu hỏi này là một mục tiêu trung tâm của sự nghiên cứu hiện nay. Như Hawking đã bình luận:
“Đa số các nhà vật lý đều muốn tin rằng thông tin không bị mất đi, vì điều đó đã làm cho thế giới của chúng ta an toàn hơn và còn có thể tiên đoán được. Nhưng tôi thì tôi tin rừng, nếu ta nghiên cứu thuyết tương đối rộng một cách thật nghiêm túc, thì ta cần phải chấp nhận khả năng không - thời gian tự thắt lại và thông tin sẽ bị mất trong các nếp gấp đó. Vấn đề xác định thông tin có thực sự bị mất hay không là một trong số những vấn đề chủ yếu của vật lý lý thuyết hiện đại” [5].
Bí ẩn thứ hai của lỗ đen hiện vẫn còn chưa giải đáp được có liên quan tới bản chất của không - thời gian ở tâm điểm của lỗ đen [6]. Việc áp dụng trực tiếp thuyết tương đối rộng, khởi đầu từ những công trình của Schwarzaschild từ năm 1916, chứng tỏ rằng khối lượng và năng lượng cực lớn bị dồn nén tại tâm lỗ đen làm cho cấu trúc của không - thời gian bị biến dạng dữ dội dẫn tới trạng thái có độ cong vô hạn - tức là bị đục thủng bởi một kỳ dị không - thời gian. Từ đó các nhà vật lý đã rút ra một kết luận rằng, vì tất cả vật chất qua chân trời sự kiện đều không tránh khỏi bị hút tới tâm của lỗ đen và cũng vì vật chất đó không có một tương lai nào, nên thời gian cũng kết thúc ở tâm lỗ đen. Một số nhà vật lý khác, những người đã nhiều năm dùng các phương trình Einstein để nghiên cứu lõi của lỗ đen, còn đưa ra một khả năng táo bạo hơn cho rằng, lỗ đen có thể tạo thành một cổng đi ra một vũ trụ khác - vũ trụ này gắn một cách mỏng manh với vũ trụ chúng ta chỉ ở tâm của lỗ đen. Nói một cách nôm na, chỗ mà thời gian trong vũ trụ chúng ta kết thúc cũng là chỗ bắt đầu thời gian của một vũ trụ khác.
Chúng ta sẽ đề cập tới những hệ quả của khả năng đáng kinh ngạc đó trong chương sau, còn bây giờ chúng tôi muốn nhấn mạnh một điểm quan trọng [7]. Chắc bạn còn nhớ một bài học chủ chốt: những giá trị cực hạn của khối lượng lớn và kích thước nhỏ, dẫn tới mật độ cao không thể tưởng tưởng nổi, sẽ làm vô hiệu hóa việc chỉ dùng lý thuyết cổ điển của Einstein và đòi hỏi phải có sự can thiệp của cơ học lượng tử. Điều đó dẫn chúng ta tới câu hỏi: vậy thì lý thuyết dây có thể nói gì về sự kỳ dị của không - thời gian ở tâm lỗ đen? Đây là một đề tài hiện đang được nghiên cứu rất mạnh mẽ, nhưng cũng như với câu hỏi về sự mất thông tin, nó vẫn chưa được giải đáp. Lý thuyết dây đã xử lý tuyệt vời đối với nhiều kỳ dị khác - như sự biến dạng và xé rách không gian đã được thảo luận ở chương 11 và ở đầu chương này [8]. Nhưng nếu như bạn đã thấy một kỳ dị, thì bạn lại chưa thấy được tất cả những kỳ dị. Cấu trúc của vũ trụ chúng ta có thể bị biến dạng, bị đục thủng và bị xé rách theo nhiều cách khác nhau. Lý thuyết dây đã cho chúng ta sự hiểu biết sâu sắc về một số kỳ dị đó, nhưng những kỳ dị khác, như kỳ dị của lỗ đen, chẳng hạn, thì vẫn còn lảng tránh ở ngoài tâm của lý thuyết dây. Lý do chủ yếu của điều đó, lại một lần nữa gắn liền với những công cụ của lý thuyết nhiễu loạn trong lý thuyết dây và chính những phép gần đúng này đã làm lu mờ khả năng phân tích đáng tin cậy và đầy đủ những cái xảy ra ở sâu bên trong lỗ đen.
Tuy nhiên, căn cứ vào những tiến bộ to lớn gần đây trong các phương pháp phi nhiễu loạn và những áp dụng thành công của các phương pháp đó cho những khía cạnh khác của lỗ đen, các nhà lý thuyết dây rất hy vọng rằng, sẽ không còn lâu nữa, những bí ẩn ở tâm lỗ đen sẽ được làm sáng tỏ.
[1] Phỏng vấn Sheldon Glashow, ngày 29 tháng 12 năm 1997.
[2] Stephen Hawking, trong cuốn The Nature of Space and Time của Hawking và Penrose (Princeton: Prionxceton University, 1995), trang 41.
[3] Stephen Hawking, Bài giảng tại Hội nghị Asterdam về Hấp dẫn, Lỗ đen và Dây ngày 21 tháng 6 năm 1996.
[4] Phỏng vấn Andrew Strominger, ngày 29 tháng 12 năm 1997.
[5] Phỏng vấn Cumrun Vafa, ngày 12 tháng 1 năm 1998.
[6] Stephen Hawking, trong cuốn The Nature of Space and Time của Hawking và Penrose (Princeton: Prionxceton University, 1995), trang 41.
[7] Vấn đề này cũng có liên quan nhất định với vấn đề mất thông tin: trong nhiều năm các nhà vật lý đã đưa ra giả thuyết rằng có thể có một “cục” trung tâm nằm sâu trong lỗ đen ở đó lưu trữ tất cả thông tin mang bởi vật chất bị bẫy vào trong chân trời của lỗ đen.
[8] Thực tế, dịch chuyển conifold làm rách không gian được thảo luận trong chương này có liên quan tới các lỗ đen và do đó dường như có quan hệ mật thiết với các điểm kỳ dị của lỗ đen. Nhưng nên nhớ rằng sự xé rách không gian trong dịch chuyển conifold xảy ra chỉ khi lỗ đen đã mất hết khối lượng của nó và do đó không có quan hệ trực tiếp với các điểm kỳ dị của lỗ đen.
còn nữa
Cuốn Giai điệu dây và bản giao hưởng vũ trụ của tác giả Brian Greene, do Phạm Văn Thiều dịch. Nhà xuất bản Trẻ ấn hành năm 2003.