Ảo vọng lỗ sâu đi qua được

Khó tìm được nhà vũ trụ học nào mà trí tưởng tượng không bị kích thích bởi lỗ sâu đi qua được (traversable wormhole).

Hai đối tượng kỳ diệu nhất và kích thích nhiều trí tưởng tượng nhất của Thuyết tương đối rộng là lỗ đen và lỗ sâu. Có điều đáng chú ý là trong khi người ta đã phát hiện ra lỗ đen thông qua việc ghi được sóng hấp dẫn từ va chạm của hai lỗ đen thì lỗ sâu đang còn là ảo vọng.

Đây thực sự là một vấn đề lý thú, về lý thuyết nó là những cánh cửa thông qua không thời gian có thể tạo ra những đường tắt cho những chuyến du hành khắp vũ trụ. Từ quan điểm khoa học, sự tồn tại lỗ sâu ảnh hưởng đến các vấn đề nhân quả (causality), cấu trúc hình học, topo của vũ trụ, hấp dẫn lượng tử và các điều kiện về năng lượng.

Chúng ta đã hình dung được phần nào về lỗ đen thông qua bức ảnh lỗ đen do Mạng lưới toàn cầu của Kính viễn vọng Chân trời sự kiện tạo ra cách đây hai năm. Trên thực tế là một bức ảnh chân trời sự cố – phần rìa đầy nguy hiểm của một lỗ đen – trên cái nền xoáy của ánh sáng. Vậy còn lỗ sâu? Chúng ta hãy tạm bằng lòng với hình tượng sau của lỗ sâu.

Lỗ sâu không qua được

Nói chung thì lỗ sâu là không đi qua được. Trong thuyết tương đối rộng, người ta chứng minh được điều kiện năng lượng điểm không (Null Energy condition NEC). Nó buộc rằng Tμνlμlν ≥ 0 đối với tất cả vector không (null vector) lμ.

Tensor Tμν lấy từ phương trình Einstein.

Điều kiện này làm cho tín hiệu từ miệng này không đến được miệng kia của lỗ sâu. Ngoài ra, lỗ sâu nói chúng không ổn định vì sẽ bị co sụp (collapse).

Lỗ sâu đi qua được

Nếu có lỗ sâu đi qua được thì đây là một điều kỳ diệu bậc nhất trong vũ trụ. Khi đó, tín hiệu hay các dạng vật chất khác có thể từ miệng này của lỗ sâu có thể thoát ra ngoài miệng kia. Hãy thử tưởng tượng, con người có thể dùng lỗ sâu đi qua được để tìm một con đường ngắn hơn nối liền hai vùng của một vũ trụ hoặc nối liền hai vũ trụ khác nhau. Điều này mở ra nhiều khả năng cho con người, ví dụ nhờ thế mà con người có thể khám phá (trong một thời đoạn tưởng tượng được trong khả năng của con người) vũ trụ chung quanh. Như thế, chúng ta có thể hiểu được thêm về kiến trúc của vũ trụ và xác định được vị trí con người trong vũ trụ, điều mà bấy lâu nay vẫn là dấu hỏi lớn với con người.

Nhưng vấn đề ở đây là làm thế nào để biến lỗ sâu thành đi qua được?

Một phương pháp hữu hiệu là sử dụng hiệu ứng Casimir. Năm 1948, nhà vật lý Hà Lan Hendrik Casimir đã tìm ra hiệu ứng này trong lý thuyết điện từ và tính được tensor năng lượng.

TμνCasimir

Tensor Casimir (ngoài cách sử dụng hai đĩa như trong phòng thí nghiệm) có thể thu được nhờ hiệu ứng topo Casimir. Nếu chúng ta có một không thời gian hai chiều (t,r). Ta biến không gian đó thành có chu kỳ (chu kỳ là L). Ta tính {0L|Tμν|0L}.

Trong đó {0L| là chân kkhông của thời gian có chu kỳ. Còn |0} là chân không Minkovski khi L tiến đến vô cực. Từ đó có thể tính được:

Nhờ hiệu ứng Casimir mà chúng ta có được năng lượng âm (dẫn đến áp suất âm) để bảo đảm được sự ổn định bền vững của lỗ sâu và loại được các đối tượng khác như kỳ dị hoặc chân trời sự cố và làm cho lỗ sâu trở nên không đi qua được (intraversable).

Hiệu ứng Casimir chứng tỏ rằng Lý thuyết trường lượng tử cho phép hiện tượng trong một vùng nào đó mật độ năng lượng có thể âm so với năng lượng chân không của vật chất thường. Nhiều nhà vật lý như Stephen Hawking hay Kip Thorn chứng minh rằng những hiệu ứng như vậy có khả năng làm ổn định lỗ sâu (stabilize), tránh sự co sụp.

Hiện nay lỗ sâu đi qua được (traversable wormhole) đang còn là một ảo vọng và đang được tập trung nghiên cứu (Maldacena đã cùng đồng nghiệp nghiên cứu lỗ sâu đi qua được không chỉ bằng các đối tượng vi mô mà còn cho cả con người).

Sự phát hiện hoặc xây dựng nhân tạo được các lỗ sâu đi qua được có thể mở ra trang sử mới cho vũ trụ học. Con người có nhiều khả năng hơn để nắm bắt được kiến trúc vũ trụ chung quanh mình, thậm chí có thể đi lùi về quá khứ kiểm tra nghịch lý “ông nội” (Một người đi lùi về quá khứ và giết ông nội của mình thì người đó có thể tiếp tục tồn tại hay không?).

Nhưng trên hết, vấn đề lỗ sâu đi qua được có ảnh hưởng không những đến vấn đề du hành của con người trong vũ trụ mà còn ảnh hưởng đến vấn đề xây dựng lượng tử hấp dẫn (hiệu ứng Casimir là hiệu ứng lượng tử).

Tài liệu tham khảo

[1]Theodora Nikolakopoulou, Building traversable wormholes from Casimir energy and non-local couplings

[2] Juan Maldacena &Alexey Milekhin ,Humanly traversable wormholes, PhysRevD ,2021.