Chuyện những đường chân trời (Kỳ 1)

Các lỗ đen và vũ trụ của chúng ta có những đường biên đồng. Hệ quả là những bài học mới từ phía bên này lại có thể nói được với chúng ta về phía bên kia.

Vũ trụ bắt nguồn từ đâu? Vũ trụ sẽ hướng tới đâu? Để trả lời những câu hỏi này, ta cần hiểu vật lý ở hai thang kích thước hoàn toàn khác nhau: thang vũ trụ, ở địa hạt của những siêu cụm thiên hà, hay toàn thể vũ trụ, và thang lượng tử, thế giới phản trực giác của những nguyên tử và hạt nhân.  

Vũ trụ học cổ điển vừa vặn cho hầu hết những gì ta muốn biết về vũ trụ. Nó chịu sự chi phối của lực hấp dẫn mà các phương trình trường của Einstein quy định, vốn không liên quan gì đến các hạt nhân và nguyên tử. Nhưng có những thời khắc đặc biệt trong vòng đời của vũ trụ – như thời kỳ sơ khai, khi toàn thể vũ trụ chỉ có kích thước của một nguyên tử – mà nếu không quan tâm đến vật lý vi mô thì ta sẽ không hiểu được gì cả. Để hiểu những kỷ nguyên này, ta cần có một lý thuyết lượng tử cho lực hấp dẫn, cái có thể mô tả cả những electron chuyển động quanh một nguyên tử và Trái đất di chuyển quanh Mặt trời. Mục tiêu của vũ trụ học lượng tử là tìm ra và áp dụng một lý thuyết hấp dẫn lượng tử cho toàn thể vũ trụ. 

Vũ trụ học lượng tử không dành cho những người thiếu can đảm. Nó là vùng Viễn Tây của vật lý lý thuyết, chẳng có gì nhiều hơn ngoài một số quan sát và manh mối để giúp ta. Phạm vi rộng lớn và phức tạp của nó đã vang vọng như tiếng chuông thần thoại thu hút sự chú ý của các nhà vật lý trẻ và tham vọng, để rồi họ lại thấy mình thất bại. Nhưng có một cảm giác rất rõ rằng lần này chuyện sẽ khác và rằng những đột phá gần đây trong vật lý học lỗ đen – chuyên ngành đòi hỏi hiểu biết về một hệ thống mà cơ học lượng tử và hấp dẫn quan trọng như nhau – có thể giúp chúng ta rút ra một số đáp án trong vũ trụ học lượng tử. Niềm lạc quan mới mẻ này hiển hiện trong một hội thảo vật lý trực tuyến mà tôi tham dự, ở đó có một phiên thảo luận chuyên biệt về sự giao thoa giữa hai ngành. Tôi đã cho rằng sự kiện này chẳng có mấy người tham gia, nhưng thật ra rất nhiều ngôi sao sáng trong ngành vật lý đã ở đó, ngập tràn các ý tưởng và sẵn sàng nghiên cứu. 

Chỉ dấu đầu tiên cho một mối liên hệ giữa các lỗ đen và toàn thể vũ trụ của chúng ta đó là cả hai đều thể hiện “chân trời sự kiện” – những điểm mà ta không thể quay trở lại và nếu vượt qua, ta sẽ bị mất liên lạc mãi mãi.

Chân trời sự kiện 

Chỉ dấu đầu tiên cho một mối liên hệ giữa các lỗ đen và toàn thể vũ trụ của chúng ta đó là cả hai đều thể hiện “chân trời sự kiện” – những điểm mà ta không thể quay trở lại và nếu vượt qua, ta sẽ bị mất liên lạc mãi mãi. Một lỗ đen có lực hấp dẫn mạnh tới mức ở một số điểm ngay cả ánh sáng – thứ có vận tốc nhanh nhất trong vũ trụ – cũng không thể thoát ra. Bởi vậy đường biên nơi ánh sáng bị giam giữ là một chân trời sự kiện hình cầu có tâm là tâm của lỗ đen. 

Vũ trụ của chúng ta cũng có một chân trời sự kiện – một kết quả được xác nhận bằng một khám phá sửng sốt và bất ngờ vào năm 1998 rằng không chỉ không gian đang giãn nở, mà sự giãn nở của nó cũng đang tăng tốc. Thứ gây ra sự tăng tốc này, cho dù là gì, cũng được gọi tên là năng lượng tối. Sự tăng tốc này cũng giam giữ ánh sáng như lỗ đen đã làm: khi vũ trụ giãn nở, các vùng không gian đẩy nhau quá mạnh đến nỗi tới một thời điểm nào đó thậm chí ánh sáng cũng không thể vượt qua sự chia tách này. Tình thế phân cách này dẫn đến một chân trời sự kiện vũ trụ hình cầu bao quanh chúng ta, khiến mọi thứ ở xa hơn một khoảng nhất định nằm trong tăm tối. Tuy vậy, có một khác biệt quan trọng giữa chân trời sự kiện của vũ trụ và của lỗ đen. Trong trường hợp của lỗ đen, không thời gian bị suy sụp thành một điểm đơn lẻ – điểm kỳ dị. Trong trường hợp vũ trụ, nhìn chung, toàn thể không gian giãn nở đều, như bề mặt của một quả bóng bay được thổi lên. Điều này có nghĩa rằng các tạo vật ở những thiên hà xa xôi sẽ có những chân trời sự kiện hình cầu riêng biệt của họ, bao quanh họ thay vì chúng ta. Chân trời sự kiện của chúng ta hiện nay đang cách ta 16 tỉ năm ánh sáng. Chừng nào sự giãn nở này còn tiếp diễn, bất cứ ánh sáng nào được phát ra ngày nay nằm ngoài khoảng cách đó sẽ không bao giờ đến được chúng ta. (Các nhà vũ trụ học cũng nói về một chân trời hạt, cũng thường bị gọi nhầm là chân trời vũ trụ. Nó đề cập đến khoảng cách vượt quá khoảng cách mà ánh sáng được phát ra từ thời vũ trụ còn sơ khai vẫn chưa đến được với chúng ta trên Trái đất. Trong câu chuyện của mình, chúng ta sẽ chỉ bàn đến chân trời sự kiện vũ trụ, mà ta cũng sẽ gọi rút gọn là chân trời vũ trụ. Với những vụ trụ đang tăng tốc như vũ trụ của chúng ta thì nó là độc nhất).

Stephen Hawking và Gerard‘t Hooft của Đại học Utrecht.

Những điểm tương đồng giữa các lỗ đen và vũ trụ của chúng ta không dừng ở đó. Năm 1974, Stephen Hawking đã chỉ ra rằng các lỗ đen không hoàn toàn đen: theo cơ học lượng tử, chúng có nhiệt độ và bởi vậy sẽ phát xạ vật chất và nhiệt, như các hệ nhiệt thông thường. Phát xạ này, được gọi là phát xạ Hawking, là cái đã khiến cho các lỗ đen cuối cùng cũng bốc hơi mất tăm. Hóa ra các chân trời vũ trụ cũng có một nhiệt độ và phát xạ vật chất và bức xạ vì một hiệu ứng tương tự. Nhưng bởi các chân trời vũ trụ bao quanh ta và bức xạ rơi vào bên trong, chúng tự hấp thụ phát xạ của mình và bởi vậy không bốc hơi đi như lỗ đen. 

Khám phá của Hawking đã đặt ra một vấn đề quan trọng: nếu các lỗ đen có thể biến mất, nên thông tin chứa trong chúng cũng có thể tan biến – điều này đi ngược với các nguyên lý của cơ học lượng tử. Vấn đề này có tên là nghịch lý thông tin lỗ đen, và nó là một câu đố sâu sắc, khiến cho công cuộc kết hợp cơ học lượng tử và lực hấp dẫn trở nên phức tạp hơn. Tới năm 2019, các nhà khoa học đã đạt được một tiến triển vượt bậc.  Nhờ sự kết hợp của những tiến bộ về mặt khái niệm và kỹ thuật, các nhà vật lý lập luận rằng có thể tiếp cận thông tin bên trong một lỗ đen từ bức xạ Hawking đi ra khỏi lỗ đen. 

Các chân trời vũ trụ cũng có một nhiệt độ và phát xạ vật chất và bức xạ vì một hiệu ứng tương tự. Nhưng bởi các chân trời vũ trụ bao quanh ta và bức xạ rơi vào bên trong, chúng tự hấp thụ phát xạ của mình và bởi vậy không bốc hơi đi như lỗ đen.

Khám phá này đã tiếp sinh khí cho những người nghiên cứu vũ trụ học lượng tử. Bởi những điểm tương tự về mặt toán học giữa các lỗ đen và chân trời vũ trụ, nhiều người trong số chúng ta đã từ lâu đã tin rằng ta không thể hiểu đối tượng thứ hai nếu không hiểu đối tượng đầu tiên. Việc tìm được các lỗ đen đã trở thành một mục khởi động – một trong những mục khó nhất mọi thời đại. Ta chưa hoàn toàn giải quyết được bài toán khởi động này, nhưng giờ đây ta có một bộ công cụ kỹ thuật mới cung cấp những cái nhìn sâu sắc đẹp đẽ vào sự tương tác giữa lực hấp dẫn và cơ học lượng tử trong các chân trời sự kiện của lỗ đen. 

Entropy và nguyên lý toàn ảnh 

Tiến bộ hiện thời về nghịch lý thông tin lỗ đen đã phần nào phát triển từ một ý tưởng có tên là nguyên lý toàn ảnh, được Gerard‘t Hooft ở Đại học Utrecht, Hà Lan và Leonard Susskind ở Đại học Stanford đề xuất vào những năm 1990. Nguyên lý toàn ảnh khẳng định rằng một lý thuyết hấp dẫn lượng tử có thể mô tả lỗ đen cần được tạo lập trong không gian hai chiều, như một mảnh giấy phẳng, chứ không phải trong không gian ba chiều thông thường mà tất cả các lý thuyết vật lý khác sử dụng. Luận điểm chính cho cách tiếp cận này khá đơn giản: lỗ đen thì có entropy – một thước đo xem bạn có thể nhồi bao nhiêu thứ vào lỗ đen – tỉ lệ với diện tích hai chiều của chân trời sự kiện. 

Hãy so sánh điều này với entropy của một hệ nhiệt thông thường – ví dụ như khí trong một chiếc hộp. Trong trường hợp này entropy tỉ lệ với thể tích ba chiều của hộp, không phải diện tích. Chuyện này thật tự nhiên: bạn có thể gắn cho mỗi điểm bên trong hộp một vật nào đó, và bởi vậy nếu thể tích tăng thì entropy cũng tăng. Nhưng vì không gian bên trong lỗ đen bị uốn cong, thực ra bạn có thể tăng thể tích mà không làm ảnh hưởng đến diện tích của chân trời sự kiện, và việc này không ảnh hưởng đến entropy! Tuy nghe có vẻ thật ngây thơ khi bạn có ba chiều không gian để nhét vật chất vào, công thức entropy của lỗ đen cho bạn biết rằng bạn chỉ có hai chiều không gian, phù hợp với diện tích. Vậy nên nguyên lý toàn ảnh phát biểu rằng, vì sự hiện diện của các lỗ đen, hấp dẫn lượng tử nên được tạo lập như một hệ lượng tử phi hấp dẫn thông thường ít chiều hơn. Chí ít thì các entropy sẽ khớp. 

Về mặt triết học, ý tưởng rằng không gian có lẽ không chỉ có ba chiều khá hấp dẫn. Chí ít một chiều của nó có thể là một hiện tượng đột sinh từ bản chất sâu xa hơn thay vì bị gắn chặt hiển nhiên vào các định luật cơ bản. Giờ đây, các nhà vật lý nghiên cứu không gian hiểu rằng nó có thể đột sinh từ một bộ lớn những thành phần đơn giản, tương tự như những hiện tượng đột sinh khác như nhận thức, thứ dường như nảy sinh từ các neuron cơ bản và các hệ sinh học khác. 

Một trong những khía cạnh thú vị nhất của tiến triển trong nghịch lý thông tin lỗ đen đó là nó hướng đến một hiểu biết chung về nguyên lý toàn ảnh, thứ trước đó chỉ được hiểu tường minh trong những bối cảnh rất khác với vũ trụ thực của ta.

Một trong những khía cạnh thú vị nhất của tiến triển trong nghịch lý thông tin lỗ đen đó là nó hướng đến một hiểu biết chung về nguyên lý toàn ảnh, thứ trước đó chỉ được hiểu tường minh trong những bối cảnh rất khác với vũ trụ thực của ta. Tuy nhiên, trong những tính toán từ năm 2019, cách thông tin bên trong lỗ đen được mã hóa trong bức xạ Hawking thì tương đương toán học với cách hệ thống hấp dẫn được mã hóa trong một hệ phi hấp dẫn chiều thấp hơn, dựa trên nguyên lý toàn ảnh. Và những kỹ thuật này có thể được sử dụng trong những tình huống giống vũ trụ của chúng ta, dẫn tới một đường lối tiềm năng để hiểu nguyên lý toàn ảnh trong thế giới thực. Một thực tế đáng chú ý về các chân trời vũ trụ đó là chúng cũng có một entropy, được cho bởi chính công thức mà chúng ta sử dụng cho các lỗ đen. Giải thích vật lý cho entropy này thì kém tường minh hơn rất nhiều, và nhiều người trong số chúng ta hy vọng rằng việc áp dụng những kỹ thuật mới cho vũ trụ của chúng ta sẽ soi rọi cho bí ẩn này. Nếu entropy được dùng để đo lượng vật chất bạn có thể nhồi nhét vào phía bên kia đường chân trời, như với lỗ đen, thì ta sẽ có thể có một giới hạn rõ ràng cho lượng vật chất có thể có trong vũ trụ của ta.□

Edgar Shaghoulian

Hoàng Lam dịch. Trần Ngọc Hùng, ĐH Phenikaa hiệu đính

Nguồn: “A tale of two Horizons”. Scientific American. 2023

Tác giả