Chuyện những đường chân trời (Kỳ 2)

Tìm ra và áp dụng một lý thuyết hấp dẫn lượng tử cho toàn thể vũ trụ là một nhiệm vụ đầy thách thức và hấp dẫn. Vùng viễn Tây của vật lý lý thuyết này không dành cho những người thiếu can đảm.

Nhóm hợp tác Chân trời sự kiện nắm bắt được những bức hình về lỗ đen.

Bất chấp việc Stephen Hawking, Gerard‘t Hooft và Leonard Susskind đã để lại dấu chân trên địa hạt này, chúng ta vẫn chưa đi được xa hơn chân trời sự kiện.

NHỮNG NGƯỜI QUAN SÁT TỪ BÊN NGOÀI 

Tiến triển gần đây về nghịch lý thông tin lỗ đen đề xuất nếu ta thu thập tất cả các bức xạ từ một lỗ đen khi nó bốc hơi, ta có thể tiếp cận thông tin đã đi vào trong lỗ đen. Một trong những câu hỏi mang tính khái niệm quan trọng nhất trong vũ trụ học đó là liệu ta có thể làm như thế với chân trời sự kiện vũ trụ. Ta nghĩ rằng chúng phát xạ như các lỗ đen, nên ta có thể tiếp cận những thứ bên ngoài chân trời sự kiện vũ trụ bằng cách thu thập những gì nó phát xạ? Hay có cách nào để vươn khỏi chân trời vũ trụ không? Nếu không thì phần lớn vũ trụ mênh mông phong phú của chúng ta sẽ biến mất mãi mãi. Đây là hình ảnh mơ hồ về tương lai của ta – chúng ta sẽ bị bỏ lại trong tăm tối. 

Hầu hết những nỗ lực nhằm giải quyết câu hỏi này đều đòi hỏi các nhà vật lý phải vờ tách mình ra khỏi vũ trụ đang tăng tốc và hình dung mình đang quan sát nó từ bên ngoài. Đây là một giả định được đơn giản hóa quan trọng, và nó rất gần với việc mô phỏng một lỗ đen, nơi chúng ta có thể hoàn toàn tách người quan sát khỏi hệ thống bằng cách đặt người quan sát ở rất xa. Nhưng dường như không thể thoát khỏi chân trời vũ trụ; nó bao quanh chúng ta và nó di chuyển khi chúng ta di chuyển, khiến vấn đề này trở nên khó hơn. Nhưng nếu muốn áp dụng những công cụ mới từ nghiên cứu về các lỗ đen vào vũ trụ học, ta phải tìm được cách quan sát chân trời vũ trụ từ bên ngoài. 

Có một số cách để xây dựng góc nhìn từ bên ngoài. Một trong những cách đơn giản nhất là giả định một vũ trụ phụ trợ ảo vướng víu lượng tử với vũ trụ của chúng ta và xét xem liệu một người quan sát ở vũ trụ phụ trợ có thể tiếp cận thông tin trong vũ trụ của chúng ta, vốn nằm bên ngoài đường chân trời của người quan sát, hay không. Trong công trình tôi thực hiện với Thomas Hartman và Yikun Jiang, Đại học Cornell, chúng tôi đã xây dựng các ví dụ về các vũ trụ phụ trợ cùng những kịch bản khác và chỉ ra rằng người quan sát có thể tiếp cận thông tin bên ngoài đường chân trời vũ trụ theo cùng cách chúng ta có thể tiếp cận thông tin bên trong chân trời sự kiện của lỗ đen. 

Nhưng những phân tích này đều có một khuyết điểm nghiêm trọng: khi tìm hiểu vũ trụ “của chúng ta”, ta đã sử dụng một mô hình vũ trụ co lại thay vì giãn nở. Mô tả những vụ trụ như vậy đơn giản hơn rất nhiều trong ngôn ngữ của vũ trụ học lượng tử. Chúng ta không thể hoàn toàn hiểu tại sao, nhưng điều này liên quan tới thực tế rằng ta có thể nghĩ về những gì bên trong một lỗ đen như một vũ trụ đang co lại nơi mọi thứ dần bị nghiền nát vào nhau. Theo lối này, hiểu biết mới về các lỗ đen có thể giúp ta dễ dàng nghiên cứu kiểu vũ trụ như vậy. 

Thậm chí trong những tình huống đơn giản hóa này, ta vẫn đang tìm cách giải quyết một số vấn đề rối rắm. Một vấn đề đó là thật dễ để xây dựng nhiều góc nhìn đồng thời từ bên ngoài để mỗi người quan sát có thể tiếp cận thông tin từ vũ trụ đang co lại. Nhưng điều này có nghĩa là nhiều người có thể tiếp cận được cùng mảnh thông tin và thao túng nó một cách độc lập. Tuy vậy, cơ học lượng tử lại chính xác: nó không chỉ không cho phép thông tin bị hủy hoại, nó cũng không cho phép thông tin bị sao chép lại. Ý tưởng này được gọi là định lý không nhân bản, và ý tưởng nhiều người quan sát dường như đã vi phạm nó. Trong một lỗ đen, đây không phải là vấn đề, bởi vì mặc dù vẫn có thể có nhiều người quan sát, hóa ra không có bất cứ cặp hai người nào có thể độc lập tiếp cận cùng một mảnh thông tin từ bên trong. Giới hạn này liên quan tới sự thực rằng chỉ có một lỗ đen và bởi vậy chỉ có một chân trời sự kiện. Nhưng trong một không thời gian đang giãn nở, những người quan sát khác nhau có những chân trời khác nhau. Tuy nhiên, công trình gần đây của tôi và Adam Levine ở Học viện Công nghệ Massachusetts đề xuất rằng chính bộ công cụ từ trường hợp lỗ đen có thể giúp tránh sự không nhất quán này. 

HƯỚNG TỚI MỘT LÝ THUYẾT ĐÚNG ĐẮN HƠN 

Tuy có những tiến triển thú vị, nhưng tới nay chúng ta vẫn chưa thể áp dụng trực tiếp những gì mình học được về các chân trời sự kiện của lỗ đen vào chân trời vũ trụ bởi những điểm khác biệt giữa hai kiểu chân trời này. 

Mục tiêu tối hậu ư? Không người quan sát từ bên ngoài, không vũ trụ đang co lại, không mô phỏng máy tính: ta muốn một lý thuyết lượng tử hoàn thiện về vũ trụ đang giãn nở của mình, được mô tả từ điểm nhìn của ta giữa lòng tăm tối. Nhiều nhà vật lý tin rằng hơn hết ta có thể đặt cuộc vào việc đưa ra một mô tả toàn ảnh, có nghĩa là dùng ít hơn ba chiều không gian thông thường. Có hai cách để làm như vậy. Cách thứ nhất là sử dụng công cụ từ lý thuyết dây, coi các hạt cơ bản của tự nhiên như các dây dao động. Khi cầu hình lý thuyết đúng cách, ta có thể đưa ra một mô tả toàn ảnh của một số chân trời sự kiện nhất định. Ta hy vọng có thể làm như vậy với chân trời vũ trụ. Nhiều nhà vật lý đã nỗ lực rất nhiều với cách tiếp cận này, nhưng nó vẫn chưa mang lại một mô hình hoàn thiện cho một vũ trụ đang giãn nở như của chúng ta. 

Cách khác để phỏng đoán một mô tả toàn ảnh đó là tìm kiếm manh mối từ những tính chất mà một mô tả như vậy nên có. Cách tiếp cận này là một phần của nghiên cứu khoa học tiêu chuẩn – sử dụng dữ liệu để xây dựng một lý thuyết tái tạo dữ liệu và hi vọng nó đưa ra những dự đoán mới. Tuy nhiên, trong trường hợp này, bản thân dữ liệu cũng chỉ là lý thuyết. Chúng là những thứ ta có thể tin tưởng tính toán mà không cần hiểu toàn bộ lý thuyết, như thể ta có thể tính quỹ đạo của một quả bóng rổ mà không cần sử dụng cơ học lượng tử vậy. Ý tưởng này hoạt động như sau: ta tính toán nhiều thứ trong vũ trụ học cổ điển, cơ học lượng tử có thể tham gia đôi chút, nhưng ta sẽ tránh các tình huống mà ở đó cơ học lượng tử và lực hấp dẫn quan trọng như nhau. Cách làm này tạo ra dữ liệu lý thuyết. Chẳng hạn, bức xạ Hawking là một dữ liệu lý thuyết. Và điều chắc chắn đúng đó là lý thuyết vũ trụ học lượng tử đầy đủ, chính xác cần phải tái tạo được dữ liệu lý thuyết này trong một hệ thống phù hợp, như thể cơ học lượng tử có thể tái tạo quỹ đạo của một quả bóng rổ (tuy theo một cách thức phức tạp hơn cơ học cổ điển nhiều). 

Dẫn đầu hoạt động trích xuất dữ liệu lý thuyết này là một nhà vật lý hàng đầu với sự tập trung phi thường vào các vấn đề của vũ trụ học lượng tử: Dionysios Anninos ở King’s College London đã làm việc với đề tài này hơn một thập niên và đã đưa ra nhiều manh mối về một mô tả toàn ảnh. Những nhà vật lý khác trên khắp thế giới cũng tham gia vào nỗ lực này, trong đó có Edward Witten ở IAS, một nhân vật hàng đầu về hấp dẫn lượng tử và lý thuyết dây trong nhiều thập niên nhưng có xu hướng tránh xa vùng viễn Tây của vũ trụ học lượng tử. Với những người cộng tác Venkatesa Chandrasekaran ở IAS, Roberto Longo ở Đại học Rome, Tor Vergata và Geoffrey Penington ở Đại học California, Berkeley ông đang nghiên cứu xem mà mối liên hệ không thể tách rời giữa người quan sát và chân trời vũ trụ ảnh hưởng thế nào đến mô tả toán học của vũ trụ học lượng tử. 

Đôi khi chúng ta tham vọng và cố gắng tính toán dữ liệu lý thuyết khi cơ học lượng tử và hấp dẫn quan trọng như nhau. Rõ ràng ta phải đặt ra một số quy tắc hay đoán định về cách hoạt động của lý thuyết trọn vẹn, chính xác trong những bối cảnh như vậy. Nhiều người trong chúng ta tin rằng một trong những mảnh thông tin lý thuyết quan trọng nhất của dữ liệu lý thuyết là định lượng và mô hình sự vướng víu giữa những thành phần của lý thuyết vũ trụ lượng tử. Susskind và tôi đã đưa ra những đề xuất riêng biệt cho cách thức để tính toán các dữ liệu này và trong hàng trăm bức thư điện tử trao đổi giữa thời đại dịch, chúng tôi đã tranh luận không ngừng xem cách nào hợp lý hơn. Công trình trước đó của Eva Silverstein ở Stanford, một nhà vật lý xuất sắc đã nghiên cứu vũ trụ học lượng tử từ lâu, cùng các đồng nghiệp của mình đã cung cấp thêm một cách tính khác cho những dữ liệu lý thuyết này. 

Bản chất của sự vướng víu trong vũ trụ học lượng tử là một công trình đang có tiến triển, nhưng dường như việc khám phá được nó rõ ràng là một bước tiến quan trọng tới một mô tả toàn ảnh. Một lý thuyết cụ thể, tính toán được như vậy là thứ mà ngành này rất cần, nên ta có thể so sánh kết quả của nó với dữ liệu lý thuyết dồi dào mà các nhà khoa học đang tích lũy. Không có lý thuyết này, chúng ta sẽ bị kẹt lại ở một giai đoạn giống như việc điền đầy bảng tuần hoàn mà không có sự trợ giúp của cơ học lượng tử để giải thích các quy luật của nó. 

Có một lịch sử phong phú về các các nhà vật lý nhanh chóng chuyển sang vũ trụ học sau khi học được điều gì đó mới mẻ về lỗ đen. Chuyện thường là như vậy: ta đã bị đánh bại và chế nhạo, nhưng khi vết thương lành, ta lại quay trở lại để lỗ đen dạy thêm cho mình. Trong tình huống này, chiều sâu của những gì ta đã nhận ra về các lỗ đen và sự quan tâm rộng rãi đến vũ trụ học lượng tử của các nhà khoa học trên khắp thế giới có thể kể một câu chuyện khác.□

Edgar Shaghoulian

Hoàng Lam dịch

Trần Ngọc Hùng, ĐH Phenikaa

hiệu đính

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

Tác giả