Những lỗ đen xóa quá khứ

Các phương trình của Einstein cho phép một tương lai bất định có thể xảy ra trong một số lỗ đen.

Trước khi tới được chân trời Cauchy – nơi tất định luật bị xóa bỏ, nhà thám hiểm gần như sẽ bị kéo giãn tới khi chỉ còn là những chuỗi nguyên tử bởi các lực thủ triều gần chân trời sự kiện. Nguồn: npr.org

Trong thế giới thực, quá khứ sẽ xác định một tương lai duy nhất. Nếu hiểu được cách thức vũ trụ bắt đầu như thế nào, nhà vật lý sẽ có thể tính toán được tương lai vũ trụ cho mọi không – thời gian.Đây là tất định luận (determinism) – chìa khóa của mọi lý thuyết vật lý.

Để đảm bảo tính bất khả xâm phạm của ý tưởng trên, nhà vật lý Roger Penrose, đã đưa ra giả thuyết “kiểm định vũ trụ” – cho rằng sẽ có điều thảm khốc xảy ra – có thể là sự chết chóc – không cho người quan sát bước vào vùng không thời gian tương lai chưa được xác định – nơi quá khứ của họ sẽ bị xóa sổ, bù lại họ có thể có vô số tương lai.

Tuy nhiên, theo Peter Hintz – nhà nghiên cứu đang làm postdoc tại UC Berkeley, những phép tính Toán học đã chứng tỏ một số dạng đặc biệt của lỗ đen trong một vũ trụ giống như vũ trụ của chúng ta – đang giãn nở ngày càng nhanh, có thể cho con người khả năng sống sót khi di chuyển từ một thế giới tất định vào lỗ đen bất định.

Sự sống sẽ như thế nào trong một không gian mà tương lai không được đoán trước? Theo công bố của Hintz và cộng sự trên Physical Review Letters, phát hiện này không có nghĩa là phương trình trong Thuyết tương đối rộng của Einstein – gần như đã mô tả một cách hoàn hảo sự tiến hóa của vũ trụ, là sai lầm. Ông nói: “Không nhà vật lý nào có ý định du hành vào một lỗ đen và đo lường nó. Đây là một vấn đề toán học.Nhưng từ cách nhìn này, nó khiến cho các phương trình của Einstein càng hấp dẫn hơn về mặt toán học. Đây là một vấn đề không chỉ giải đáp bằng việc nghiên cứu toán học mà nó cần phải có có sự tham gia của cả các lĩnh vực vật lý, triết học, điều đó khiến nó trở nên hay ho.”

Gary Horowitz từ UC Santa Barbara – người không tham gia vào nghiên cứu, nói với Physics World: nghiên cứu này đã cung cấp “một bằng chứng tốt nhất mà tôi biết về sự vi phạm giả thuyết “kiểm duyệt vũ trụ” trong lý thuyết về lực hấp dẫn và điện từ học.”

Ngoài chân trời sự kiện

Các lỗ đen là những vật thể kỳ dị lấy tên từ tính chất của nó là không có gì có thể thoát khỏi lực hấp dẫn của chúng, kể cả ánh sáng.Nếu mạo hiểm tới quá gần và vượt qua chân trời sự kiện, bạn gần như không bao giờ thoát ra khỏi lỗ đen, đặc biệt là các lỗ đen nhỏ. Các lực thủy triều gần chân trời sự kiện đủ lớn để kéo dài bất cứ thứ gì cho đến khi chỉ trở thành chuỗi nguyên tử.

Nhưng với những lỗ đen lớn, như các vật thể siêu khối lượng tại vùng lõi các thiên hà như Dải Ngân hà, có khối lượng gấp chục triệu đến hàng tỷ lần khối lượng một ngôi sao, thì có thể an toàn vượt qua chân trời sự kiện.

Nếu có thể sống sót khi chuyển tiếp từ thế giới của chúng ta tới thế giới của lỗ đen, các nhà vật lý và toán học từ lâu đã tự hỏi thế giới đó trông như thế nào, họ đã chuyển sang các phương trình trong thuyết tương đối rộng của Einstein để dự đoán thế giới trong một lỗ đen. Những phương trình này đã được dùng để xác định độ cong của không thời gian cho tới khi người quan sát đạt tới trung tâm hoặc điểm kì dị, nơi các tính toán lý thuyết về độ cong của không thời gian này trở nên vô hạn.

Ngay cả khi đến được trung tâm, một nhà thám hiểm lỗ đen – người có thể sẽ không bao giờ truyền đạt được những gì mình tìm thấy với thế giới bên ngoài – cũng có thể gặp một số cột mốc kỳ dị và chết chóc. Hintz nghiên cứu lỗ đen tiêu chuẩn, không quay, mang điện tích và những vật thể như chân trời Cauchy nằm trong chân trời sự kiện.

Chân trời Cauchy là điểm phá bỏ tất định luận, nơi quá khứ không còn khả năng xác định được tương lai. Nhiều nhà vật lý, trong đó có Penrose, đã tranh luận rằng không người quan sát nào có thể vượt qua được chân trời Cauchy bởi họ sẽ bị xóa sổ ngay lập tức.

Khi một người quan sát tiếp cận chân trời, thời gian chậm lại khi đồng hồ quay chậm hơn trong trường hấp dẫn mạnh. Giống như ánh sáng, sóng hấp dẫn và bất kỳ thứ gì khi chạm trán lỗ đen sẽ chắc chắn rơi vào chân trời Cauchy, người đó sẽ rơi vào bên trong lỗ đen và nhìn thấy tất cả các nguồn năng lượng quay trong cùng một lúc. Trong hiệu ứng mà nó tạo ra này, tất cả năng lượng lỗ đen có trong suốt thời gian tồn tại của vũ trụ sẽ chạm đến chân trời Cauchy cùng lúc, dẫn đến việc làm nổ tung tất cả những ai quan sát nó.

Không thể nhìn thấy mãi mãi trong một vũ trụ giãn nở

Tuy nhiên, Hintz thừa nhận rằng điều này không thể áp dụng cho một vũ trụ đang giãn nở gia tốc như của chúng ta. Bởi vì không thời gian đang ngày càng kéo ra, hầu hết phần ngoại biên của vũ trụ sẽ không ảnh hưởng đến lỗ đen và năng lượng không thể dịch chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng.

Trên thực tế, năng lượng khả dĩ rơi vào lỗ đen chỉ được chứa trong chân trời sự kiện quan sát được: thể tích của vũ trụ mà lỗ đen có thể được quan sát thấy trong suốt quá trình tồn tại. Ví dụ, với chúng ta, chân trời sự kiện là lớn hơn 13,8 tỷ năm ánh sáng mà chúng ta có thể nhìn vào quá khứ, bởi nó bao gồm mọi thứ mà chúng ta sẽ thấy mãi mãi trong tương lai. Sự giãn nở gia tốc của vũ trụ sẽ cản trở chúng ta nhìn xa hơn chân trời của khoảng 46,5 tỷ năm ánh sáng.

Trong kịch bản đó, sự giãn nở của vũ trụ sẽ chống lại sự khuếch tán do thời gian giãn nở bên trong lỗ đen, và với một số trường hợp nhất định, có thể hủy bỏ toàn bộ nó. Ở những trường hợp như vậy, với lỗ đen Reissner – Nordström – de Sitter – những lỗ đen đặc biệt, trơn, không quay, mang điện tích lớn, người quan sát có thể sống sót vượt qua chân trời Cauchy và bước vào thế giới bất định, tới vùng vũ trụ nơi biết được trạng thái ban đầu hoàn chỉnh của ngôi sao.

Ông nói: “Có một số lời giải chính xác cho các phương trình của Einstein mà không có nút thắt, không có lực thủy triều tiến tới vô tận, nơi mọi thứ vận hành bình thường tới chân trời Cauchy và xa hơn.” Vị du khách vượt qua chân trời có thể bị đau đớn nhưng trong thời gian rất ngắn. “Sau đó, tất cả mọi thứ không còn giá trị nữa, trong một số trường hợp, như một lỗ đen Reissner – Nordström – de Sitte, một người có thể tránh khỏi điểm kì dị và vĩnh viễn ở trong một vũ trụ vô danh.”

Hintz thừa nhận rằng những lỗ đen mang điện tích như vậy gần như không tồn tại, bởi chúng sẽ thu hút các vật thể mang điện tích trái dấu cho đến khi trung hòa. Tuy vậy, các lời giải toán học cho lỗ đen mang điện tích được dùng để đại diện cho những gì xảy ra bên trong lỗ đen đang quay – những thứ gần như là chuẩn mực.Hintz lập luận rằng Kerr-Newman-de Sitter – những lỗ đen trơn đang quay, có thể sẽ vận hành giống vậy.

Ông cũng khám phá ra các loại lỗ đen thông qua hợp tác với Cardoso và cộng sự, những người đã tính toán cách một lỗ đen va chạm với sóng hấp dẫn, và những âm và bội âm kéo dài lâu nhất. Trong một số trường hợp, thậm chí những tần số tồn tại lâu nhất cũng phân rã đủ nhanh để ngăn sự khuếch tán từ chân trời Cauchy vào vùng đất chết.

Công bố của Hintz đã kéo theo những công bố khác, một trong số đó nhằm mục đích chỉ ra những lỗ đen hoạt động tốt nhất sẽ không vi phạm tất định luận. Nhưng Hintz khẳng định chỉ một trường hợp vi phạm là quá nhiều.

Ông nói: “Trong khoảng 20 năm, kể từ giữa thập niên 1990, mọi người tự mãn [về những hiểu biết đã có] khiến giả thuyết kiểm duyệt vũ trụ luôn được kiểm chứng. Giờ đây chúng tôi thách thức quan điểm đó.”

Thanh Trúc dịch

TS. Ngô Đức Thế (Trung tâm Kính hiển vi điện tử, Đại học Manchester, Anh) hiệu đính

Nguồn: https://www.sciencedaily.com/releases/2018/02/180221091334.htm