BÍ ẨN LỖ ĐEN

Điều gì xảy ra khi bạn rơi vào hố đen?

Bạn có thể nghĩ rằng mình sẽ bị nghiền nát hay bị xé ra từng mảnh. Tuy nhiên sự thật thì kỳ quặc hơn nhiều.

Hai sự thật đối lập?

Đúng vào khoảnh khắc bạn bước vào hố đen, thực tế sẽ chia ra làm hai, trái ngược nhau. Ở một phía, bạn sẽ ngay lập tức bị thiêu đốt thành than, còn ở phía kia bạn sẽ rơi vào hố đen mà hoàn toàn bình an vô sự.

Hố đen là nơi mà quy luật vật lý chúng ta vốn biết bị phá vỡ. Theo Einstein thì đây là nơi mà lực hấp dẫn bẻ cong không gian. Do đó với một vật thể đủ đậm đặc, không gian-thời gian có thể bị bẻ cong đến mức tự thân nó xoắn lại và xoáy thành một cái hố.

Một ngôi sao khổng lồ bị cạn hết năng lượng có thể tạo ra một dạng đậm đặc vô cùng, đủ để tạo ra một thế giới bị sứt mẻ như thế. Khi nó bị đè dưới sức nặng của chính nó và sụp đổ vào bên trong, không gian-thời gian cũng bị sụp vào theo. Trường hấp dẫn trở nên mạnh đến mức ngay cả ánh sáng cũng không thoát ra được và biến nơi từng có sự tồn tại của ngôi sao đó trở thành một nơi tăm tối hoàn toàn – tức là một hố đen.

Đường biên ngoài cùng của cái hố này là đường chân trời sự kiện – ở điểm này trường hấp dẫn vừa đủ làm cho ánh sáng không thoát được ra ngoài. Những gì nằm bên trong đường biên đó sẽ đều không thoát được ra ngoài.

Đường chân trời sự kiện là nơi năng lượng rực cháy. Hiệu ứng lượng tử ở ngoài rìa tạo ra những dòng vật chất nóng tỏa nhiệt ngược lại vào trong vũ trụ. Hiện tượng này được gọi là bức xạ Hawking - đặt theo tên của nhà vật lý Stephen Hawking. Nếu có đủ thời gian, lỗ đen sẽ tỏa ra tất cả vật chất của nó và rồi tiêu tan.

Khi chúng ta đi sâu hơn nữa vào bên trong hố đen, không gian sẽ bị bẻ cong hơn nữa cho đến khi ngay chính giữa hố, không gian trở nên cong vô hạn. Không gian và thời gian không còn là những khái niệm có ý nghĩa nữa và những quy luật vật lý mà chúng ta biết – tất cả những quy luật cần có khái niệm không gian và thời gian – không còn đúng nữa.

Điều gì xảy ra ở đây? Không ai biết. Đó là một bí ẩn.

Quan sát của Anne

Vậy điều gì sẽ xảy ra nếu bạn vô tình rơi vào một trong sự bất thường này của vũ trụ? Hãy hỏi người bạn đồng hành không gian, mà chúng ta sẽ gọi là Anne, người kinh hoàng theo dõi cảnh bạn rơi xuống hố đen trong khi cô vẫn an toàn ở bên ngoài. Nhìn từ chỗ cô quan sát, mọi thứ đang bắt đầu trở nên kỳ quặc.

Khi bạn rơi càng lúc càng nhanh về phía đường chân trời sự kiện, Anne thấy bạn kéo duỗi ra và bị xoắn lại giống như là cô ấy đang nhìn qua một chiếc kính lúp khổng lồ. Chưa hết, khi bạn càng gần đến đường chân trời sự kiện, dường như bạn càng giống như đang di chuyển trong những đoạn phim quay chậm.

Bạn không thể hét lên để cô ấy nghe thấy tiếng, bởi làm gì có không khí trong không gian đó, nhưng bạn có thể cố tìm cách nháy đèn bằng chiếc iPhone trong tay (sẽ có app thích hợp để làm chuyện này) nhằm gửi cho cô ấy những nội dung qua tín hiệu Morse.

Tuy nhiên, những từ mà bạn đánh đi được chuyển tới cô ấy ngày càng chậm lại, lượng ánh sáng từ chiếc phone phát ra sẽ chậm dần: "Không sao, k h ô n g s a o, k h ô n g s . . . "

Khi bạn chạm đến đường chân trời sự kiện, Anne thấy bạn đứng yên giống như bị bấm nút tạm dừng. Bạn bị dính chặt vào đó, bất động và kéo duỗi ra trên bề mặt đường chân trời sự kiện trong lúc nhiệt độ ngày càng tăng bắt đầu bao phủ lấy bạn.

Theo Anne, bạn sẽ từ từ biến mất trước tác động của không gian kéo giãn, thời gian ngừng lại và các ngọn lửa của bức xạ Hawking. Trước khi bạn đi vào nơi tăm tối bên trong hố đen thì bạn đã hóa thành tro bụi.

Thế nhưng trước khi chuẩn bị làm tang lễ cho bạn, chúng ta hãy tạm quên đi Anne và nhìn mọi sự từ góc nhìn của bạn nhé. Sự thể còn lạ lùng hơn thế nhiều, bởi chả có gì xảy ra hết.

Bạn thẳng tiến vào cái đích đáng ngại nhất của tự nhiên mà không hề bị cú xóc nảy nào, và tất nhiên là chẳng hề có chuyện duỗi thẳng, di chuyển chậm đi hay bị bỏng vì bức xạ gì hết. Bởi bạn khi đó trong trạng thái rơi tự do, không hề cảm thấy lực hấp dẫn, là cái cảm giác mà Einstein gọi là "hạnh phúc nhất" của ông.

Xét cho cùng, đường chân trời sự kiện không phải là một bức tường gạch trong không gian. Một người quan sát bên ngoài lỗ đen không thể nhìn xuyên thấu qua nó nhưng người đang rơi vào lỗ đen thì không gặp vấn đề đó - bạn chẳng hề thấy đường chân trời nào hết.

Nếu đó là một hố đen nhỏ thì sẽ xảy ra chuyện đối với bạn. Lực hấp dẫn ở phần chân của bạn sẽ mạnh hơn nhiều so với lực hút ở phần đầu. Bạn sẽ bị kéo giãn ra giống như một sợi mì ống.

Thế nhưng đây là một hố đen lớn, có kích thước lớn hơn hàng triệu lần so với Mặt Trời, cho nên lực kéo giãn bạn ra sẽ trở nên yếu tới mức gần như không cảm nhận được.

Vẫn sống như thường

Thật ra, ở hố đen có kích thước lớn vừa đủ thì bạn có thể sống phần đời còn lại của mình tương đối bình thường cho đến khi bạn chết ở điểm kỳ dị không gian – thời gian.

Bạn sẽ tự hỏi liệu trải nghiệm đó thật sự có bình thường không, khi mà bạn bị cuốn về phía không gian-thời gian bị đứt quãng trong lúc bạn không muốn thế, nhưng lại không thể chọn phía ngược lại?

Thế nhưng suy nghĩ về chuyện này thì chúng ta đều biết rằng thời gian chỉ tiến về phía trước chứ không bao giờ quay lùi trở lại và nó kéo chúng ta đi tới tương lai, mặc cho ta có muốn hay không.

Điều này không chỉ là sự tương đồng. Các hố đen bẻ cong không gian và thời gian đến mức bên trong đường chân trời sự kiện, không gian và thời gian gần như đổi chỗ cho nhau.

Một mặt, thời gian chính là yếu tố kéo bạn về phía điểm kỳ dị không gian – thời gian. Bạn không thể quay trở ra và thoát khỏi lỗ đen đó, giống như việc bạn không thể thối lui để đi ngược về quá khứ.

Ở chỗ này có lẽ một câu hỏi được đặt ra với bạn: Anne sai ở chỗ nào vậy? Nếu bạn đang lạnh cóng bên trong lỗ đen mà xung quanh chỉ có không gian trống rỗng, vậy thì tại sao cô ta lại quả quyết rằng bạn đã bị cháy ra tro do sự tỏa nhiệt phía ngoài đường chân trời sự kiện? Cô ấy đang ảo giác chăng?

Thật ra, Anne hoàn toàn có lý. Từ nơi cô ấy quan sát thì bạn thật sự bị nướng đen ở đường chân trời sự kiện. Đó không phải là ảo giác. Cô ấy thậm chí còn có thể thu lượm tro của bạn rồi gửi về cho thân nhân bạn.

Ở hai nơi một lúc

Theo quy luật tự nhiên thì bạn phải ở bên ngoài hố đen như Anne đã nhìn thấy. Đó là vì vật lý lượng tử cho rằng thông tin không bao giờ bị mất đi. Tất cả thông tin lớn nhỏ làm nên sự tồn tại của bạn phải ở phía ngoài đường chân trời sự kiện, nếu không các quy luật vật lý xét từ góc nhìn của Anne sẽ bị phá vỡ.

Mặt khác, quy luật vật lý cũng cho rằng bạn băng qua đường chân trời sự kiện mà không gặp phải những hạt nóng hay bất cứ cái gì bất thường. Nếu không thì bạn đã vi phạm thuyết tương đối tổng quan của Einstein.

Do đó, theo quy luật vật lý thì bạn phải vừa ở bên ngoài hố đen và hóa thành tro bụi vừa phải bên trong hố đen mà vẫn khỏe mạnh bình thường. Ngoài ra cũng có một quy luật vật lý thứ ba nữa, theo đó xác định rằng thông tin về bạn không thể được sao chép. Bạn phải ở hai nơi một lúc nhưng chỉ có duy nhất một mình bạn mà thôi.

Các định luật vật lý dường như đưa chúng ta đến chỗ kết luận vô lý. Các nhà vật lý gọi đây là sự nghịch lý thông tin lỗ đen. May mắn là vào những năm 1990 họ đã tìm ra lời giải đáp.

Leonard Susskind nhận ra rằng không có nghịch lý nào cả bởi vì không có ai từng nhìn thấy bản sao của bạn cả. Anne chỉ nhìn thấy một phiên bản của bạn. Bạn chỉ nhìn thấy một phiên bản của mình. Bạn và Anne không bao giờ có thể so sánh những gì mỗi người nhìn thấy được với nhau. Cũng không có một bên thứ ba nào có thể nhìn thấy cả bên trong lẫn bên ngoài lỗ đen cùng một lúc. Do đó, không có quy luật vật lý nào bị phá vỡ cả.

Trừ phi bạn muốn bạn muốn biết thật sự điều gì là đúng. Bạn thật sự chết rồi hay vẫn còn sống?

Nhìn qua đường chân trời sự kiện

Bí mật vĩ đại mà hố đen tiết lộ cho chúng ta là không có cái gì thật sự cả. Nó tùy thuộc vào bạn đặt câu hỏi này với ai? Với Anne hay với chính bạn? Chấm hết.

Hồi mùa hè năm 2012, các nhà vật lý Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joe Polchinski và James Sully, được biết đến với tên gọi chung AMPS, đã đưa ra một thí nghiệm về suy nghĩ vốn đe dọa đảo ngược tất cả những gì mà chúng ta cho rằng mình biết về hố đen.

Họ phát hiện ra rằng lời giải của Susskind dựa trên một thực tế rằng bất cứ sự bất đồng nào giữa bạn và Anne đều có vai trò của đường chân trời sự kiện. Không có gì là ghê gớm nếu như Anne nhìn thấy bạn phân rã do hiện tượng bức xạ Hawking, bởi vì đường chân trời sự kiện không cho cô ấy thấy phiên bản khác của bạn đang trôi nổi bên trong hố đen.

Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu như Anne có cách nào đó để nhìn về phía bên kia của đường chân trời sự kiện mà không phải bước qua nó?

Theo thuyết tương đối thì điều này là không thể, nhưng xét trên quan điểm vật lý lượng tử thì mọi thứ sẽ mơ hồ hơn một chút. Anne có thể nhìn trộm vào phía bên kia đường chân trời sự kiện bằng cách áp dụng một mẹo nhỏ mà Einstein gọi là "hành động ma quái từ xa" ("spooky action-at-a-distance").

Điều này xảy ra khi hai hệ thống vật chất bị không gian ngăn ra bằng một cách bí ẩn nào đó kết nối vào được với nhau. Chúng vốn cùng thuộc về một hệ thống nguyên vẹn, duy nhất và không thể phân chia. Điều này khiến cho những thông tin cần thiết để mô tả chúng không thể tìm thấy trong hai hệ thống riêng lẻ mà phải trong những mối liên hệ ma quái giữa chúng với nhau.

Kết nối thông tin

Cách lý giải của nhóm nhà khoa học AMPS là: giả sử Anne nắm được một chút thông tin gần đường chân trời sự kiện và chúng ta gọi những thông tin đó là A.

Nếu Anne đúng, tức là bạn đã đi đời nhà ma do bị hiện tượng bức xạ Hawking bên ngoài hố đen thì A phải kết nối với một mẩu thông tin khác được gọi là B vốn thuộc về đám mây tỏa nhiệt nóng.

Mặt khác, nếu bạn đúng, tức là bạn vẫn còn sống và khỏe mạnh ở phía bên kia của đường chân trời sự kiện, thì A phải kết nối với một mẩu thông tin khác được gọi là C, vốn nằm đâu đó bên trong hố đen.

Mỗi mẩu thông tin chỉ có thể kết nối một lần. Điều này có nghĩa là A chỉ có thể kết nối với B hoặc C chứ không thể kết nối với hai mẩu thông tin cùng một lúc.

Do đó nếu Anne lấy mẩu thông tin A và đưa nó vào trong chiếc máy giải mã kết nối thì chiếc máy này sẽ cho ra một câu trả lời: hoặc là B hoặc là C.

Nếu câu trả lời là C thì có nghĩa là bạn đúng nhưng khi đó những định luật cơ học lượng tử bị vi phạm. Nếu A kết nối với C vốn nằm sâu bên trong lỗ đen thì mẩu thông tin C sẽ mất đi vĩnh viễn đối với Anne. Điều này vi phạm quy luật lượng tử vốn cho rằng thông tin không bao giờ bị mất.

Nếu cỗ máy giải mã của Anne cho kết quả là A kết nối với B thì có nghĩa là Anne đúng và lúc đó thuyết tương đối tổng quan bị vi phạm. Nếu A kết nối với B thì những gì Anne thấy là đúng – có nghĩa là bạn bị cháy thành tro bụi. Thay vì băng qua đường chân trời sự kiện theo như thuyết tương đối thì bạn lại đụng bức tường lửa rừng rực cháy.

Ở chỗ này chúng ta quay lại điểm khởi đầu: điều gì sẽ xảy ra nếu bạn rơi vào bên trong hố đen?

Không ai biết câu trả lời và vấn đề này trở thành một trong những vấn đề gây tranh cãi nhất trong vật lý cơ bản.

Các nhà vật lý đã dành hơn một thế kỷ tìm cách dung hòa thuyết tương đối tổng quan với thuyết vật lý lượng tử. Họ biết rằng cuối cùng thì một trong hai thuyết này đành phải chịu thua thuyết kia.