HỐ ĐEN: Nơi VẬT LÝ trở thành VÔ LÝ? | SAMURICE

Cái tên Hố Đen hay Blackhole thực chất không mô tả được tính chất của hiện tượng này. Và khi nhắc tới hố đen, chúng ta cũng khó có thể nói nó là một vật hay một thiên thể, một celestial object như các ngôi sao hay các hành tinh được. Hố đen đứng trong một cột riêng khi nói đến những thứ xuất hiện trong vũ trụ này bởi vì nó hoàn toàn khác lạ, khác tới mức ta khó có thể định nghĩa được nó và đến nay các bộ não lớn nhất của thế giới cả quá khứ lẫn hiện tại vẫn đang đánh vật trong hành tình cắt nghĩa hiện tượng này.

Đầu tiên ta cần hiểu một khái niệm cơ bản về hố đen đó là đường chân trời sự kiện hay Event Horizon. Khi ta nhìn vào các ngôi sao, các hành tinh, ta sẽ luôn nhìn thấy các khối cầu. Những khối cầu này cho ta cảm giác rằng chỉ cần chạm vào khối cầu đó, ta sẽ thấy gì đó. Với Trái Đất, chạm vào khối cầu này thì ta sẽ thấy được khí quyển, sâu hơn nữa thì sẽ là mặt đất. Với mặt trời thì đó là cầu sáng, sâu hơn nữa thì ta sẽ chạm vào nơi chứa đựng các khối vật chất đang bị đun nóng bởi lò phản ứng hạt nhân trong lõi ngôi sao này. Với các hành tinh khí ga thì mặt cầu sẽ là nơi chứa những cơn bão khổng lồ, gió giật, mưa lớn với những vật chất khó hiểu. Với các mặt trăng thì chủ yếu sẽ là đất đá, một số trường hợp như Titan thì sẽ là bầu khí quyển thú vị của nó. Nhưng hố đen thì không phải thế.

Dù hố đen cũng có cho mình một khối cầu như bao khối cầu quen thuộc khác của vũ trụ, khối cầu của hố đen không cho ta bất cứ thông tin gì. Khái niệm không cho bất cứ thông tin gì cần được nhấn mạnh.

Đầu tiên, đó là đường chân trời sự kiện, không phải bầu khí quyển hay mặt đất của hố đen. Đây là điểm cuối cùng bất cứ sự kiện gì xảy ra còn có giá trị với thời không. Sau khi đi qua đường chân trời, trọng lực sẽ mạnh tới mức không gì có thể trở lại với thế giới này được nữa. Vì lý do đó, dù sau đường chân trời có chuyện gì, sự kiện gì, ta cũng không thể biết được. Đó là lý do vì sao ta không thể có được thêm thông tin gì về nó nữa.

Thêm vào đó, trọng trường khổng lồ của hố đen cũng bẻ cong thời không đến mức cực đoan, khiến không gian xung quanh hố đen bị bóp méo và trở thành những đường khúc xạ đặc biệt, tạo nên hình cầu mà ta thường thấy ở hố đen.

Để trả lời câu hỏi đó, ta cần có chút trải nghiệm để làm ví dụ. Chuyện gì sẽ xảy ra khi ta đổ đầy bồn nước rồi sau đó rút nắp ra? Nước sẽ bị cuốn vào hố và xoắn lại, tạo ra một lốc xoáy. Khi ta nhìn vào miệng lốc xoáy, ta sẽ nhìn thấy những góc khúc xạ khác nhau xung quanh bồn nước. Ánh sáng đi theo dòng nước đã bị bẻ cong và khúc xạ một cách không bình thường. Điều tương tự cũng xảy ra với hố đen nhưng với quy mô khổng lồ hơn. Hố đen bẻ cong thời không khiến ánh sáng rơi vào nó như nước bị cuốn vào hố. Ở miệng của hố, nước làm bẻ cong ánh sáng thế nào thì thời không bẻ cong ánh sáng như thế. Nhờ cơ chế này, ánh sáng từ phía sau của hố đen sẽ bị cuốn vào vòng xoáy của hố và khúc xạ ra đằng trước hố đen thay vì đi xuyên nó.

Những ánh sáng ta nhìn thấy ở quanh hố đen không phải là vì hố đen đang tỏa sáng mà đó chính là ánh sáng từ phía sau hố đen đang bị thời không dẫn đường đến phía trước hố đen. Và điều tương tự cũng xảy ra ở mọi góc độ. Từ trên xuống, ánh sáng cũng bị khúc xạ như vậy. Từ dưới lên cũng vậy và từ 2 bên sang cũng vậy. Vì lý do này, hình ảnh ta thường thấy nhất của Hố đen sẽ là những vành sáng bao quanh nó, như thế nó có những vành đai ánh sáng quanh mình vậy.

Hiện tượng khúc xạ trọng trường hay Gravitational Lensing này không chỉ xảy ra với các hố đen mà còn với các khu vực có đủ trọng lực để bẻ cong thời không, khiến việc quan sát bầu trời đã khó nay còn khó hơn. Nhưng dù nó có phức tạp đến thế nào, ta cũng không thể phủ nhận được rằng nó tuyệt đẹp đến nhường nào.

Đường chân trời sự kiện là điểm không có quay lại, chúng ta đi là sẽ mãi mãi ở trong hố đen, chắc chắn rồi đúng không? Vậy thì làm sao để biết được bên trong hố đen có gì?

Nếu ta nói đến khái niệm bên trong hố đen như để mô tả một hành tinh, một ngôi sao thì chúng ta khá rõ bên trong nó có cái gì. Nhưng cái hư vô ở đây là ta không thể mô tả chính xác được cái đó là thế nào.

Cụ thể thì ta biết rằng đằng sau chân trời sự kiện sẽ không có gì cả. Chân trời sự kiện không phải là một đám mây mà ta có thể bước qua và mong chờ bên dưới sẽ là mặt đất. Chân trời sự kiện có thể nhìn thấy được nhưng thực chất nó không tồn tại. Chúng ta nhìn thấy chân trời sự kiện vì ánh sáng bị bẻ cong quanh nó. Nhưng nó không phải một lớp màng để ta có thể xác định được nó như thế nào. Về cơ bản nó vẫn là không gian vũ trụ vô tận, khác biệt lớn nhất là đến đây, trọng lực bắt đầu trở nên cực đoan và khó lường.

Sau chân trời sự kiện sẽ là một khoảng không vô tận bị trọng lực bóp méo đến khó tả, thời gian và không gian hoạt động theo cách ta không thể tưởng tượng được. Và khi đã rơi vào hố đen, ta sẽ rơi mãi, rơi mãi, cho tới khi ta chạm được vào điểm kỳ dị.

Điểm kỳ dị là gì? Đây là câu hỏi chưa có câu trả lời. Thực tế mà nói, nó là câu hỏi đặc biệt nhất trong cả thế kỷ qua và cũng là ổ khóa lớn nhất con người từng tìm thấy.

Khi chúng ta tìm được chìa khóa để mở cánh cửa mang tên Điểm kỳ dị, chúng ta sẽ bước sang một thế giới mới, một chân trời mới về hiểu biết, về khoa học, về vạn vật và có khi con người sẽ trở thành nền văn minh bậc cao hơn chỉ vì phát kiến vĩ đại này.

Theo thuyết tương đối của Einstein, hố đen ra đời khi một ngôi sao khổng lồ đi đến bước cuối cùng của vòng đời. Nó sẽ ép lõi phản ứng hạt nhân của nó phải tổng hợp Silicon thành Sắt và Sắt sẽ là điểm đến cuối cùng của vật chất. Lõi hạt nhân chịu thua trọng lực, trọng lực bóp nát cả ngôi sao và tạo ra vụ nổ khổng lồ Supernova, khai sinh ra hố đen.

Trước khi nó là hố đen, nó từng là một ngôi sao. Hố đen và ngôi sao có khối lượng tương đương với nhau. Nhưng đặc tính của ngôi sao và hố đen lại vô cùng khác. Ngôi sao cũng bẻ cong thời không và tạo ra trọng lực quanh mình. Nhưng ngôi sao không bẻ cong tới mức cực đoan như hố đen. Cùng một khối lượng nhưng tác động trọng lực lại khác nhau? Tại sao lại như thế?

Câu trả lời sẽ nằm ở mật độ vật chất hay Khối lượng riêng của hố đen. Mật độ càng cao thì vật chất càng đặc và càng nặng. Đó là lý do vì sao 1 cân bông và 1 cân thép có cùng một khối lượng nhưng thể tích lại khác nhau đến thế. Toàn bộ vật chất của ngôi sao giờ đã bị ép vào thể tích tí hon như một hòn bi.

Điều đó nghĩa là vật chất trong điểm kỳ dị đó đang ở trong một trạng thái không có cách để giải thích. Nó đặc đến vô tận và tạo ra trọng lực mạnh đến vô tận. Và khi ta nhắc đến vô tận trong khoa học vũ trụ, điều đó nghĩa là ta không hiểu vì sao nó lại như thế.

Vì lý do này, điểm kỳ dị là cái tên dành cho khái niệm không nhà khoa học nào có thể giải thích được. Nó không phải là một hòn bi có độ nặng bằng cả ngôi sao. Nó không phải là điểm nằm ở trung tâm của hố đen. Nó không phải là một vị trí đâu đó trong hố đen. Nói đúng nhất thì nó là một thời điểm trong thời không mà không gì có thể thoát được. Nó như ngày mai vậy, ta có thể đi từ Đông sang Tây từ Bắc vô Nam nhưng sẽ không thể thoát khỏi ngày mai. Nó sẽ đến và nó chắc chắn sẽ xuất hiện, ta chỉ không hiểu nó là cái gì và tại sao nó lại như vậy.

Tất cả là bởi vì nó đã phá đi mọi định luật vật lý mà chúng ta đã có từ xưa cho tới nay. Không có định luật vật lý nào giải thích được sự tồn tại của điểm kỳ dị. Ta dù có ép mạnh đến thế nào thì các hạt vật chất như Proton và Electron vẫn cần phải tồn tại để cấu thành vật chất. Nhưng với không gian nhỏ bé chật hẹp như điểm kỳ dị, đến cả các hạt cơ bản như các hạt Quarks cũng không có chỗ để nhích. Vậy thì sao mà điểm kỳ dị có thể tồn tại được?

Đây là điểm còn thiếu sót của thuyết tương đối. Nó như sự thiếu sót trong cách Newton mô tả trọng lực vậy. Với Newton thì trọng lực là một lực nhưng ông không giải thích được vì sao trọng lực ra đời. Vậy thì với Einstein, hố đen là một hiện tượng trọng lực kỳ dị và ông không giải thích được lý do vì sao điểm kỳ dị tồn tại.

Sự tồn tại của hố đen và điểm kỳ dị đã khiến Einstein phải hòa mình vào thế giới tí hon mang tên Lượng Tử Giới, nơi vật chất nhỏ hơn cả các Electron được đưa ra tính toán.

Thế giới lượng tử và thế giới chúng ta chứng kiến hàng ngày không giống nhau. Khi ta nhìn thấy vật gì đó, ta biết nó đang ở vị trí nào đó trong không gian và ta có thể nhắc tới thời gian ta nhìn thấy vật đó. Trong khi đó, ở thế giới lượng tử, hạt Electron ở đâu, thời điểm nào ta hoàn toàn không thể nói trước. Sự tồn tại của hạt electron quanh hạt nhân bao lâu nay vẫn được mô tả như một vệ tinh với quỹ đạo tròn bay quanh một hạt nhân, như cách các hành tinh bay quanh một ngôi sao. Tuy nhiên đây lại không phải là tạo hình chính xác khi mô tả một nguyên tử.

Một nguyên tử sẽ bao gồm các hạt cơ bản, các hạt quarks, cấu thành nên hạt nhân. Trong khi đó, ngoài hạt nhân sẽ là vị trí tiềm năng của một hạt electron. Hạt electron có thể ở bất cứ đâu trong những vị trí tiềm năng này. Và bất cứ khi nào ta dừng lại để kiểm tra thì ta cũng sẽ thấy 1 hạt electron nằm trong vùng tiềm năng đó.

Cấu trúc gồm hạt nhân và đám mây tiềm năng của electron này mới là mô tả chính xác về nguyên tử. Một hạt nhân được tạo nên bởi các hạt cơ bản và đám mây tiềm năng của hạt electron.

Tuy nhiên đến đây các nhà khoa học gặp một vấn đề khi sử dụng từ hạt. Hạt hay Particle là một từ được sử dụng để ám chỉ vật chất nằm ở dạng các hạt, các chất điểm và chúng sẽ kết nối với nhau bằng các lực cơ bản của vũ trụ. Tuy nhiên, đây lại là một lỗi tư duy trong vật lý.

Có hai hiện tượng vật lý cơ bản mà chúng ta trải nghiệm hàng ngày nhưng không mấy ai thực sự để tâm tới là sóng biển và âm thanh. Sóng biển và âm thanh là gì? Cả 2 cùng hoạt động dựa trên 1 nguyên tắc là có một lực làm khởi nguồn, tác động lên các hạt vật chất, các hạt sẽ nhích một nhịp rất nhỏ để tác động các hạt bên cạnh nó. Từ đây chúng sẽ tạo ra một làn sóng năng lượng. Với âm thanh thì đó là các hạt vật chất trong không khí như hạt Nitro, hạt Oxy vân vân va vào nhau và tạo ra sóng. Với sóng biển thì đó là vô vàn các hạt nước va phải nhau.

Tuy nhiên…nếu ta coi vật chất là các hạt thì điều đó có nghĩa là ánh sáng không tồn tại. Ta đều biết ánh sáng là thứ nhanh nhất trong vũ trụ. Để một vật có khối lượng di chuyển với tốc độ của ánh sáng, nó sẽ cần có năng lượng đạt mức vô cực. Điều đó là vô lý, vậy nên để ánh sáng có thể di chuyển với tốc độ đó, nó cần phải không có khối lượng. Điều này nghe có vẻ vô lý nhưng thực chất, Einstein đã có phương trình để nói rằng năng lượng và vật chất về cơ bản là 1, E=mc2. Vậy nên ánh sáng không cần có khối lượng, nó chỉ có năng lượng là đủ.

Vậy thì, ánh sáng, không có khối lượng, di chuyển với tốc độ tối đa trong vũ trụ…bằng cách nào? Nếu nó là hạt thì nó phải có khối lượng, nếu nó không phải hạt thì sao nó có thể di chuyển được? Từ đây, các nhà nghiên cứu lượng tử đã nhận ra một sự thật, ánh sáng và vô vàn các thứ ta từng gọi là hạt đều không phải hẳn là hạt, chúng là các sản phẩm sinh ra từ trường lượng tử, Quantum Field.

Trường lượng tử chỉ ra rằng có nhiều lớp trường lượng tử khác nhau cùng tồn tại trên thời không. Chúng sẽ cho phép các lực tác động lên nhau và biến năng lượng thành các dạng hạt khác nhau. Nhờ điều này mà ánh sáng có thể tồn tại dưới dạng sóng năng lượng mà không cần hạt. Nhờ thế nó mới có thể di chuyển trong không gian hun hút của vũ trụ, nơi vật chất cách xa nhau cả vạn dặm.

Nhờ khám phá về trường lượng tử, các nhà khoa học có thể xác định được các hạt cơ bản của vạn vật, phân tích ra được rằng chúng mới là lớp nền của vật chất. Vật chất có thể tồn tại ở mọi nơi, muôn nơi dưới dạng năng lượng. Chúng có thể chuyển hóa từ năng lượng thành vật chất tùy vào tác động từ môi trường. Đó là lý do vì sao hạt Electron có thể ở bất cứ đâu xung quanh hạt nhân bởi vì nó không ở đó, nó là năng lượng xung quanh hạt nhân và có thể xuất hiện khi môi trường tác động lên.

Khám phá nền tảng này không chỉ mở rộng tư duy về vật chất mà còn cho chúng ta cơ hội được khám phá thế giới của những vật chất ở trạng thái chồng chập lượng tử, khi chúng vừa tồn tại vừa không tồn tại và chỉ thực sự được xác định khi đem ra kiểm chứng. Ví dụ nổi tiếng nhất về trạng thái này là con mèo Schrödinger do nhà vật lý Erwin Schrödinger vẽ ra nhằm giải thích về trạng thái đó.

Nhân loại đã dành hàng chục thập kỷ qua để nghiên cứu về thế giới lượng tử, xác định những hạt cơ bản tạo nên các lực cơ bản và các vật chất cơ bản của thế giới. Cuộc nghiên cứu dành cho lượng tử giới đã thành công tới mức lần đầu tiên ta có một ngành khoa học cứng cáp và trưởng thành trong thời gian ngắn như thế. Với thế giới lượng tử, ta gần như nắm chắc được mọi nguyên tắc và quy luật của các hạt cơ bản, cách chúng hoạt động và chúng sẽ làm gì trong thời điểm nào và ở đâu, tất cả đều nằm trong Nguyên lý bất định của đại thiên tài Werner Heisenberg.

Tuy nhiên, khi nhìn vào thành công của khoa học lượng tử, ta nhận ra nó vẫn có một lỗ hổng. Theo lý thuyết của Einstein, vật chất và năng lượng là một và vật chất sẽ có tác động lên thời không để bẻ cong nó, tạo nên trọng lực. Vậy thì các hạt cơ bản có trọng lực không? Câu trả lời sẽ là có phải không? Nó là năng lượng mà, ắt hẳn nó phải tác động lên thời không chứ. Nhưng sự thật là chúng ta không có cách nào để biết câu trả lời. Ở không gian nhỏ bé của các hạt cơ bản, chúng ta không thể tính được độ cong của thời không theo công thức của Einstein. Về cơ bản, trong thế giới lượng tử, thuyết tương đối trở thành vô nghĩa. Và đâu là nơi chúng ta tìm được điểm vô nghĩa đó? Điểm kỳ dị của hố đen.

Điểm kỳ dị của hố đen là nơi thuyết tương đối của Einstein vỡ vụn, không phải vì Einstein sai mà bởi vì đó là nơi thuộc về vật lý lượng tử. Và trong thế giới lượng tử, vật lý của Einstein trở nên vô nghĩa. Vì lý do đó, các nhà khoa học, bao gồm cả Einstein lao đầu vào thế giới lượng tử nhằm tìm ra điểm kết nối giữa thuyết tương đối và vật lý lượng tử, được gọi là Hấp dẫn lượng tử hay Quantum Gravity.

Tuy nhiên cho tới nay, chưa một nhà khoa học nào có phương trình hay ý tưởng nào chính xác khi mô tả khái niệm siêu thực này. Chỉ có 2 lý thuyết gần đúng nhất về hấp dẫn lượng tử hiện vẫn đang được nghiên cứu và phán xét là Lý thuyết hấp dẫn lượng tử vòng Quantum Loop và Lý thuyết dây String Theory. Cả 2 cùng có những biện chứng rất thuyết phục nhưng cũng chứa đựng đầy lỗ hổng.

Cả String Theory lẫn Quantum Loop đều chưa được công nhận bởi giới khoa học, chúng ta vẫn còn rất nhiều việc phải làm để đưa sự thật ra ánh sáng. Dù đây là một kết luận rất đen tối và thất vọng nhưng nó lại là một con đường vô cùng thú vị và đầy thử thách. Với lý thuyết chưa hoàn thiện của Newton, ta đã đưa con người lên mặt trăng. Với lý thuyết chưa hoàn thiện của Einstein, ta đã chụp được bức ảnh đầu tiên của hố đen.