Chương 11 - Sự xé rách cấu trúc của không gian (1)

Nếu như bạn kéo căng thật mạnh một màng cao su, thì sớm hay muộn nó cũng sẽ bị rách. Thực tế đơn giản này trong suốt nhiều năm đã gợi cho nhiều nhà vật lý câu hỏi: liệu điều đó có đúng với cấu trúc không gian tạo nên vũ trụ hay không? Tức là cấu trúc không gian liệu có bị xé rách hay đây chỉ là một ý nghĩ sai lạc do ta bám quá sát vào sự tương tự với màng cao su?

Thuyết tương đối rộng của Einstein trả lời là không, cấu trúc không gian không thể bị xé rách. Các phương trình của thuyết tương đối rộng bắt rễ vững chắc trong hình học Riamann, và như chúng ta đã thấy trong chương trước, thì hình học này là một khuôn khổ dùng để phân tích các biến dạng trong các quan hệ về khoảng cách giữa các vị trí ở gần nhau trong không gian. Để cho những quan hệ về khoảng cách có ý nghĩa thì hình thức luận toán học tạo nên cơ sở của khuôn khổ đó đòi hỏi rằng thể nền của không gian phải trơn. Đây là một thuật ngữ toán học, nhưng cách dùng thông thường của từ này cũng phản ánh được ý nghĩa căn bản của thuật ngữ đó: đó là không có nếp gấp, không có lỗ thủng, không có những mảnh tách rời đính lại với nhau và không bị xé rách. Và nếu như cấu trúc không gian có những chỗ kỳ dị (bất thường) như vậy thì các phương trình của thuyết tương đối rộng sẽ không còn dùng được nữa, và đó cũng là dấu hiệu của những tai biến vũ trụ này hay khác - một kết cục thảm họa mà vũ trụ yên lành của chúng ta rõ ràng đã tránh xa.

Tất nhiên, điều này cũng không cản nổi các nhà vật lý giàu trí tưởng tượng trong nhiều năm ròng vẫn kiên trì suy ngẫm về khả năng xây dựng một hình thức vật lý mới, vượt ra ngoài khuôn khổ lý thuyết cổ điển của Einstein, đồng thời bao hàm được cả cơ học lượng tử, trong đó sự gấp nếp, xé rách và sáp nhập của cấu trúc không gian có thể xảy ra. Thực tế, việc phát hiện ra rằng vật lý lượng tử dẫn tới những biến dạng rất mạnh ở các khoảng cách ngắn, đã khiến một số người suy đoán rằng sự xé rách và gấp nếp như thế có thể là một đặc trưng chung của cấu trúc không gian trong thế giới vi mô. Khái niệm lỗ sâu đục (một khái niệm khá quen thuộc với những người hâm mộ khoa học viễn tưởng Star Trek) chính là đã sử dụng những suy tư đó. Ý tưởng ở đây khá đơn giản: hãy hình dung bạn là tổng giám đốc của một công ty lớn có văn phòng đặt tại tầng thứ chín của tháp trung tâm thương mại quốc tế ở New york. Do sự trớ trêu của lịch sử tách, nhập của công ty bạn còn có một bộ phận đặt ở tầng chín của tháp bên cạnh, mà lại là một bộ phận thường xuyên bạn phải tiếp xúc. Vì việc di chuyển địa điểm là một việc không thực tế, nên bạn nảy ra một dự định rất tự nhiên, đó là xây dựng một chiếc cầu nối hai tháp bắc từ văn phòng này sang văn phòng kia. Điều này cho phép nhân viên của hai bên có thể đi lại thoải mái giữa hai văn phòng, khỏi phải đi xuống rồi lại phải đi lên tận tầng chín.

Một lỗ sâu đục cũng có vai trò tương tự: nó là một cầu nối hoặc một đường hầm để đi tắt từ một vùng này đến một vùng khác của vũ trụ. Dùng mô hình hai chiều, ta tưởng tượng một vũ trụ có dạng hình chữ U, như được minh họa trên hình 11.1. Nếu như văn phòng chính của bạn đặt gần vòng tròn dưới trong hình 11.1 (a) thì bạn chỉ có thể tới văn phòng 2 đặt gần vòng tròn trên bằng cách đi theo toàn bộ con đường hình chữ U, nghĩa là bạn phải đi từ đầu này tới đầu kia của vũ trụ. Nhưng nếu cấu trúc của không gian có thể xé rách, tạo thành các lỗ như trên hình 11.1 (b) và những lỗ này có thể “mọc” thành các vòi nhập lại với nhau, như hình minh họa trên hình 11.1 (c), thì một cầu không gian sẽ nối hai vùng trước kia vốn ở xa nhau trong vũ trụ. Đó chính là một lỗ sâu đục. Cần lưu ý rằng, mặc dù lỗ sâu đục có sự tương tự nào đó với chiếc cầu nối hai tháp của trung tâm thương mại quốc tế, nhưng chúng có một sự khác nhau rất căn bản. Đó là: chiếc cầu nối hai tháp này bắc qua một vùng không gian đã có sẵn, tức là khoảng không gian giữa hai tháp. Trái lại, lỗ sâu đục tạo ra một vùng không gian mới, vì không gian hai chiều uốn cong thành hình chữ U trên hình 11.1 (a), là tất cả những gì vốn có (trong mô hình hai chiều của chúng ta). Những vùng nằm ngoài mặt hai chiều này đơn thuần chỉ phản ánh sự thiếu sót của hình minh họa, vì nó vẽ vũ trụ hình chữ U như là một đối tượng nằm trong vũ trụ chúng ta, tức là vũ trụ có số chiều cao hơn. Lỗ sâu đục tạo ra không gian mới và do đó mở ra con đường tới vùng lãnh thổ không gian mới.

Vậy những lỗ sâu đục có thực sự tồn tại trong vũ trụ chúng ta hay không? Không ai biết cả. Và cứ giả dụ là chúng có tồn tại đi nữa, thì cũng còn lâu mới hiểu được là chúng chỉ tồn tại dưới dạng vi mô hay trải rộng qua những vùng rộng lớn của vũ trụ (như trong các phim viễn tưởng). Nhưng một yếu tố hết sức căn bản để khẳng định các lỗ sâu đục là một thực tại hay viễn tưởng, đó là phải xác định được có thể xẻ rách cấu trúc của không gian hay không?









Hình 11.1 (a). Trong vũ trụ “hình chữ U” chỉ có một cách duy nhất đi từ đầu này tới đầu kia của nó là phải đi ngang qua toàn bộ vũ trụ. (b). Cấu trúc của không gian bị xé rách và một lỗ sâu đục bắt đầu được mọc ra. (c). Hai đầu lỗ sâu đục nhập làm một, tạo ra một chiếc cầu mới - một đường tắt - từ đầu này tới đầu kia của vũ trụ.

Các lỗ đen cho ta một ví dụ hấp dẫn khác về sự kéo giãn cấu trúc của không gian tới những giới hạn của nó. Trong hình 3.7 chúng ta đã thấy rằng trường hấp dẫn cực mạnh của lỗ đen đã gây ra độ cong lớn tới mức làm cho cấu trúc của không gian dường như bị thủng ở tâm của nó. Không giống như các lỗ sâu đục, có những bằng chứng thực nghiệm khá chắc chắn về sự tồn tại của các lỗ đen, do đó câu hỏi về điều gì thực sự xảy ra ở tâm của nó là một câu hỏi khoa học chứ không phải câu hỏi có tính chất tư biện. Lại một lần nữa, những phương trình của thuyết tương đối không còn dùng được nữa trong những điều kiện cực hạn như vậy. Một số nhà vật lý thì cho rằng, thực sự có các lỗ thủng, nhưng chúng ta đã được bảo vệ đối với điểm “kỳ dị” vũ trụ đó bởi chân trời sự kiện của lỗ đen, vì không có gì có thể thoát được ra khỏi vòng xiết của lực hấp dẫn tại đó. Lý luận này đã dẫn Roger Penrose thuộc Đại học Oxford đưa ra giả thuyết về “sự kiểm duyệt vũ trụ”, theo đó tất cả các điểm kỳ dị của không gian chỉ được phép xảy ra nếu như chúng ta được ẩn dấu phía sau bức màn chân trời sự cố, khuất mắt chúng ta. Mặc khác, trước khi có lý thuyết dây, một số nhà vật lý còn phỏng đoán rằng một sự hòa nhập thích hợp giữa cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng sẽ cho thấy sự đục thủng biểu kiến của không gian thực tế đã được làm cho trơn tru, hay “được khâu lại” nếu có thể nói như vậy bởi những lý do tương tự.

Việc phát minh ra lý thuyết dây và sự thống nhất hài hòa giữa cơ học lượng tử và lực hấp dẫn, cuối cùng đã cho phép chúng ta nghiên cứu những vấn đề đó. Cho tới nay các nhà lý thuyết dây chưa thể trả lời một cách thật đầy đủ những câu hỏi trên, nhưng những năm gần đây, có một số vấn đề cũng đã được giải quyết. Trong chương này, chúng ta sẽ thấy, lần đầu tiên, lý thuyết dây đã chứng tỏ được một cách chắc chắn rằng thực sự có những tình huống vật lý - khác với các lỗ sâu đục và các lỗ đen - trong đó cấu trúc không gian có thể bị xé rách.