Chương 13 - Các lỗ đen theo quan điểm của lý thuyết dây - lý thuyết - M

Các lỗ đen theo quan điểm của lý thuyết dây - lý thuyết - M

Sự xung đột trước khi có lý thuyết dây giữa thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử đã xúc phạm tới tình cảm sâu xa của chúng ta vốn cho rằng các định luật của tự nhiên phải gắn kết với nhau trong một chỉnh thể hài hòa. Tuy nhiên, sự xung đột này không phải là sự tách rời trừu tượng cao vời. Những điều kiện vật lý cực hạn xảy ra ở thời điểm Big Bang và phổ biến trong các lỗ đen sẽ không thể hiểu được nếu như không có một lý thuyết lượng tử của lực hấp dẫn. Với sự phát minh ra lý thuyết dây, giờ đây chúng ta hy vọng sẽ giải đáp được những điều bí ẩn sâu xa đó. Trong chương này và chương tiếp sau, chúng tôi sẽ mô tả chặng đường mà các nhà lý thuyết dây đã đi được trên hành trình tìm hiểu các lỗ đen và nguồn gốc của vũ trụ.

Lỗ đen và hạt sơ cấp

Thoạt nhìn, khó có thể hình dung hai vật nào lại khác nhau ghê gớm như các lỗ đen và hạt sơ cấp. Chúng ta thường hình dung các lỗ đen là những thiên thể kỳ vĩ nhất còn các hạt sơ cấp là những mẩu bé nhỏ nhất của vật chất. Nhưng những nghiên cứu của Demetrios Chritodoulou, Werner Israel, Richard Price, Brandon Carter, Roy Kerr, David Robinson, Hawking và Penrose cùng với nhiều nhà vật lý khác vào cuối những năm 1960 và đầu những năm 1970 đã chứng tỏ rằng các lỗ đen và các hạt sơ cấp có lẽ không khác nhau ghê gớm như người ta tưởng. Họ đã tìm ra những bằng chứng ngày càng có sức thuyết phục hơn về cái mà John Wheeler đã tổng kết trong mệnh đề: “các lỗ đen không có tóc”. Ý của Wheeler là muốn nói rằng, ngoài một số rất ít các đặc điểm phân biệt ra, tất cả các lỗ đen đều giống nhau.

Những đặc điểm phân biệt đó là gì? Thứ nhất, tất nhiên, là khối lượng của lỗ đen. Thế còn những đặc điểm khác? Nhiều nghiên cứu còn phát hiện ra rằng, các lỗ đen cũng mang điện tích và một số tích lực khác cũng như cả vận tộc tự quay (spin) nữa. Và chỉ có thế thôi. Như vậy, hai lỗ đen có cùng khối lượng, cùng các tích lực và cùng spin sẽ hoàn toàn đồng nhất với nhau. Các lỗ đen không có những “kiểu tóc” cầu kỳ, tức là những đặc điểm nội tại khác, để phân biệt với nhau. Điều đó lẽ nào không gợi cho bạn điều gì sao? Hãy nhớ lại rằng chính những tính chất như khối lượng, các tích lực và spin cũng là những đặc điểm để phân biệt các hạt sơ cấp. Sự tương tự về những tính chất nhận dạng như thế, trong nhiều năm, đã dẫn nhiều nhà vật lý tới một lối suy diễn lạ lùng là: rất có thể các lỗ đen thực sự là các hạt sơ cấp khổng lồ.

Thực ra, theo lý thuyết của Einstein, không có một giới hạn cực tiểu nào đối với khối lượng của một lỗ đen. Nếu chúng ta nén một mẩu vật chất có khối lượng bất kỳ tới một kích thước đủ nhỏ, thì những tính toán không mấy khó khăn theo thuyết tương đối rộng sẽ chứng tỏ rằng nó sẽ trở thành một lỗ đen. (Khối lượng càng bé thì phải nén tới kích thước càng nhỏ). Và như vậy, chúng ta có thể hình dung một thí nghiệm tưởng tượng, trong đó xuất phát từ những giọt vật chất nhỏ dần, nén chúng tới những kích thước bé dần, rồi đem so sánh những lỗ đen tạo thành với những hạt sơ cấp. Mệnh đề không có tóc của Weeler sẽ dẫn chúng ta tới kết luận rằng đối với những khối lượng đủ nhỏ, các lỗ đen mà chúng ta tạo nên theo cách đó sẽ nhìn rất giống các hạt sơ cấp. Cả hai nhìn đều giống như những gói nhỏ vật chất được đặc trưng hoàn toàn bởi khối lượng, các tích lực và spin.

Nhưng có một điểm khác biệt mấu chốt. Các lỗ đen trong vật lý thiên văn, với khối lượng lớn hơn Mặt Trăng nhiều lần, có kích thước và nặng tới mức cơ học lượng tử hầu như không có liên quan và chỉ cần dùng các phương trình của lý thuyết tương đối rộng để tìm hiểu các tính chất của chúng (ở đây chúng ta mới chỉ xét cấu trúc tổng thể của các lỗ đen, chứ chưa nói đến điểm kỳ dị trung tâm ở bên trong lỗ đen. Kích thước cực kỳ nhỏ bé của vùng trung tâm này chắc chắn sẽ đòi hỏi phải dùng tới cơ học lượng tử). Tuy nhiên, khi chúng ta thử làm cho khối lượng của các hố đen nhỏ dần, sẽ tới một điểm các hố đen này nhẹ và nhỏ tới mức cơ học lượng tử phải vào cuộc. Điều này xảy ra nếu như khối lượng toàn phần của lỗ đen cỡ khối lượng Planck hoặc nhỏ hơn. (Trên quan điểm vật lý của các hạt sơ cấp, khối lượng Planck là rất lớn - nó lớn hơn khối lượng của proton cỡ 10 tỷ tỷ lần. Tuy nhiên, trên quan điểm của các lỗ đen, thì khối lượng Planck chỉ cỡ khối lượng của hạt bụi trung bình, nghĩa là rất nhỏ bé). Và như vậy, các nhà vật lý, những người đã từng xem các lỗ đen nhỏ xíu và các hạt sơ cấp có mối liên hệ gần gũi với nhau, sẽ ngay lập tức vấp phải sự không tương thích giữa thuyết tương đối tổng quát - trái tim lý thuyết của các lỗ đen, và cơ học lượng tử. Trong quá khứ, chính sự không tương thích này đã cản trở hoàn toàn sự tiến bộ theo phương hướng nghiên cứu hấp dẫn đó