Đừng sợ rơi vào một hố đen vì bạn có thể bước vào không gian ảnh ba chiều

Trong bộ phim Interstellar (Giữa các vì sao), nhân vật chính Cooper thoát ra từ một lỗ đen đúng lúc để nhìn con gái Murph trong những ngày cuối cùng của cô. Một số người cho rằng bộ phim rất khoa học và nên được dạy trong trường học. Trên thực tế, nhiều nhà khoa học tin rằng bất cứ thứ gì bị lọt vào lỗ đen đều chắc chắn sẽ bị phá hủy. Tuy nhiên, một nghiên cứu mới cho thấy trường hợp khác có thể xảy ra.

Nghiên cứu nói rằng, thay vì bị phá hủy, một người rơi vào lỗ đen sẽ thực sự bị cuốn vào một không gian ảnh ba chiều, mà họ không hề hay biết. Luận văn này thách thức lý thuyết đối nghịch nói rằng bất kỳ ai rơi vào một lỗ đen sẽ chạm vào một “bức tường lửa” và ngay lập tức bị phá hủy.

Lỗ đen của Hawking

Bốn mươi năm trước, Stephen Hawking đã làm chấn động giới khoa học với phát hiện của ông rằng lỗ đen không thực sự đen. Vật lý học cổ điển cho rằng bất kỳ thứ gì rơi vào phạm vi của lỗ đen sẽ không bao giờ có thể thoát ra được. Tuy nhiên, Hawking cho rằng những lỗ đen liên tục phát ra một bức xạ có tác dụng lượng tử. Không may thay, đối với lỗ đen điển hình trong vật lý thiên văn, nhiệt độ của bức xạ này thấp hơn nhiều so với các sóng ngắn vũ trụ xung quanh, điều này có nghĩa là việc phát hiện bức xạ này nằm ngoài khả năng của công nghệ hiện nay.

Sự tính toán của Hawking khá phức tạp. Nếu một lỗ đen liên tục phát ra bức xạ, nó sẽ liên tục bị thất thoát lượng khối lượng lớn, cuối cùng là bốc hơi mất. Hawking nhận ra rằng điều này ám chỉ đến một nghịch lý: nếu một lỗ đen có thể bốc hơi, thông tin về nó sẽ bị mất đi mãi mãi. Điều này có nghĩa là ngay cả khi chúng ta có thể đo lường bức xạ từ một lỗ đen, chúng ta cũng không bao giờ có thể tìm ra cách hình thành lỗ đen. Điều này vi phạm một quy tắc quan trọng của cơ học lượng tử vốn nhấn mạnh rằng thông tin không thể tự nhiên mất đi hay tạo ra.

Một cách khác để nhìn vào điều này bức xạ Hawking đặt ra một vấn đề với thuyết quyết định đối với các lỗ đen. Thuyết quyết định cho rằng trạng thái của vũ trụ tại bất kỳ thời gian nào đó là nguyên nhân quyết định trạng thái của nó tại bất kỳ thời điểm nào khác. Đây là cách mà chúng ta có thể theo dõi sự tiến hóa của thiên văn học và toán học thông qua cơ học lượng tử.

Điều này có nghĩa là sự thất bại của thuyết quyết định sẽ xuất phát từ sự hợp nhất giữa cơ học lượng tử với thuyết hấp dẫn của Einstein, một vấn đề nổi tiếng khó khăn và là mục tiêu cuối cùng của nhiều nhà vật lý. Những lỗ đen là thử nghiệm cho bất kỳ lý thuyết hấp dẫn lượng tử nào. Bất kể lý thuyết đưa ra là gì, nó phải giải thích được những gì sẽ xảy ra với thông tin lịch sử của một lỗ đen.

Phải mất hai thập kỷ cho các nhà khoa học để tìm ra một giải pháp. Họ cho rằng những thông tin được lưu trữ trong một lỗ đen là tỷ lệ thuận với diện tích bề mặt của nó (hai chiều) chứ không phải là thể tích (ba chiều). Điều này có thể được giải thích bởi lực hấp dẫn lượng tử, nơi không gian ba chiều có thể được xây dựng lại từ một thế giới hai chiều vốn không có trọng lực giống như một ảnh ba chiều. Ngay sau đó, lý thuyết dây, lý thuyết được nghiên cứu nhiều nhất về lực hấp dẫn lượng tử, đã chứng minh là có ba chiều theo cách này.

Sử dụng phép chụp ảnh giao thoa la-de chúng ta có thể mô tả sự bay hơi của lỗ đen trong thế giới hai chiều không có trọng lực, nơi các quy tắc thông thường của cơ học lượng tử được áp dụng. Quá trình này là theo thuyết quyết định, với các khiếm khuyết nhỏ trong sự bức xạ ghi lại lịch sử của lỗ đen. Vì vậy phép chụp ảnh giao thoa la-de cho chúng ta biết rằng thông tin không bị mất trong lỗ đen, nhưng việc theo dõi các lỗ hổng trong lập luận ban đầu của Hawking hết sức khó khăn.

Lý thuyết dây chống lại tường lửa

Nhưng chính xác là các lỗ đen được lý thuyết lượng tử mô tả trông khó khăn để tìm ra giải pháp. Năm 2003, Samir Mathur đề xuất rằng các lỗ đen thực chất là được mô hình hóa theo lý thuyết dây, trong đó không có đường chân trời sự kiện sắc nét. Sự dao động lượng tử xung quanh khu vực chân trời sự kiện lưu lại thông tin về lịch sử của lỗ đen và do đó Mathur đề xuất giải quyết nghịch lý thông tin này. Tuy nhiên, ý tưởng đã vấp phải sự chỉ trích vì nó ngụ ý rằng khi ai đó rơi vào một mô hình lý thuyết dây có trải nghiệm khác biệt với người rơi vào lỗ đen theo lý thuyết tương đối rộng của Einstein.

Sự mô tả tổng quát của những lỗ đen cho thấy rằng khi bạn đi qua chân trời sự kiện, bề mặt của một lỗ đen, bạn có thể đi vào sâu hơn và sâu hơn. Khi bạn tiến vào, không gian và thời gian trở nên biến dạng cho đến khi chúng đạt đến một điểm gọi là “điểm kỳ dị” nơi mà quy luật vật lý không còn tồn tại (Mặc dù trên thực tế, bạn sẽ chết khá sớm trong cuộc hành trình này khi bạn bị kéo thành nhiều mảnh do áp lực cao của lực thủy triều).

Trong vũ trụ không gì vượt ra ngoài chân trời sự kiện. Hiện nay, một lý thuyết hấp dẫn lượng tử đối nghịch là ai rơi vào lỗ đen sẽ chạm một “bức tường lửa” và sẽ ngay lập tức bị phá hủy. Đề xuất bức tường lửa đã bị chỉ trích vì (giống mô hình lý thuyết dây) nó có hành vi khác nhau ở đường chân trời hơn những lỗ đen tương đối rộng.

Nhưng Mathur cho rằng để một người quan sát bên ngoài, thì ai đó rơi vào mô hình thuyết hình dây hầu như tương tự cách một người rơi vào lỗ đen Einstein, mặc dù những người rơi vào sẽ có cảm giác khác nhau. Những người khác nghiên cứu các bức tường lửa và thuyết hình dây cũng có thể cảm thấy rằng lý lẽ này dựa vào các ví dụ ông sử dụng. Mathur đã sử dụng một sự mô tả rõ ràng của một loại đặc biệt của mô hình lý thuyết dây để lập luận. Những mô hình thuyết hình dây đặc biệt này có thể rất khác với những mô hình lý thuyết dây cần thiết để mô tả các hố đen vật lý học thiên thể thực tế.

Cuộc tranh luận một người rơi vào hố đen thì sẽ như thế nào sẽ có thể được tiếp tục trong một thời gian dài. Các câu hỏi quan trọng để hiểu không phải là vùng chân trời được xây dựng lại như một ảnh ba chiều, mà là chính xác là nó xảy ra như thế nào.

Marika Taylor là một giáo sư vật lý lý thuyết tại Đại học Southampton. Bài viết này được công bố trên tờ Conversation. Đọc bài viết gốc tại đây.

Thanh Phong, dịch từ The Epoch Times