Ngắm nhìn cõi hư vô (Bản tin khoa học công nghệ)

Thứ năm - 01/08/2019 11:15
Bức ảnh đầu tiên của một lỗ đen từ một thiên hà xa vời là thắng lợi lớn của khoa học, nó cho phép nhìn sâu hơn vào bản chất của vũ trụ. Các nhà khoa học còn tin rằng, những vị khổng lồ trọng lực này còn ẩn chứa chiếc chìa khóa mở ra một cái gì đó như là công thức cho thế giới.
Ngắm nhìn cõi hư vô (Bản tin khoa học công nghệ)
Khi lần đầu tiên T. Krichbaum nhìn thấy bức ảnh đó trên màn hình máy tính xách tay của mình, ông không tìn là thật. Tròn, đen, xung quanh là vòng sáng mờ: nó nhìn đúng như ông đã từng kỳ vọng. Đấy là bốn ngày vào tháng Tư năm 2017, trước đây chẵn hai năm, Krichbaum đang làm việc tại Đài Thiên văn trên đỉnh núi Pico Veleta giữa sa mạc Sierra Nevada ở Tây Ban Nha. Bức ảnh thu được là kết quả đo thu từ kính viễn vọng có chảo đường kính 30m, kết hợp cùng các kết quả đo thu từ những kính viễn vọng khác của những Đài Thiên văn ở Hawaii, Arizona, Hoa Kỳ, Mehico và ở Châu Nam Cực, nhưng trọng tâm của chiến dịch đo đạc này lại nằm ở kính viễn vọng “Alma“, ở độ cao 5000m giữa sa mạc Atacama thuộc Chi-lê, còn trung tâm tính toán là hai nơi: Viện Thiên văn Vô tuyến Max-Planck ở Bonn, CHLB Đức và Đài Thiên văn Haystack ở Boston, Hoa Kỳ. Khi ấy tất cả các máy đo đều phải hướng về trung tâm Thiên Hà Messier 87 (M87*). Cái ảnh mà các nhà khoa học chụp được là bóng râm của một lỗ đen siêu khổng lồ, nặng bằng 6,5 tỷ Mặt Trời. Cái ảnh đó là cái biên của một cõi hư vô, thế nhưng nó lại thể hiện kết quả tính toán đã trở thành thực tế và mở ra cho loài người cú ngắm vào tận cùng của thế giới.
Lỗ đen tập trung những khối lượng khổng lồ vào một điểm không gian duy nhất. Chẳng đâu lại có tác dụng những trường hấp dẫn mạnh như thế vào một không gian chật hẹp như thế. Chính vì thế mà lỗ đen là địa điểm mà ở đấy các nhà lý thuyết tìm ra câu trả lời rằng, liệu có thể thống nhất các định luật tự nhiên của thế giới vi mô và vĩ mô, của nguyên tử và Thiên Hà vào một công thức tổng quát của thế giới chăng.
Lỗ đen cũng là thách thức cực kỳ to lớn cho các nhà thiên văn vô tuyến. Phải nâng cao độ nhạy và độ phân giải của những bức ảnh vô tuyến. Chính vì thế mà các nhà thiên văn vô tuyến đã kết nối các chảo của nhiều kính viễn vọng với nhau, và tiến về phía sóng ngắn hơn. 10 năm, thời gian là chín muồi để họ làm việc đó và xây nên “Event Horizon Telescop-Kính viễn vọng chân trời sự kiện“ (EHT). Họ tính toán rồi nhất trí rằng, khi tất cả bọn họ cùng hướng các kính viễn vọng về M87* và tìm ở bước sóng 1,3mm thì đối tượng ấy phải có hình viền ở trung tâm Thiên Hà này. Nói ngắn gọn là phải nhìn thấy được lỗ đen ở vị trí đó.
Từ lâu, các nhà vật lý thiên văn đã phỏng đoán rằng, ở trung tâm nhiều Thiên Hà có trú ngụ những lỗ đen với khối lượng khổng lồ. Tuy nhiên chúng ở quá xa để chúng ta có thể phân giải hình ảnh chúng trong không gian. Chỉ có hai trường hợp là có thể được. Một là nguồn vô tuyến ở trung tâm Giải Ngân Hà, các nhà Thiên văn gọi tên là Sgr A* vì nó ở chòm sao Xạ Thủ (Sagittarius). Lỗ đen nếu có này ở xa chúng ta 26000 năm ánh sáng với khối lượng ngang bốn triệu Mặt Trời.
Trường hợp thứ hai chính là M87*. Lỗ đen này ở xa chúng ta hơn một ngàn lần lỗ đen kia. Thế nhưng nó lại nặng hơn đến cả ngàn lần, nên trên nền trời thì sẽ thấy M87* và Sgr A* lớn như nhau. Tháng tư 2017 các nhà khoa học của EHT đã quan sát cả hai lỗ đen. Thế nhưng sau khi đánh giá kết quả đo, các nhà khoa học đã quyết định trước hết hãy chỉ tập trung vào M87* bởi vì Sgr A* nhỏ nên hoạt động mạnh hơn. Các khí quay cuồng hàng giờ quanh cái hố này làm cho bức ảnh bị rung, nhưng họ cũng chưa đầu hàng, mà hứa sắp tới sẽ không chỉ cho xem một bức ảnh mà cả một cuốn phim về nó. Tạm thời họ cho mọi người thấy vòng plasma của M87*. Kính viễn vọng của họ nhìn từ trên xuống vòng này, khí quay theo chiều kim đồng hồ quanh lỗ đen, trục quay của phép tính mô hình là 180, nhưng cho đến nay các ý kiến chưa thống nhất. Có thể xác định được xung lực quay của lỗ đen chăng? Và nhận ra được các rễ của jets? Liệu có đúng là vòng lửa bập bùng? Còn tranh cãi nhiều quanh bức ảnh. Ý tưởng rằng, phải tồn tại các lỗ đen, hình thành ở Mặt trận Nga-Đức trong Thế chiến Một, trên chiến tuyến pháo binh Đức, và là của Karl Schwarzschild, giám đốc Đài Thiên văn Vật lý ở Potsdam gần Berlin, ông một trong những nhà thiên văn tài ba nhất thời ấy. Vì là người Đức–Do Thái, để chứng minh lòng yêu nước, ông đã tình nguyện nhập ngũ. Khi ấy A. Einstein vừa công bố “Thuyết tương đối Rộng“ của mình, nên để trả lời cho lý thuyết ấy, vị Trung úy pháo binh liền cho công bố bài báo khoa học: “Trường hấp dẫn của một điểm khối lượng theo lý thuyết của Einstein“. Dù Schwarzschild chưa gọi tên đích danh là lỗ đen thì trong công trình vẫn đã chứa ý tưởng về lỗ đen. Thế nhưng ông không tiếp tục ý tưởng này của mình được, bởi vì ông mắc một bệnh hiểm nghèo ngoài chiến trường rồi đã chết ngày 11.5.1916, khi mới 42 tuổi. Einstein báo cho Viện Hàn lâm Khoa học Phổ tin Schwarzschild vừa mất, nhưng ông không nhận ra được những kết luận về lỗ đen mà Schwarzschild đã rút ra từ lý thuyết của chính mình. Trong “Thuyết tương đối Rộng” của ông, Einstein đã mô tả vật chất làm biến dạng không gian bao quanh nó và ngược lại, sự biến dạng này gây lực nào lên vật chất. Trong các phương trình trường của Einstein thì bằng cách ấy, không gian và vật chất đã gắn kết với nhau thành một thể thống nhất động lực học. Trong các công thức đó, tương tác giữa tác động và phản tác động quá phức tạp nên Einstein không tin rằng, có thể tìm ra được những nghiệm chính xác. Nhưng chính Schwarzschild lại đã thành công cho trường hợp đặc biệt của một khối lượng dạng điểm. Nghiệm ông tìm ra là chính xác. Điểm khối lượng mà ông xử lý ở công trình này, uốn cong không gian bao quanh nó. Ở khoảng cách lớn thì hiệu ứng là nhỏ, nhưng gia tăng đến vô cùng lớn khi tiến đến gần khối lượng, không gian gần nó bị cong mạnh đến mức ngay cả ánh sáng cũng không bay thoát ra khỏi nó được. Và các tia ánh sáng do khối lượng phát ra cũng sẽ bị giam trong một cái bó gồm không gian và thời gian. Ngày nay chúng ta gọi nhà tù ánh sáng bao quanh điểm khối lượng này là “Chân trời sự kiện“
Đấy là một cái lỗ như vừa mới được cắt ra khỏi không gian. Một con tàu vũ trụ khi rời vào lỗ này sẽ biến mất mãi mãi, chẳng bao giờ bên ngoài nhận được thông tin từ nó phát ra. Thế nhưng ý tưởng này, dù chẳng có gì là đáng nghi ngờ, lại là quá cực đoan đối với Einstein. Vậy nên ông tiếp tục tính toán cho tới khi tin rằng, đã chứng minh được là không thể có lỗ đen. Vậy là Einstein lại đã phủ nhận cái phần táo bạo nhất trong ý tưởng của chính mình. Ở đây thì ông đã nhầm, nhưng phán xét của ông lại còn gây hệ quả nặng nề. Việc chính tác giả của thuyết tương đối cũng coi sự tồn tại của lỗ đen là không thể, đã củng cố niềm tin cho phe nghi ngờ nó. Cần đến 50 năm để cuối cùng thì ý tưởng về lỗ đen mới được giới chuyên môn công nhận là nghiêm túc. Dĩ nhiên không chỉ có riêng một mình Einstein, mà còn có nhiều nhà bác học khác đã ngờ vực. Thế nhưng trước hết là một lần nữa, chiến tranh lại quyết định vận mệnh của gã khổng lồ trọng lực.
Năm 1939 nhà vật lý Mỹ Robert Oppenheimer đã nêu những suy tư mà lẽ ra chúng đã có thể giúp cho việc, ý tưởng về lỗ đen được chấp nhận rộng rãi: ông kết luận rằng, số phận của những ngôi sao đủ lớn ở cuối đời nhất thiết phải là cú nổ tan thành một sự kỳ dịkhông gian-thời gian. Nhưng thời điểm công bố công trình của ông là ngày mùng một tháng chín 1939, lại cũng chính là ngày quân Hitler xâm chiếm Ba Lan. Vậy là đồng thời với sự kiện đó, một dạng khác của sự hủy diệt lại lôi cuốn sự chú ý của các nhà vật lý. Oppenheimer và tất cả những đồng nghiệp của ông đang quan tâm đến chốn địa ngục khi các ngôi sao xa vời chết, bây giờ lại phải chú ý đến nhiệm vụ châm ngòi cho ngọn lửa của Mặt Trời trên Trái Đất. Chỉ khi quả bom nguyên tử đã nổ tung, và Thế chiến kết thúc, thì câu hỏi của Schwarzschild về sự kỳ dị đầy bí ẩn mới lại được đưa vào tầm ngắm. Vào thời điểm ấy thì Sgr A*, gã khổng lồ ở trung tâm Giải Ngân Hà đã được phát hiện từ lâu rồi, và từ những năm ba mươi, một kỹ sư vô tuyến đã khẳng định rằng, có một cái nguồn phát từ chòm sao Xạ Thủ đã gây nhiễu cho việc truyền tin điện thoại qua Đại Tây Dương. Thế nhưng các nhà vật lý thiên văn chẳng hề quan tâm tới hiện tượng ấy. Họ bỏ qua nguồn phát nhiễu loạn dù nó lớn đến đâu, cứ như họ đã tạc dạ chân lý: cái không được phép tồn tại thì cũng sẽ không thể tồn tại. Chắc chắn ý nghĩ rằng ở đâu đó trên bầu trời có một gã khổng lồ đang ngủ, mà gã lại phát bức xạ mạnh hơn Mặt Trời hàng triệu lần, quá quái dị để họ phải đi sâu vào đó một cách nghiêm túc. Chỉ đến những năm sáu mươi thế kỷ trước, khi các kỹ sư vô tuyến khẳng định rằng, ở tư cách là nguồn phát sóng vô tuyến thì các Thiên Hà khác cũng phát xạ cực mạnh, thì mới có nghi ngờ là ở đây vấn đề xoay quanh những cái bẫy trọng lực mà Schwarzschild đã từng mô tả. Thế nhưng ngay khi đó thì sức kháng cự trong giới vật lý vẫn còn đủ lớn để chỉ sau hàng thập kỷ, nhận thức rằng, thật sự có tồn tại lỗ đen, mới được công nhận. Andrew Strominger, giáo sư vật lý lý thuyết đại học Havard, luôn thích thú khi nói về các phương trình với tọa độ trong không gian thứ nguyên cao của Einstein, bởi lẽ ở đó chứa nhiều bí mật mà khi giải được, ông đã phát hiện ra nhiều tính chất mới của các lỗ đen ngoài khối lượng khổng lồ, điện tích và xung lượng quay cực kỳ lớn. Những tính toán này góp phần tìm ra những nhận thức sau sắc hơn về hấp dẫn lượng tử.
Nhiều nhà vật lý lý thuyết đã thử gắn kết lý thuyết không-thời gian của Einstein với các quy luật vi mô của thế giới lượng tử nhưng đều thất bại. Nhưng nay đã đạt tới những tiến bộ quan trọng. Cái đích có vẻ xa vời dần đã hiện ra rõ ràng hơn. Theo GS. Strominger lời giải cho vấn đề này chỉ xoay quanh các lỗ đen. Ngay khi Schwarzschild đặt giả thíết về những kỳ dị không-thời gian, chúng đã gây sợ hãi cho các nhà vật lý, thậm chí cả Archibald Wheeler, người đặt ra cái tên “lỗ đen“, cũng gặp nhiều khó khăn với chúng. Nhưng nay thì họ hiểu, lỗ đen là cơ may lớn nhất cho họ. Strominger bảo: “Đang chuẩn bị cho một cuộc cách mạng, phía trước chúng ta là một cải biến lớn nhận thức về tự nhiên mà ít nhất nó cũng sâu sắc như trước đây trên trăm năm, thông qua Thuyết Tương đối của Einstein, sự thay đổi của quan niệm của chúng ta về không-thời gian đã gây ra“. Cuối cùng thì cũng đã có những bức ảnh của kính viễn vọng mà nhờ nó ông có thể kiểm chứng những ý tưởng của mình. Cùng Shep Doeleman, phụ trách Dự án EHT, ông đã thảo luận về những bức ẩnh ấy. “Các dữ liệu EHT ẩn chứa tất cả những điều tinh tế mà còn cần rất nhiều thời gian để kiểm chứng“, ông nói. Khi Strominger đang còn là sinh viên thì nhà vật lý trẻ Stephen Hawking ở đại học Cambridge, Anh Quốc, đã bắt đầu thử kết hợp lý thuyết về lỗ đen với cơ học lượng tử. Vậy là ông này đã đạt được những thành công bước đầu theo hướng hấp dẫn lượng tử’. Trong những tính toán của mình, Hawking đã xác định được rằng, các lỗ đen phát ra bức xạ - tuy hết sức yếu, nhưng vẫn đủ để cho trong quá trình nhiều tỷ năm, một lúc nào đó làm cho lỗ đen hóa hơi. Câu đố cho các nhà vật lý là: tất cả các thông tin mà trong quá trình tồn tại với vật chất đã rơi vào lỗ đen? Vào đầu những năm tám mươi, Strominger lao vào bài toán của cái gọi là nghịch lý thông tin và từ đó đến nay ông không rời nó.
Rất lâu sau, giới chuyên môn mới hiểu ra tầm quan trọng của nghịch lý này. Ông bảo: “Bây giờ đã đạt đến nhất trí: Khi thành công với việc giải vấn đề này thì từ đó sẽ dẫn đến một điều kỳ diệu. Trên con đường đi của mình, Strominger và Hawking luôn gặp nhau, thường nhất là khi nghiên cứu về nghịch lý thông tin. Vào những năm tám mươi khi bệnh tình còn nhẹ, Hawking còn nói được, sau đó bệnh tiến triển nhanh, Hawking chỉ truyền tin được qua máy tính của ông, càng ngày càng khó khăn hơn, Strominger kể: “Đầu tiên, dòng chảy từ nói ra còn là vài từ/phút, rồi cuối cùng chỉ là vài phút/từ“. Ít tháng trước khi Hawkin chết, Strominger còn cùng các đồng nghiệp người Anh là Malcom và Hawking tính toán, ông này chỉ trao đổi qua cái giọng máy tính mình. Làm việc cái Hawking rất khó khăn, nhưng được đền bù. Tháng mười năm ấy ba người công bố công trình, là cuối cùng đối với Hawkin. Ba nhà vật lý lý thuyết phát triển một ý tưởng mà người thường chúng ta hầu như không thể hiểu được: thông tin biến mất, họ lý luận, có lẽ nó đã được khắc trên bề mặt các lỗ đen dưới dạng các photon không có năng lượng.
Hiện nay với kỹ thuật giao thoa mới của máy Gravity, các nhà vật lý có thể nhìn sâu vào cái hang bức xạ của Sgr A*. Vậy là các bức ảnh vô tuyến và hồng ngoại mở ra một chương mới cho các nhà thiên văn vào vùng mà EHT mới khám phá. Lần đầu tiên không chỉ nhìn vào chính lỗ đen, mà vào vòng xoáy plasma nóng hừng hực đang cuồn cuộn quanh nó. Khí cuồn cuộn vào trung tâm một Thiên Hà tụ tập vào một vòng xung quanh lỗ đen trung tâm. Do ma sát mà nhiệt độ nó nóng lên nhiều tỷ độ. Plasma rừng rực cháy này bị những từ trường mạnh mà một phần của vật chất bó thành những tia các hạt. Jet này bắn vuông góc vào vũ trụ. Những lò plasma quanh lỗ đen thuộc vào những đối tượng bức xạ mạnh nhất vũ trụ. Nhưng chính vì thế mà các nhà vật lý còn chưa hiểu kỳ về chúng. Nay họ đã có thể nhìn rõ ngọn lửa cháy của các cơn bão plasma, đang xoáy quanh đáy Sgr A* với vận tốc bằng 1/3 vận tốc ánh sáng. Trên những bức ảnh EHT, các nhà thiên văn hy vọng có thể nhận ra điểm sâu nhất của một jet. Đấy sẽ là cú nhìn đầu tiên vào buồng đốt của một khẩu súng bắn bức xạ vũ trụ. Volker Springel và những nhà vật lý thiên văn ở Viện Vật lý Thiên văn Max Planck tại Garching gần Munich chỉ làm lý thuyết. Họ vẽ (tạo) ra những vũ trụ trên máy tính rồi theo dõi, tính toán, và dự báo. Ông bảo: “Ở chừng mức nào đó, tính toán của chúng tôi còn dễ hơn là dự báo thời tiết, vì chúng tôi có lợi thế hơn họ là chúng tôi đã biết trước chính xác những ban điều kiện đầu. Từ ngành vũ trụ học quan sát, những đồng nghiệp của Springel đã đo cái nền vi ba và cái ấy đã phản ánh lại vũ trụ ngay từ lúc khởi đầu, nghĩa là 400.000 năm sau vụ nổ gốc và ông chỉ phải chuyển vũ trụ mô phỏng về trạng thái này, rồi để cho trọng lực hoàn thành công việc của nó. Kết quả tuyệt vời: các pixel nhảy múa như điên trên màn hình rồi như được lái bởi những cánh tay thần thánh, tụ lại thành những đám mây nhỏ xíu rồi tạo ra những cánh tay xoắn ốc – đúng như những Thiên Hà thực thụ. Nhưng cũng có khó khắn: “Nguy nhất là xuất hiện quá nhiều ngôi sao“, Springel bảo. Ở đây luôn có các lỗ đen tham gia. Câu hỏi là: Liệu lỗ đen chỉ là những gã du thủ du thưc tự nuôi mình bởi vật chất rơi xuống chúng? Ít có khả năng ấy. Springel cấy các lỗ đen lên những Thiên Hà ảo. Khi hai Thiên Hà va chạm nhau, lỗ đen ngoạm ngay, nhưng rồi tính tham này lại cản trở chính nó. Các vụ phun trào này trải qua Thiên Hà như một cơn sóng. Vậy lỗ đen đóng góp vào việc điều chỉnh ngọn lửa của các ngôi sao. Và rồi những gã khổng lồ như M87* cũng lại trở thành những chú tý hon. Các nhà vật lý thiên văn đặt một khái niệm mới cho các Thiên Hà-Cụ Già này là: “rot und tot” – Đỏ rồi Chết. Trước đây 3 năm Stephen Hawking từng trao Black Hole Initiative (BHI) - Dự án Lỗ Đen cho đại học Harvard: trung tâm nghiên cứu lỗ đen đầu tiên trên thế giới, nay thì nó đã mang lại kết quả. Giám đốc BHI Avi Loeb, nhà vật lý thiên văn, bảo: “Chẳng có gì thu hút sự chú ý của các nhà khoa học tất cả các ngành như sự tìm hiểu những đối tượng đầy bí ẩn của vũ trụ là những lỗ đen“, còn nhà lịch sử khoa học Peter Galison thì bảo: “Ở lỗ đen, tất cả những điều huyền bí của thế giới đều kết dính lại với nhau“. Các lỗ đen, đối tượng vốn bị nhận thức sai và lãng quên hàng chục năm qua, nay lại được đưa vào trung tâm sự nghiên cứu. Việc đo được những sóng hấp dẫn xuất phát từ vụ va chạm các lỗ đen, trước đây 3 năm được coi là chứng minh không thể chối cãi của chúng và cũng đã đưa đến nỗ lực cho BHI trên. Hiện nay lỗ đen đã thành đề tài đang chú ý nhất không chỉ của các nhà vật lý lượng tử, mà còn cả các triết gia, các nhà toán học, các nhà thiên văn và rất nhiều ngành khoa học khác.
Chưa bao giờ, ở nơi mà không gian và thời gian va chạm và gắn kết với nhau đến thế, thì các định luật lượng tử và các lực hấp dẫn cũng đụng độ nhau đến mức hầu như chẳng thể hoà giải được. Ở đấy thì hiểu biết của các nhà khoa học đã kết thúc. Chỉ khi câu hỏi này được giải đáp thì ngành vật lý học mới hiểu được rõ hơn bản chất của vũ trụ, Loeb bảo. “Lỗ đen là đứa con của một cặp cha mẹ kỳ dị“, ông nói, “nó xuất hiện từ đám cưới của cơ học lượng tử và lý thuyết tương đối, và khi cha và mẹ đã kỳ dị đến thế thì đứa con phải điên khùng thế nào, để thống nhất hai cái gen ấy“.


Ngụy Hữu Tâm Theo Spiegel số 16, tháng tư, 2019

 

Nguồn tin: TRUNG TÂM THÔNG TIN - TƯ LIỆU, VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

Tổng số điểm của bài viết là: 0 trong 0 đánh giá

Click để đánh giá bài viết

  Ý kiến bạn đọc