Vì vậy, có bạn, sắp nhảy vào một lỗ đen. Điều gì có thể chờ đợi - chống lại tất cả các tỷ lệ cược - bằng cách nào đó bạn sống sót? Bạn sẽ kết thúc ở đâu và những câu chuyện trêu ngươi nào bạn có thể tái hiện nếu bạn xoay sở để quay trở lại?
Câu trả lời đơn giản cho tất cả những câu hỏi này là, như Giáo sư Richard Massey giải thích, "Ai biết?" Là một thành viên nghiên cứu của Hiệp hội Hoàng gia tại Viện Vũ trụ tính toán tại Đại học Durham, Massey hoàn toàn nhận thức được rằng những bí ẩn của hố đen chạy sâu. "Rơi qua một chân trời sự kiện thực sự vượt ra khỏi bức màn - một khi ai đó vượt qua nó, không ai có thể gửi tin nhắn trở lại", ông nói. "Chúng sẽ bị xé toạc thành từng mảnh bởi lực hấp dẫn khổng lồ, vì vậy tôi nghi ngờ bất kỳ ai rơi xuống sẽ đi đến bất cứ đâu."
Nếu đó là một câu trả lời đáng thất vọng - và đau đớn - thì đó là điều được mong đợi. Kể từ khi thuyết tương đối rộng của Albert Einstein được coi là đã dự đoán các lỗ đen bằng cách liên kết không-thời gian với tác động của trọng lực, người ta đã biết rằng các lỗ đen là kết quả từ cái chết của một ngôi sao lớn để lại một lõi nhỏ còn sót lại dày đặc. Giả sử lõi này có khối lượng lớn gấp ba lần mặt trời, lực hấp dẫn sẽ áp đảo đến mức nó sẽ tự rơi vào một điểm, hay điểm kỳ dị, được hiểu là lõi dày đặc vô hạn của lỗ đen.
Kết quả là lỗ đen không thể ở được sẽ có lực hấp dẫn mạnh mẽ đến mức mà ngay cả ánh sáng cũng không thể tránh được. Vì vậy, sau đó bạn nên thấy mình ở chân trời sự kiện - điểm mà ánh sáng và vật chất chỉ có thể đi vào bên trong, như đề xuất của nhà thiên văn học người Đức Karl Schwarzschild - không có lối thoát. Theo Massey, các lực thủy triều sẽ làm giảm cơ thể bạn thành các chuỗi nguyên tử (hay 'spaghettization', như nó cũng được biết đến) và cuối cùng vật thể sẽ bị nghiền nát ở điểm kỳ dị. Ý tưởng mà bạn có thể bật ra ở đâu đó - có lẽ ở phía bên kia - dường như hoàn toàn tuyệt vời.
Một lỗ sâu đục thì sao?
Hoặc là nó? Trong nhiều năm, các nhà khoa học đã xem xét khả năng các lỗ đen có thể là lỗ sâu đục cho các thiên hà khác. Họ thậm chí có thể, như một số người đã gợi ý, một con đường đến vũ trụ khác.
Một ý tưởng như vậy đã trôi nổi trong một thời gian: Einstein đã hợp tác với Nathan Rosen để đưa ra giả thuyết về những cây cầu kết nối hai điểm khác nhau trong không gian vào năm 1935. Nhưng nó đã đạt được một nền tảng mới vào những năm 1980 khi nhà vật lý Kip Thorne - một trong những người trên thế giới các chuyên gia hàng đầu về ý nghĩa vật lý thiên văn của thuyết tương đối rộng của Einstein - đã đưa ra một cuộc thảo luận về việc liệu các vật thể có thể đi qua vật lý chúng hay không.
"Đọc cuốn sách nổi tiếng về hố giun của Kip Thorne là điều đầu tiên khiến tôi hào hứng về vật lý khi còn nhỏ", Massey nói. Nhưng dường như không có lỗ hổng nào tồn tại.
Thật vậy, Thorne, người cho mượn lời khuyên chuyên môn của mình cho đội ngũ sản xuất cho bộ phim Hollywood Interstellar, đã viết: "Chúng ta không thấy vật thể nào trong vũ trụ của chúng ta có thể trở thành hố sâu khi chúng già đi", trong cuốn sách "The Science of Interstellar" (WW Norton và Công ty, 2014). Thorne nói với Space.com rằng các chuyến đi qua các đường hầm lý thuyết này rất có thể sẽ vẫn là khoa học viễn tưởng, và chắc chắn không có bằng chứng chắc chắn nào cho thấy một lỗ đen có thể cho phép đi qua như vậy.
Nhưng, vấn đề là chúng ta không thể đến gần để tự mình nhìn thấy. Tại sao, chúng ta thậm chí không thể chụp ảnh bất cứ thứ gì diễn ra bên trong lỗ đen - nếu ánh sáng không thể thoát khỏi lực hấp dẫn to lớn của chúng, thì không có gì có thể chụp được bằng máy ảnh. Vì thế, lý thuyết cho thấy rằng bất cứ điều gì vượt ra ngoài chân trời sự kiện chỉ đơn giản là được thêm vào lỗ đen và, hơn nữa, vì thời gian bị bóp méo gần ranh giới này, điều này sẽ xuất hiện rất chậm, vì vậy câu trả lời sẽ không nhanh chóng sắp tới
"Tôi nghĩ rằng câu chuyện tiêu chuẩn là chúng dẫn đến sự kết thúc của thời gian", Douglas Finkbeiner, giáo sư thiên văn học và vật lý tại Đại học Harvard nói. "Một người quan sát ở xa sẽ không thấy người bạn phi hành gia của họ rơi vào hố đen. Họ sẽ trở nên đỏ hơn và mờ hơn khi đến gần chân trời sự kiện. Nhưng người bạn rơi ngay vào một nơi xa hơn 'mãi mãi'. Dù điều đó có nghĩa là gì. "
Có thể một lỗ đen dẫn đến một lỗ trắng
Chắc chắn, nếu các lỗ đen dẫn đến một phần khác của thiên hà hoặc vũ trụ khác, thì sẽ cần phải có một cái gì đó đối nghịch với chúng ở phía bên kia. Đây có thể là một lỗ trắng - một lý thuyết được đưa ra bởi nhà vũ trụ học người Nga Igor Novikov vào năm 1964? Novikov đề xuất rằng một lỗ đen liên kết với một lỗ trắng tồn tại trong quá khứ. Không giống như lỗ đen, lỗ trắng sẽ cho phép ánh sáng và vật chất rời đi, nhưng ánh sáng và vật chất sẽ không thể đi vào.
Các nhà khoa học đã tiếp tục khám phá mối liên hệ tiềm năng giữa các lỗ đen và trắng. Trong nghiên cứu năm 2014 được công bố trên tạp chí Phys Review D, các nhà vật lý Carlo Rovelli và Hal M. Haggard tuyên bố rằng "có một số liệu cổ điển thỏa mãn các phương trình Einstein bên ngoài một khu vực không gian hữu hạn nơi vật chất sụp đổ vào một lỗ đen và sau đó xuất hiện từ một lỗ đen một lỗ thời gian. " Nói cách khác, tất cả các lỗ đen vật chất đã nuốt có thể bị phun ra và lỗ đen có thể trở thành lỗ trắng khi chúng chết.
Khác xa với việc phá hủy thông tin mà nó hấp thụ, sự sụp đổ của một lỗ đen sẽ bị dừng lại. Thay vào đó, nó sẽ trải qua một lần nảy lượng tử, cho phép thông tin thoát ra. Nếu đây là trường hợp, nó sẽ làm sáng tỏ một đề xuất của cựu nhà vũ trụ học và nhà vật lý lý thuyết của Đại học Cambridge, Stephen Hawking, vào những năm 1970, đã khám phá khả năng các lỗ đen phát ra các hạt và bức xạ - nhiệt nhiệt - là kết quả của sự biến động lượng tử .
"Hawking nói rằng một lỗ đen không tồn tại mãi mãi," Finkbeiner nói. Hawking tính toán rằng bức xạ sẽ khiến một lỗ đen mất năng lượng, co lại và biến mất, như được mô tả trong bài báo năm 1976 của ông được công bố trên Tạp chí Vật lý D. Cho rằng tuyên bố của ông rằng bức xạ phát ra là ngẫu nhiên và không chứa thông tin về những gì đã rơi vào, lỗ đen, sau vụ nổ của nó, sẽ xóa đi vô số thông tin.
Điều này có nghĩa là ý tưởng của Hawking đã mâu thuẫn với lý thuyết lượng tử, nói rằng thông tin không thể bị phá hủy. Vật lý nói rằng thông tin trở nên khó tìm hơn bởi vì, nếu nó bị mất, nó trở nên không thể biết được quá khứ hay tương lai. Ý tưởng của Hawking đã dẫn đến 'nghịch lý thông tin lỗ đen' và nó đã khiến các nhà khoa học bối rối từ lâu. Một số người đã nói Hawking đơn giản là sai, và chính người đàn ông này thậm chí đã tuyên bố rằng ông ta đã mắc lỗi trong một hội nghị khoa học ở Dublin năm 2004.
Vì vậy, chúng ta có quay trở lại khái niệm lỗ đen phát ra thông tin được bảo tồn và ném nó trở lại qua lỗ trắng không? Có lẽ. Trong nghiên cứu năm 2013 của họ được công bố trên Tạp chí Vật lý, Jorge Pullin tại Đại học bang Louisiana và Rodolfo Gambini tại Đại học Cộng hòa ở Montevideo, Uruguay, đã áp dụng lực hấp dẫn lượng tử vòng vào một lỗ đen và thấy rằng lực hấp dẫn tăng về phía lõi nhưng giảm và bị biến dạng bất cứ điều gì đã đi vào một khu vực khác của vũ trụ. Các kết quả đã tạo thêm uy tín cho ý tưởng về các lỗ đen đóng vai trò là một cổng thông tin. Trong nghiên cứu này, điểm kỳ dị không tồn tại, và do đó, nó không tạo thành một rào cản không thể xuyên thủng mà cuối cùng nghiền nát bất cứ điều gì nó gặp phải. Điều đó cũng có nghĩa là thông tin không biến mất.
Có lẽ lỗ đen không đi đến đâu
Tuy nhiên, các nhà vật lý Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joseph Polchinski và James Sully vẫn tin rằng Hawking có thể đã gặp phải điều gì đó. Họ đã nghiên cứu một lý thuyết được gọi là tường lửa AMPS, hay giả thuyết tường lửa lỗ đen. Theo tính toán của họ, cơ học lượng tử có thể biến chân trời sự kiện thành một bức tường lửa khổng lồ và bất cứ thứ gì tiếp xúc sẽ bị đốt cháy ngay lập tức. Theo nghĩa đó, các lỗ đen không dẫn đến đâu vì không có gì có thể vào được bên trong.
Tuy nhiên, điều này vi phạm lý thuyết tương đối tổng quát của Einstein. Một người nào đó băng qua chân trời sự kiện thực sự không cảm thấy bất kỳ khó khăn lớn nào vì một vật thể sẽ rơi tự do và, dựa trên nguyên tắc tương đương, vật thể đó - hoặc người - sẽ không cảm nhận được tác động cực độ của trọng lực. Nó có thể tuân theo các định luật vật lý hiện diện ở những nơi khác trong vũ trụ, nhưng ngay cả khi nó không đi ngược lại nguyên lý của Einstein, nó sẽ làm suy yếu lý thuyết trường lượng tử hoặc cho rằng thông tin có thể bị mất.
Một lỗ đen của sự không chắc chắn
Bước về phía trước Hawking một lần nữa. Vào năm 2014, ông đã xuất bản một nghiên cứu trong đó ông tránh sự tồn tại của một chân trời sự kiện - có nghĩa là không có gì để đốt cháy - nói rằng sự sụp đổ lực hấp dẫn sẽ tạo ra một "chân trời rõ ràng" thay vào đó.
Đường chân trời này sẽ đình chỉ các tia sáng cố gắng di chuyển ra khỏi lõi của lỗ đen và sẽ tồn tại trong một "khoảng thời gian". Trong suy nghĩ lại của mình, những chân trời rõ ràng tạm thời giữ lại vật chất và năng lượng trước khi hòa tan và giải phóng chúng sau đó xuống dòng. Giải thích này phù hợp nhất với lý thuyết lượng tử - nói rằng thông tin không thể bị phá hủy - và, nếu nó đã được chứng minh, nó cho thấy rằng bất cứ điều gì cũng có thể thoát khỏi lỗ đen.
Hawking đã đi xa như nói rằng các lỗ đen thậm chí có thể không tồn tại. "Các lỗ đen nên được xác định lại là trạng thái ràng buộc có thể di chuyển của trường hấp dẫn", ông viết. Sẽ không có điểm kỳ dị, và trong khi trường rõ ràng sẽ di chuyển vào trong do trọng lực, nó sẽ không bao giờ đến được trung tâm và được củng cố trong một khối dày đặc.
Và bất cứ điều gì được phát ra sẽ không ở dạng thông tin bị nuốt. Không thể tìm ra điều gì đã xảy ra bằng cách nhìn vào những gì sắp xảy ra, điều gây ra vấn đề của chính nó - không nhất thiết là, một người thấy mình ở vị trí đáng báo động như vậy. Họ sẽ không bao giờ cảm thấy như vậy một lần nữa!
Một điều chắc chắn, bí ẩn đặc biệt này sẽ nuốt chửng nhiều giờ khoa học hơn trong một thời gian dài sắp tới. Rovelli và Francesca Vidotto gần đây đã đề xuất rằng một thành phần của vật chất tối có thể được hình thành từ tàn dư của các lỗ đen bốc hơi, và bài báo của Hawking về các lỗ đen và 'tóc mềm' đã được phát hành vào năm 2018, và mô tả cách các hạt năng lượng bằng không còn lại xung quanh điểm không quay trở lại, chân trời sự kiện - một ý tưởng cho thấy thông tin không bị mất mà được nắm bắt.
Điều này đã xảy ra khi đối mặt với định lý không có tóc được thể hiện bởi nhà vật lý John Archibald Wheeler và làm việc trên cơ sở rằng hai lỗ đen sẽ không thể phân biệt được với người quan sát bởi vì không có giả thuyết vật lý hạt đặc biệt nào được bảo tồn. Đó là một ý tưởng đã khiến các nhà khoa học nói, nhưng có một số cách để đi trước khi nó được coi là câu trả lời cho việc các lỗ đen dẫn đến đâu. Giá như chúng ta có thể tìm cách nhảy vào một.
