Khoa học & Công nghệ


Đỗ Quốc Tuấn

Thế kỷ 20 là một thế kỷ có vẻ là đặc biệt nhất & trọng yếu nhất trong suốt lịch sử lớn mạnh của vật lý học với sự sinh ra của hai lý thuyết nền móng cho Vật lý hiện đại là Cơ học lượng tử & Thuyết tương đối rộng.

Giáo sư Roger Penrose đang trình bày biểu đồ về lý thuyết xoắn tại trường đại học Oxford, Anh vào năm 1980. Nguồn: Anthony Howarth/Science Photo Library

Thành công đặc sắc của cơ học lượng tử nối liền với các tên tuổi lớn như M. Planck, W. Heisenberg, E. Schrodinger, W. Pauli, P. Dirac, N. Bohr,… Một chẳng hạn có thể đơn giản liệt kê ra đây, này là cái máy tính mà tôi viết những dòng chữ đó là chính là một sản phẩm hữu hình của Cơ học lượng tử.

So với Thuyết tương đối rộng thì trái lại, dù rằng những kết quả của nó đã là nền móng cho các tìm hiểu về toàn cầu vật chất cũng như vũ trụ trong suốt nhiều thập kỷ qua. Chỉ vài năm gần đây, đúng đắn là sau 100 năm, Thuyết tương đối rộng mới thật sự được kiểm chứng một cách chắc nịch nhất sóng cuốn hút (gravitational waves) lần trước hết được phát hiện vào thời điểm tháng 9/2015 bởi dự án LIGO của Mỹ (cộng tác với dự án Virgo của châu Âu). Sóng cuốn hút chính là một trong những tiên đoán trọng yếu vị trí thứ nhất của Thuyết tương đối rộng do chính Einstein đặt ra. Trong phát hiện của LIGO thì sóng cuốn hút được chào đời từ tiến trình hai lỗ đen sáp nhập vào nhau. Tháng 4/2019, hình ảnh về bóng (shadow) của lỗ đen siêu nặng (supermassive black hole) toạ lạc tâm thiên hà M87 đã được dự án Kính thiên văn Chân mây Buổi lễ (Sự kiện Horizon Telescope – EHT) chính thức thông báo. Với những kết quả rất trọng yếu nhận được từ hai dự án LIGO & EHT, sự tồn tại của lỗ đen trong vũ trụ cũng từng được cam kết một cách rõ ràng và cụ thể. Hiện tại, chúng không còn được xem như là một nghiệm toán học đặc biệt do các nhà vật lý tưởng tượng ra từ các phương trình trường của thuyết tương đối rộng. & giờ chính là lúc để tất cả chúng ta quay trái lại lịch sử để gọi tên những nhà vật lý có những tìm hiểu đưa tính cách mạng trong ngành nghề vật lý cuốn hút nói chung & vật lý lỗ đen nói riêng. Có những nhà vật lý thật không may đã ra đi trước khi được giải Nobel gọi tên như nhà vật lý thiên tài người Anh S. Hawking, mất năm 2018.

Trong những năm 1960, Roger Penrose đã có những đóng góp nền móng cho sự hiểu biết về Thuyết tương đối rộng. Có thể bảo rằng ông là người có những đóng góp nổi trội cho sự hiểu biết về Thuyết tương đối rộng chỉ sau Einstein. Các sáng kiến của Penrose, cùng với những cố gắng sau này của Stephen Hawking & những người khác, đã kéo theo những hiểu biết định tính tất cả chúng ta có được ngày bây giờ về sự suy sụp cuốn hút cũng như sự tạo dựng lỗ đen. Giáo sư Edward Witten

Tranh biện về các điểm kì dị của lỗ đen Schwarzschild

 

Ngày 18/11/1915, A. Einstein chính thức giải quyết thuyết tương đối rộng, một lý thuyết nền móng, góp thêm phần trọng yếu mở ra một kỷ nguyên mới cho vật lý hiện đại. Chỉ chưa đầy hai tháng sau thời điểm bài báo của Einstein được xuất bản, ngày 13/1/1916, K. Schwarzschild đã thông báo nghiệm đúng đắn trước hết của phương trình trường Einstein miêu tả không-thời gian cong xoay quang khối lượng tĩnh, đối xứng cầu. Sau này, nghiệm này được làm minh bạch ý nghĩa vật lý & được gọi là hố đen Schwarzschild. Về mặt toán học, nghiệm lỗ đen Schwarzschild chứa hai điểm nổi trội: & . Điểm được gọi là điểm kì dị thật sự (true singularity), trong lúc đó điểm được gọi là điểm kì dị Schwarzschild (Schwarzschild singularity). Các tìm hiểu sau này đã nêu ra điểm kì dị Schwarzschild có thể mất tăm trong hệ tọa độ phù hợp, như hệ tọa độ Eddington-Finkelstein hay hệ tọa độ Kruskal. Chính các điểm kì dị này đã tạo ra những bàn cãi của các nhà vật lý vị trí thứ nhất trong thời đại 1920-1960, trong đó có cả Einstein [1,2].

Xem Thêm  Du hành liên sao – Là gì Wiki

Những bài báo của Friedmann & Lemaitre trong thập niên 1930 nêu ra, kì dị của vũ trụ tồn tại trong dĩ vãng nếu vũ trụ đang co giãn tại thời điểm hiện thời. Thắc mắc được đưa ra này là liệu có kì dị trong các mô hình cuốn hút co lại không ? Năm 1931, S. Chandrasekhar đã tìm thấy hạn chế trên về khối lượng để sao lùn trắng duy trì tình trạng thăng bằng. Điều đó cũng nêu ra nếu người nổi tiếng có khối lượng to hơn thì nó chắc nịch sẽ suy sụp. Năm 1939, J. R. Oppenheimer & G. M. Volkoff đã suy xét các nhân của sao neutron đồ sộ bằng việc phối hợp phương trình tình trạng Fermi cho khí lạnh & thuyết tương đối rộng. Họ đã tìm thấy một hạn chế khối lượng khác để duy trì tình trạng thăng bằng & đặt ra tổng kết rằng một người nổi tiếng neutron có khối lượng đủ lớn thì sẽ chắc nịch co lại, không lúc nào quay lại tình trạng thăng bằng. Điều này đã tác động Oppenheimer & Snyder suy xét các nghiệm của phương trình trường Einstein ngay trong năm 1939 & họ minh chứng được nghiệm Schwarzschild dưới đối xứng cầu thật sự có kì dị. Một kết quả trọng yếu không kém cũng được Einstein đặt ra vào năm 1939 này là kì dị Schwarzschild chẳng thể diễn đạt một cách vật lý được. Năm 1955, A. K. Raychadhuri đặt ra một định lý trước hết về kì dị. Các kết quả tìm hiểu của Raychadhuri sau này trở thành nền móng của các tìm hiểu liên quan tới kì dị, loại trừ bài báo năm 1965 của Penrose (không những thế các tìm hiểu sau này về kì dị của Penrose cùng với Hawking đều kể đến tìm hiểu của Raychadhuri). Năm 1963, hai nhà vật lý Liên Xô, E. Lifshitz & I. Khalatnikov, đã suy xét lại các tính toán của Oppenheimer & Snyder & tổng kết rằng các kết quả đó không phản ánh những thứ thật sự xảy ra trong toàn cầu thật. Điều này là do các tính toán của Oppenheimer & Snyder dựa vào giả thuyết về đối xứng cầu. Chính điều này đã tác động Penrose nghĩ suy một cốt truyện về suy sụp cuốn hút khi không tính đến đối xứng cầu.

Bài báo PRL năm 1965 của Penrose

 

Roger Penrose, nhà vật lý toán, giáo sư toán học Đại học Oxford, sinh ngày 8/8/1931 tại Colchester, Essex, nước Anh. Ông giải quyết luận án tiến sĩ vào năm 1958 tại Đại học Cambridge với đề tài “các phương pháp tensor trong hình học đại số” dưới sự chỉ dẫn của giáo sư về hình học & đại số, J. A. Todd. Trước giải Nobel về Vật lý năm 2020, Penrose đã chiếm được rất nhiều giải thưởng trọng yếu. Một trong số này là giải thưởng Wolf năm 1988 được trao cho ông cùng với cộng sự của ông, nhà vật lý S. Hawking, cho việc tìm tòi ra các định lý kì dị sau này đưa tên Penrose-Hawking. Ông được phong tước hiệp sĩ vào năm 1994.

Năm 1963, nhà thiên văn người Hà Lan, M. Schmidt, tìm tòi ra sự tồn tại của quasar (chuẩn tinh) QSO 3C 273. Tìm hiểu này sau đó đã hút được sự lưu ý của nhiều nhà thiên văn khác. Họ thấy rằng các quasar thực tiễn nằm ở tâm ở các thiên hà xa. Năm 1963, F. Hoyle & W. A. Fowler nghĩ rằng các quasar này có thể là các người nổi tiếng siêu nặng, cỡ vài triệu lần khối lượng Mặt trời. Không những thế, các nhà vật lý sớm nhận biết rằng các người nổi tiếng siêu nặng kiểu này nếu có tồn tại thì cũng tương đối không ổn định, có thời gian sống ngắn, & cho nên chẳng thể lý giải được các xem xét về quasar. Về sau, các nhà vật lý cũng như các nhà thiên văn học, trong đó nổi trội là E. E. Salpeter, Y. B. Zeldovich, I. D. Novikov, D. Lynden-Bell, M. Rees, thấy các lỗ đen siêu nặng chính là giải đáp thích thích hợp nhất cho quasar [các nghiên cứu của hai nhóm thiên văn, một dẫn đầu bởi Reinhard Genzel (Đức), một dẫn đầu bởi Andrea Ghez (Mỹ), những người chia nhau nửa giải thưởng Nobel năm 2020 về Vật lý, chính là về việc xác nhận sự tồn tại của lỗ đen siêu nặng Sgr A tại tâm Dải Ngân Hà – Milky Way].

Xem Thêm  Hành vi giới tính ở trẻ nhỏ: Điều gì là bình thường, điều gì đáng báo động?

Tìm hiểu của Schmidt đã làm cho J. A. Wheeler, nhà vật lý người Mỹ, suy xét lại vật lý của tiến trình suy sụp cuốn hút. Wheeler chính là người đã hỗ trợ thuật ngữ “lỗ đen” (đặt ra lần đầu bởi R. H. Dicke vào năm 1960) trở nên thông dụng trong cộng đồng vật lý quốc tế. Wheeler đã luận bàn vấn đề này với Penrose & điều này khiến Penrose khởi đầu nghĩ suy về suy sụp cuốn hút vào cuối năm 1964. Penrose đã hiểu rằng nhược điểm trong minh chứng của Oppenheimer & Snyder, đó chính là giả thuyết về đối xứng cầu. Penrose cũng nhận ra rằng dù rằng nghiệm lỗ đen quay do R. Kerr tìm thấy năm 1963 chứa kì dị nhưng tính đối xứng vẫn tồn tại trong nó. Cho nên, Penrose thấy rằng nghiệm Kerr không miêu tả tình huống vật lý tổng quát. Điều đó tác động Penrose đi đến một quyết định đưa tính bộc phát: tìm hiểu sự suy sụp cuốn hút không cần tới các giả thuyết về đối xứng mà chỉ cần tới giả thuyết vật chất suy sụp có mật độ năng lượng dương.

Để làm được điều đó, Penrose đã phát minh ra các dụng cụ toán học & sử dụng tới topo, một ngành nghề  toán học. Chìa khóa trong minh chứng của Penrose là việc mang vào định nghĩa mặt phẳng bẫy (trapped surface). Mặt phẳng bẫy là một mặt phẳng đóng hai chiều mang tính chất này là toàn bộ các đường ánh sáng vuông góc với mặt phẳng sẽ hội tụ khi hướng về chiều tương lai. Mặt phẳng này mang tính chất trái lại với mặt phẳng cầu trong không gian phẳng, ở đó các đường ánh sáng hướng ra ngoài sẽ phân kỳ. Để dễ hình dung, ta lấy chẳng hạn minh hoạ dễ dàng như sau [3]: nếu ta đặt các bóng điện trên mặt phẳng bẫy thì toàn bộ các tia sáng phát ra từ các bóng điện này sẽ hội tụ, thay vì lan tỏa ra không gian như các bóng điện ở môi trường bình bình, do lực cuốn hút mạnh bên trong mặt phẳng bẫy.

Mặt phẳng bẫy có thể đơn giản tìm ra trong không-thời gian Schwarzschild có đối xứng cầu. Trong trường hợp này, bất kỳ mặt cầu nào có bán kính bé hơn bán kính Schwarzschild, rs = 2GM, đều có thể coi là mặt phẳng bẫy. Bán kính Schwarzschild chính là nơi chân mây buổi lễ (sự kiện horizon) của lỗ đen Schwarzschild hiện ra. Bên trong chân mây buổi lễ, hai tọa độ thời gian t & không gian r đổi vai trò cho nhau, nghĩa là tọa độ t giờ đóng vai trò như tọa độ r & trái lại tọa độ đóng vai trò như tọa độ . Cho nên, vật chất bên trong chân mây buổi lễ chẳng thể thoát ra ngoài chân mây buổi lễ vì điều đó đồng nghĩa với việc quay trái lại thời gian. Thú vị hơn, vật chất bên trong chân mây buổi lễ sẽ tiếp tục tiến vào điểm kì dị, nơi mà thời gian chấm dứt. Tiến trình này được miêu tả một cách dễ dàng như hình 2.

Hình 2: Sơ đồ miêu tả bên trong lỗ đen. Bên trong chân mây buổi lễ (đường màu đỏ), toạ độ r đóng vai trò như thời gian. Thời gian chấm dứt tại điểm kì dị (chấm xanh dương). Nguồn: Bản nhắc nhở cụ thể của Hội đồng giải thưởng Nobel 2020

Ta có thể hình dung mặt phẳng bẫy có vai trò như chân mây buổi lễ của lỗ đen Schwarzschild. Mặt phẳng bẫy cũng được tìm ra trong trường hợp hố đen quay (lỗ đen Kerr). Thực tiễn, mặt phẳng bẫy tồn tại bên trong lỗ đen mà không lệ thuộc vào việc nghiệm lỗ đen bị nhiễu động ra sao cũng như không lệ thuộc vào các giả thuyết về đối xứng được dùng để tìm thấy nghiệm lỗ đen. Sau khoảng thời gian nghiên cứu sự ưu việt của sáng kiến mặt phẳng bẫy, Penrose đã tiến hành mở rộng tìm hiểu & minh chứng được một khi mặt phẳng bẫy được tạo dựng thì chẳng thể ngăn được tiến trình suy sụp cuốn hút về điểm kì dị trong khuôn khổ của Thuyết tương đối rộng với giả thuyết mật độ năng lượng dương. Minh chứng này có tính tổng quát vì nó đã loại bỏ các giả thuyết về đối xứng cầu [4]. Nó rất thích hợp cho việc giải thích các tiến trình suy sụp cuốn hút xảy ra trong thực tiễn, chẳng hạn với sự suy sụp cuốn hút của các người nổi tiếng nặng.

Xem Thêm  Đánh giá Osiris: New Dawn

Hình 3: Giản đồ dựa vào bài báo năm 1965 của Penrose miêu tả sự suy sụp của vật chất (của người nổi tiếng) bên trong lỗ đen. Trên mặt phẳng bẫy (đường tròn màu trắng) toàn bộ các nón ánh sáng đều được hướng vào trong & sự tạo dựng điểm kì dị là chẳng thể tránh khỏi. Các giải thích thêm về giản đồ được nêu ở mục *  cuối nội dung. Nguồn: Bản nhắc nhở cụ thể của Hội đồng giải thưởng Nobel 2020

Lời kết

 

Giải Nobel Vật lý năm 2020 là giải Nobel trước hết trao cho một công trình tìm hiểu thuần túy lý thuyết về hố đen. Penrose là người trước hết có được vinh dự này, sau 55 năm chờ đợi, kể từ thời điểm ông thông báo bài báo bộc phát về kì dị của lỗ đen trên báo chí của Hội Vật lý Mỹ. Những lời đánh giá của Edward Witten [5], nhà vật lý trước hết được giải thưởng toán học danh giá Field năm 1990, giáo sư tại Viện tìm hiểu thượng hạng Princeton, Mỹ, đã nêu bật tầm trọng yếu của những tìm hiểu về hố đen của Penrose: “Trong những năm 1960, Roger Penrose đã có những đóng góp nền tảng cho sự hiểu biết về thuyết tương đối rộng. Có thể nói rằng ông là người có những đóng góp nổi bật cho sự hiểu biết về thuyết tương đối rộng chỉ sau Einstein. Các ý tưởng của Penrose, cùng với những nỗ lực sau này của Stephen Hawking và những người khác, đã dẫn đến những hiểu biết định tính chúng ta có được ngày hôm nay về sự suy sụp hấp dẫn cũng như sự hình thành lỗ đen”.

Ebook đọc qua:

Nội dung dựa vào hai ebook đọc qua chính sau:

[1] Bản nhắc nhở cụ thể của Hội đồng giải thưởng Nobel 2020 có thể tải về tại địa chỉ sau đây: https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2020/advanced-information

[2] J. M. M. Senovilla and D. Garfinkle, , Class. Quant. Grav. 32, 124008 (2015).

Không những thế nó còn dựa vào các ebook sau:

[3] M. Schirber, Physics 13, 158 (2020)https://physics.aps.org/articles/v13/158

[4] R. Penrose, , Physical Review Letters 14, 57 (1965).

[5] Nguyên văn lời của GS Edward Witten: “” https://www.ias.edu/news/2020/nobel-prize-physics

 

*: Một tí giải thích thêm về giản đồ trong hình 3. Do thời gian bên trong hố đen giờ đây có vai trò như nên ta thấy điểm kì dị được kéo dài thành đường màu xanh dương theo trục thời gian của người quan gần kề ngoài lỗ đen. Khi vật chất bồi thêm vào từ phía vỏ của người nổi tiếng vào trong lỗ đen (được tạo dựng trước đây từ phần lõi của người nổi tiếng) thì bán kính chân mây buổi lễ của hố đen được tăng trưởng do độ lớn của nó tỉ lệ thuận với khối lượng vật chất bên trong lỗ đen (xem phương pháp bán kính Schwarzschild nêu bên trên). Điều đó giải thích vì sao đường màu đỏ miêu tả chân mây buổi lễ lại ngày càng phình to theo trục thời gian của người quan gần kề ngoài lỗ đen.

—-

By ads_law

Trả lời