Lỗ đen là một định nghĩa không còn quá độc đáo với đa số người yêu thích thiên văn & Vật lý. Trong bài này tôi sẽ nỗ lực viết một cách ngắn gọn & dễ hiểu nhất có thể về những định nghĩa: lỗ đen, lỗ trắng & lỗ sâu.

Lỗ đen

Phán đoán trước tiên về lỗ đen (hay một số ebook tiếng Việt dịch là hố đen) khởi nguồn từ rất sớm ngay sau khoảng thời gian thuyết tương đối rộng của Albert Einstein sinh ra năm 1916. Lỗ đen được đề nghị bởi Karl Schwarzschild như một tiên đoán bí quyết cho không gian miêu tả bởi phương trình trường của Einstein. Việc này nằm trên lý thuyết cho tới khi có tìm hiểu về các sao neutron, chứng minh trước tiên cho sự sụp đổ cuốn hút sau khoảng thời gian các người nổi tiếng đốt cháy hết năng lượng của mình.

Sự tạo dựng & vài định nghĩa căn bản

Các lỗ đen thông thường tạo dựng theo chế độ sau:

Khi các người nổi tiếng đốt cháy hết năng lượng của mình, đúng đắn là toàn thể hydro đã phối hợp (phản ứng nhiệt hạch) để tạo nên Heli thì chúng không còn năng lượng giải phóng ra để thăng bằng với lực cuốn hút của chính mình hướng vào tâm nữa nên người nổi tiếng co lại.

Trong tiến trình co lại này các hạt nhân Heli lại bị ép chặt & phối hợp tạo nên các hạt nhân nặng hơn (C, O hay hơn nữa), tiến trình này giải phóng ra 1 lượng năng lượng làm cái vỏ ngoài phồng to (công đoạn sao đồ sộ đỏ) trong lúc lõi trong vẫn co lại cực kỳ nhanh.

Với các sao cỡ Mặt Trời, vỏ ngoài bị phá vỡ khi đã phồng to đến hạn chế khẳng định. Với các sao nặng, lõi trong nở rộ lần cuối do năng lượng giải phóng từ sự đo đạc hạt nhân nặng ở lõi sao, đây là vụ nổ supernova (thường được dịch không đúng đắn ra tiếng Việt là siêu tân tinh), phần vỏ bị phá nát này trở thành một đám khí bụi lớn gọi là tinh vân hành tinh (planetary nebula).


Loài người chẳng thể xem xét thấy lỗ đen.

Lõi trong sau vụ nổ này tiếp tục co thêm & trở thành sau lùn trắng với những sao như Mặt Trời, tức là chúng trở thành một thiên thể chết bức xạ rất ít, rồi dần tắt hẳn không còn phát ra ánh sáng nữa. Với các sao to hơn ~1,5 lần khối lượng Mặt Trời (hạn chế Chandrasekhar) thì chúng tiếp tục co lại, co tới mức ấn các electron (điện tử) vào proton để trở thành neutron, khi đó toàn người nổi tiếng là một khối neutron với khối lượng riêng cực lớn & vận tốc quay cực cao, này là các sao neutron. Những sao có khối lượng to hơn nữa, khoảng 3-4 lần khối lượng Mặt Trời hoặc hơn (hạn chế Tolman–Oppenheimer–Volkoff) thì tiến trình co lại chưa chấm dứt ngay cả khi đã biến đổi thành sao neutron. Vật chất bị nén tới mức tạo nên một vụ sụp đổ…

Trường cuốn hút miêu tả trong thuyết tương đối rộng của Einstein là không gian chịu ràng buộc của cuốn hút do sự có mặt của khối lượng (giống như điện trường quanh vật đưa điện), khi vật chất đưa khối lượng này sụp đổ (nhưng bản thân khối lượng không mất đi) nó dẫn đến sự biến dạng của trường cuốn hút, hay là sự biến dạng của không gian chung quanh. Một vùng không gian quanh người nổi tiếng chết giờ đây bị uốn cong thành một vùng khép kín (có thể hình dung dễ hiểu là dạng một khối cầu)…

Xem Thêm  UPDATE Tình hình bất động sản khu Tên Lửa Quận Bình Tân mới nhất

Người nổi tiếng như miêu tả trên đã biến đổi thành một LỖ ĐEN (black hole) & vùng không gian khép kín nêu trên gọi là chân mây buổi lễ (sự kiện horizon) của lỗ đen. Toàn thể vật chất của lõi người nổi tiếng sụp đổ vào 1 điểm trọng tâm của chân mây buổi lễ gọi là điểm kì dị (singularity). Gọi là kì dị, dễ dàng là vì nó không tuân theo các định luật vật lý mà tất cả chúng ta đã có, cũng giống như việc vụ nổ Big Bang tạo dựng nên vũ trụ, vì dễ dàng là các định luật vật lý hiện tại chỉ miêu tả không-thời gian tổng quát của vũ trụ ngày nay thôi.

Chế độ của lỗ đen hiểu dễ dàng như sau:

Vì không gian chứa trường cuốn hút đã bị uốn cong như nêu trên, không một vật thể nào chạm tới chân mây buổi lễ của lỗ đen còn tồn tại thể thoát ra ngoài kể cả ánh sáng.

Điều này giống với việc bạn gặp một chặng đường cong mà dù mong muốn hay không bạn cũng sẽ phải đi theo nó vì dễ dàng là bạn chẳng thể đi thẳng được chứ không phải là vì bạn thấy một vài địa điểm ăn uống cuốn hút hay một cô gái đẹp đẹp chờ cuối chặng đường đó.

Vì thế việc ánh sáng cũng bị uốn cong khi đi gần lỗ đen & sẽ chẳng thể thoát ra nếu nó lỡ chạm tới chân mây buổi lễ chẳng hề minh chứng một tí gì cho giả định hạt photon có khối lượng động như một số người thường nhầm tưởng.

Này là với ánh sáng, còn với vật chất thông thường thì có một Note rằng vì bên trong chân mây buổi lễ của lỗ đen, lực cuốn hút là lớn tới mức vô hạn, nên nó sẽ xé rách mọi vật có kích cỡ có thể lọt vào đó (có chăng chỉ chừa các hạt căn bản). Mặc dầu không ngoại trừ trường hợp có những đường hay những khe hở để cho phép ngoại lệ nhưng tới thời điểm hiện tại thì đó tạm thời vẫn chỉ tồn tại trên các tác phẩm viễn tưởng. Thực tiễn là tất cả chúng ta không có cơ may sống sót nếu bị lọt vào một lỗ đen, & cả các vật thể tất cả chúng ta đưa theo cũng vậy, sẽ chẳng có tàu khảo sát nào cho tất cả chúng ta biết điều gì xảy ra bên trong một lỗ đen.

Một thắc mắc thường gặp là: nhân loại có thể xem xét thấy lỗ đen hay không?

Câu giải đáp là không, vì dễ dàng mắt tất cả chúng ta chứng kiến các vật là do ánh sáng từ chúng đi tới, với lỗ đen nó không phát ra & cũng không phản xạ lại ánh sáng (vì ánh sáng đã bị nó nuốt hết khi tới gần) nên việc chứng kiến một lỗ đen là chẳng thể. Nhưng mà sự tồn tại của các lỗ đen vẫn được phán đoán dựa trên tương tác chúng tạo nên chung quanh, ví dụ như việc hút vật chất của sao gắn bó (nếu lỗ đen trước đó là một người nổi tiếng trong hệ gồm hai hay nhiều sao) hay hiệu ứng bẻ cong ánh sáng xem xét được (thấu kính cuốn hút – gravitational lens).

Xem Thêm  Bị Mỹ bỏ rơi cách đây 20 năm, Bắc Kinh đáp trả Washington bằng CSS 2021: Động cơ thâm sâu ngày càng lộ rõ!

Theo mô hình hiện giờ về các thiên hà, tại trọng tâm đa số các thiên hà đều có một lỗ đen với khối lượng cực lớn (super massive black hole). Lỗ đen dạng này có khối lượng bằng hàng triệu hay thậm chí hàng tỷ lần Mặt Trời của các bạn. Những lỗ đen này không tạo ra từ chấm dứt của một người nổi tiếng, mà từ sự suyp sụp vật chất quy mô lớn trong công đoạn đầu của thiên hà, trong thời gian sau đó chúng tiếp tục nuốt chửng các sao & các lỗ đen nhỏ chung quanh để lớn lên như ngày nay.

Một thắc mắc thân thuộc khác về lỗ đen là: Vật chất & các thông tin chúng đưa theo sau khoảng thời gian bị hút vào lỗ đen sẽ đi đâu?

Năm 1997, Stephen Hawking có 1 cuộc cá cược với John Preskill về việc các lỗ đen sẽ bốc hơi, bay biến trong không-thời gian đưa theo toàn thể thông tin chúng đánh cắp. Preskill thì là người tin rằng các thông tin không mất đi sau sự bốc hơi của lỗ đen. Tới năm 2004, Hawking đã công nhận thua cuộc cá cược này (đương nhiên chỉ là theo kết quả của các phương trình trên mô hình lý thuyết vì tất cả chúng ta chưa đủ khả năng & cũng không có thời dịp xem xét sự bốc hơi của bất kể lỗ đen nào).

Còn với các lỗ đen vĩnh cửu không bốc hơi thì sao? Tất cả chúng ta hãy tìm hiểu một đối lượng lý thuyết khác.

Lỗ trắng

Khác với lỗ đen đã được kiểm nghiệm sự tồn tại ít ra là qua các hiệu ứng trực tiếp nó gây ra như đã nêu bên trên, lỗ trắng là một đối tượng lý thuyết thuần túy chưa hề được kiểm chứng bởi bất kể xem xét thí nghiệm nào.

LỖ TRẮNG (white hole) là một định nghĩa lý thuyết, có tính đối lập với lỗ đen. Lỗ trắng cũng có một chân mây buổi lễ & 1 điểm kì dị ở trọng tâm của nó. Nhưng trong lúc lỗ đen chỉ cho vật chất đi ngang qua chân mây buổi lễ vào phía trong mà không cho đi ra ngoài thì lỗ trắng lại chỉ giải phóng các bức xạ ra phía ngoài chân mây buổi lễ mà không cho chúng đi vào phía trong.

Một thắc mắc hay hiện ra ở giai đoạn này là như thế là lỗ trắng chỉ đẩy ra chứ không hút vào, nó có phải một trường hợp phản cuốn hút (anti-gravity)?

Câu giải đáp là không. Lỗ trắng cũng có lực cuốn hút & nó hút mọi thứ về phía nó, có điều toàn bộ sẽ bị chặn lại & phản xạ trái lại khi chạm vào chân mây buổi lễ của nó.

Lỗ trắng là một phán đoán khác dựa theo mô hình của Schwarzschild để thăng bằng phương trình trường của Einstein, theo đó thì thông tin mất tăm trong lỗ đen có thể được “tuồn” ra ngoài từ lỗ trắng. Lỗ trắng như thế có thể nằm trong tương lai hay dĩ vãng của lỗ đen, sự đảo ngược tiến trình của lỗ đen hoặc ở một không-thời gian hoàn toàn khác, một vũ trụ khác.


Trái lại với lỗ đen, lỗ trắng chỉ cho vật chất đi ra chứ không đi vào.

Những vấn đề gặp phải trong mô hình lỗ trắng thứ đặc biệt là nếu như miêu tả, thì nó có thể là tiến trình ngược của lỗ đen, tức là nó đi trái lại theo chiều của các tiến trình vật lý, đúng đắn là nó vi phạm định luật thứ hai của nhiệt động lực học, điều đó là quá sức vô lý, & thứ hai là nếu nó thực sự tồn tại trong vũ trụ của các bạn thì vận tốc giải phóng vật chất của nó sẽ làm nó mất tăm chỉ trong một khoảng thời gian cực ngắn nên tất cả chúng ta chẳng có thời dịp nào xem xét thấy một lỗ trắng như phán đoán lý thuyết.

Xem Thêm  vật lý thiên văn trong tiếng Tiếng Anh - Tiếng Việt-Tiếng Anh

Một bí quyết cho tình huống đó là lỗ trắng không nằm trong vũ trụ hiện tại của các bạn mà phải ở một vùng không-thời gian khác hoặc một vũ trụ hoàn toàn khác. Vật chất nó được phân phối & rồi phóng ra bên ngoài có thể đến tức lỗ đen ở không-thời gian khác qua một tầng hầm chạy xuyên suốt không-thời gian hoặc thậm chí xuyên suốt các vũ trụ gọi là các lỗ sâu.

Lỗ sâu

Hình học Schwarzschild đề xuất rằng mô hình chuẩn cho lỗ đen & lỗ trắng tương ứng với phương trình trường của Einstein phải bao gồm hai vũ trụ (hay hai hệ không thời gian khác nhau) mà một bên chứa một lỗ đen & một bên chứa một lỗ trắng, gắn liền nhau bởi một tầng hầm gọi là LỖ SÂU (wormhole).


Lỗ sâu chẳng thể tồn tại trong phần vũ trụ chứng kiến của các bạn.

Sự sinh ra của định nghĩa đó là một bí quyết cho các phương trình của Einstein, cũng như một giải pháp cho giả thuyết cầu Einstein-Rosen (Einstein-Rosen Bridge).

Tất cả chúng ta nên Note lần cuối rằng: Lỗ sâu cũng như lỗ trắng vi phạm định luật thứ hai của nhiệt động lực học, chính vì thế thực tiễn chúng chẳng thể tồn tại trong phần vũ trụ chứng kiến của các bạn. Nhưng mà trong thuyết tương đối rộng của Einstein thì thời gian có tính đối xứng (không có định nghĩa xuôi hay ngược thời gian) nên mô hình này được đồng ý. Có nghĩa là lỗ trắng & lỗ sâu nối chúng với các lỗ đen có thể tồn tại ở các vùng không-thời gian khác mà tất cả chúng ta chẳng thể xem xét, hay thậm chí là trong một vũ trụ khác.

Với một khả năng không hoàn toàn bền vững như nêu trên, lỗ sâu vẫn được đặt hy vọng một cách hết sức ân cần bởi những người… mơ mộng. Người ta tin rằng một lỗ sâu có thể giúp nhân loại vượt mặt không gian mau hơn cả ánh sáng (faster than light travel) bởi một công nghệ gọi là warp drive hay du hành về dĩ vãng hoặc tới tương lai (time travel)…


Tàu không gian Dreadnought trong game chiến thuật Astro Empires sử dụng công nghệ warp drive để di chuyển giữa các thiên hà.

Trong những năm gần đây, người ta cũng nhiều lần thử giải thích các hiện tượng huyền bí như sự biến mất đột ngột của nhân loại hay các con tàu, các chuyến cất cánh… rằng họ đã lạc vào một lỗ sâu mở ra ngay trên Trái Đất.

Không những thế, xin nói lại rằng toàn bộ sự tồn tại của lỗ trắng & lỗ sâu tới thời điểm hiện tại vẫn chỉ tồn tại trên hình học Schwarzschild không hơn, & bản thân mô hình lý thuyết cũng cho thấy rằng rất khó có thể có sự tồn tại của những thứ này trong vũ trụ chứng kiến của các bạn.

Đặng Vũ Tuấn Sơn

By ads_law

Trả lời