Các dạng thức phi trọng lượng, các lực hấp dẫn

Và khi tôi nhìn thấy con quỷ của mình, tôi thấy nó nghiêm túc, kĩ lưỡng, sâu sắc và trang trọng: đó là tinh thần của lực hấp dẫn. Qua nó, tất thảy mọi cái đều rơi xuống. Zarathustra đã nói như vậy.

Friedrich Nictzsche

… Không gian của Einstein không gần với hiện thực hơn bầu trời của Van Gogh. Khoa học trẻ trung không phải ở chỗ đưa ra được một chân lý tuyệt đối hơn chân lý của Bach hay của Tolstoy, mà là ở chính bản thân của hành động sáng tạo. Các khám phá của nhà khoa học đã áp đặt cho sự hỗn loạn một trật tự riêng theo kiểu của ông ta, tương tự như nhà soạn nhạc hay người nghệ sĩ áp đặt cho nó trật tự của mình, một thứ trật tự luôn luôn chỉ đề cập được về một số phương diện hạn chế của hiện thực, và chỉ dựa trên hệ quy chiếu của người quan sát, mỗi thời mỗi khác, như một bức khỏa thân của Rembrandt khác với một bức khỏa thân của Manet.

Arthur Koestler

Chương 23: CÁC DẠNG THỨC PHI TRỌNG LƯỢNG / CÁC LỰC HẤP DẪN

Vào cuối thế kỉ mười chín, rất lâu trước khi Einstein xem xét lại các ý niệm của chúng ta về mối quan hệ giữa vật chất và không gian, thì các nghệ sĩ hiện đại, bằng một cách nào đó cảm nhận được ảo giác về lực hấp dẫn, đã bắt đầu nghiên cứu các chủ đề về phản hấp dẫn. Khi nhìn lại, chúng ta có thể công nhận rằng những ý tưởng phi chính thống đã thấp thoáng trong hội họa và điêu khắc thời ấy chính là những lời tiên báo về sự thay đổi.

Trong xã hội, các nghệ sĩ nhào lộn là nhóm người chuyên biệt nhất thường xuyên cưỡng lại các định luật của lực hấp dẫn. Tuy nhiên, mặc dù luôn là một phần của nền văn hóa phương Tây kể từ thời cổ đại, các nghệ sĩ nhào lộn chưa bao giờ là chủ đề của nghệ thuật trong suốt hai nghìn năm, trừ một vài ngoại lệ rất hiếm hoi. Ấy vậy mà họ đột nhiên lại xuất hiện tràn ngập, ngay trước khi các nhà vật lý vạch ra được bản chất gây ảo giác của địch thủ vô hình mà các nghệ sĩ nhào lộn đã đẩy lui được là lực hấp dẫn.

Manet bắt đầu quan tâm đến các nghệ sĩ nhào lộn, và đưa họ thành chủ đề của các bức vẽ bằng bút mực vào năm 1862. Tác phẩm La La ở Rạp xiếc Fernando, Paris của Edgar Degas năm 1867 (Hình 23.1) đã miêu tả một diễn viên nhào lộn trên dây cao đang lơ lửng giữa không trung. Không những chỉ La La của ông đã thách thức định luật về lực hấp dẫn, mà Degas còn làm rối loạn những manh mối định hướng thông thường khác: không có đường chân trời rõ rệt trong tranh, và qua bố cục, các xà trần và góc nhìn làm bối rối người xem bởi kiểu phối cảnh khác thường của nó. Đối lập hẳn với các sơ đồ tĩnh, đầy tính cân đối kiến trúc của hầu hết những bố cục trước đó của mình, trong tác phẩm Rạp xiếc (1891) (Hình 23.2) Georges Seurat cũng sử dụng chủ đề nghệ sĩ nhào lộn, qua việc đặt một cô vũ nữ đứng trên lưng ngựa phi nước đại chênh vênh đến mức dường như không thể không bị lực hấp dẫn kéo ngã nhào khỏi lưng ngựa. Trong giai đoạn 1903-1904, chàng thanh niên Picasso đã miêu tả, hầu như duy nhất, một gia đình nghệ sĩ xiếc rong. Mấy năm ngay trước khi Einstein làm cuộc cách mạng trong vấn đề về bản chất của hấp dẫn, những nghệ sĩ nhào lộn và tung hứng ấy, ví dụ như Chú bé nhào lộn trên quả bóng (1905) (Hình 23.3) đã trở thành những đề tài chủ yếu trong Thời kì Hồng của Picasso.

Như đã bàn ở Chương 14 trước đây, trong giai đoạn những năm 1907-1912, Pablo Picaso và Georges Braque đã phát triển quan điểm sâu sắc của Cézanne về mối quan hệ giữa không gian và khối lượng đến cực điểm logic của nó, và trong quá trình ấy, các ông đã sáng tạo ra một cách thức hoàn toàn mới để thể hiện thực tại thị giác. Phong cách Lập thể đã đập tan khối lượng của các vật thể thành muôn vàn mảnh nhỏ. Các họa sĩ Lập thể đã tái sắp xếp lại những mảnh hiện thực vụn vỡ đó để chúng xuất hiện thoát ra ngoài cái trình tự tuyến tính của thời gian, trên cái nền không gian Euclid đã rạn vỡ. Giống như các mảnh nham nhở của một tảng băng trôi đang tan, những mảnh hiện thực ấy nhấp nhô nổi vọt lên, chà xát vào nhau, đâm xuyên vào không gian ở quanh chúng. Trong nghệ thuật Lập thể, cũng như trong thuyết tương đối rộng, không-thời gian đã bị vướng chịt, không thể tách ra nổi, trong khối lượng-năng lượng. Người ta có thể coi phong cách Lập thể chính là con đường mà người nghệ sĩ đã dùng để đưa khối lượng của một vật thâm nhập vào continuum không-thời gian.

Van Gogh từng bàng hoàng ngưỡng mộ trước “lực hấp dẫn của các hiệu ứng ánh sáng vĩ đại”. Trong cả phát ngôn ấy lẫn trong hội họa của mình, Van Gogh đã truyền đạt được sức nặng của ánh sáng. Không một nghệ sĩ nào khác đã có thể chuyển hóa được năng lượng của mặt trời thành một hỗn hợp hiển hiện rõ rệt đến mức có thể sờ nắm thấy như thế. Nhưng ngay cả với van Gogh, ông cũng không thể ngờ được rằng chính ánh nắng chẳng bao lâu nữa đã thực sự được biểu diễn thành một khối lượng trong công thức nổi tiếng E = mc2 . Năng lượng chứa đựng trong một chùm ánh sáng, được tính theo đơn vị tấn trên giây, giờ đã có thể chuyển hóa được thành kilogam của vật chất đặc, và “trọng lượng” của ánh sáng đã có thể tính toán được. Theo các nhà vật lý thiên văn, mỗi năm trái đất nhận được một khối lượng tương đương khoảng 160 tấn ánh sáng mặt trời đổ xuống bề mặt của nó.

Chẳng bao lâu sau, các nghệ sĩ khác cũng sáng tạo ra những phong cách cộng hưởng với những âm thanh vọng tới từ xa của một lý thuyết vật lý mới mẻ về thế giới đang hối hả tới gần. Khởi đầu vào năm 1910, họa sĩ người Pháp Robert Delaunay đã chọn tháp Effel làm đối tượng cho hơn ba chục bức tranh của mình. Do trong cái cấu trúc có một không hai này, không gian đã thực sự đan hòa với khối lượng, và ánh sáng chiếu xuyên qua những khoảng trống của nó làm nó nom như được nhìn ngược từ phía bên kia, nên tháp Effel đã không hề giống với bất kì một công trình xây dựng thông thường nào trước đó. Delaunay đã không miêu tả tháp Effel một cách hiện thực. Thay vào đó, trong bức Tháp Effel đỏ (1910) (Hình 23.4) ông đã phi vật chất hóa nó. Tin rằng nhìn từ một chỗ thì không tài nào có thể bao quát được hết cốt lõi của cả khối tháp, ông đã gỡ rời nó ra bằng cách đặt các mảng rời rạc của nó vào giữa ma trận không-thời gian. Vào những năm cuối của thập kỉ 20 của thế kỉ hai mươi, Lyonel Feininger đã sáng tạo ra các hình ảnh tương đồng với mối quan hệ nhoè giữa không gian và vật chất trong thuyết tương đối của Einstein, bằng việc kéo dài các mặt phẳng của những vật rắn trong tranh của ông vào không gian ở xung quanh chúng. Đối với Feininger, ranh giới giữa không gian trống rỗng và các đối tượng vật chất trước kia vốn sắc nét, thì giờ đây trở nên không còn rõ ràng nữa.

Năm 1915, cộng đồng khoa học đã choáng váng đến nghẹn lời khi lần đầu tiên chạm trán với các phương trình tích hợp vật chất-khối lượng với không-thời gian bị uốn cong của Einstein. Bị thúc giục phải tạo ra một ẩn dụ có thể hình dung được để giúp cử tọa có thể hiểu được ý tưởng của mình, Einstein đã trả lời: “Không có cái nào cả”. Trong nỗ lực giải thích vấn đề hóc búa này, ngay bản thân Einstein cũng không thể tìm ra lời để diễn tả những gì mình đã nhìn ra.

“Trong thuyết tương đối rộng, chúng ta không thể dùng cái giàn giáo cơ học của các thanh nằm ngang và vuông góc, cùng với những đồng hồ đã được chỉnh đồng bộ… Thế giới của chúng ta không phải là thế giới Euclid nữa. Bản chất hình học của thế giới này được định hình bằng các khối lượng và vận tốc của chúng”.

Dường như để nhấn mạnh các quá trình suy nghĩ khác thường của mình và sự thiếu tin tưởng vào ngôn ngữ, khi trả lời cho câu hỏi của nhà toán học người Pháp Jacques Hadamard về phương pháp tư tưởng của ông, Einstein đã viết: “Từ ngữ, cũng như ngôn ngữ, cả viết lẫn nói, hình như không đóng vai trò gì trong cơ chế suy nghĩ của tôi”.

Edgar Germain Hilaire Degas 044.jpeg

Hình 23.1. Edgar Degas, La La ở Rạp xiếc Fernando, Paris (1867), PHÒNG TRANH QUỐC GIA LONDON

The circus.jpeg

Hình 23.2. Georges Seurat, Rạp xiếc (1891). BẢO TÀNG D’ORSAY, PARIS

Young-acrobat-on-a-ball.jpeg

Hình 23.3. Pablo Picasso, Chú bé nhào lộn trên quả bóng (1905). BẢO TÀNG MỸ THUẬT QUỐC GIA PUSKIN, Moscow

The-red-tower.jpeg

Hình 23.4. Robert Delaunay, Tháp Eiffel đỏ (1910). BẢO TÀNG SOLOMON R. GUGGENHEIM, NEV YORK, ẢNH CHỤP CỦA ROBERTE MATES

Không-thời gian, bước nhảy lượng tử, và không-thời gian bị vật chất năng lượng uốn cong là những điều quá xa lạ so với các trải nghiệm thông thường đến mức đầu óc con người bình thường, trừ một số biệt lệ hiếm hoi, không thể nào hiểu ra nổi. Lần đầu tiên kể từ khi các nhà triết học tự nhiên bắt đầu tìm hiểu bản chất của vũ trụ, các nhà khoa học đã sáng tạo ra những hình mẫu của thực tại mà con người, loài nhìn giỏi nhất trong tất cả các loài, lại không hình dung nổi. Dường như các khái niệm của thuyết tương đối rộng chỉ có thể được diễn tả một cách chính xác nhất bằng việc sử dụng những kí hiệu toán học trừu tượng.

Những độc giả nào đã đi cùng tôi đến tận đây trên con đường tìm hiểu việc vật lý và nghệ thuật đã bổ sung cho nhau như thế nào chắc hẳn sẽ không ngạc nhiên khi công nhận rằng sự thất bại của ngôn ngữ trong việc diễn tả hình mẫu mới mẻ này của vật lý đã trùng hợp với sự xuất hiện của một loại hình nghệ thuật phi diễn tả hoàn toàn mới mẻ. Họ cũng sẽ không ngạc nhiên rằng nghệ thuật trừu tượng, tương tự như toán học trừu tượng mà ngành vật lý mới này dựa trên nó, cũng không thể diễn dịch thành một mô hình thị giác có thể hiểu được một cách dễ dàng. Hình học phi Euclid, cái không gian chuyên môn nhà nghề không thể hình dung nổi, vốn được coi là chỉ đóng khung trong toán học, giờ đây đã trở thành cơ sở mới của thực tại vật lí, cũng như nghệ thuật không có hình ảnh đã trở thành một phong cách chủ đạo mới trong nghệ thuật.

Bốn mươi năm trước khi Einstein chứng minh rằng không gian trống không phải là rỗng không, mà có những đặc tính thực, có thể diễn tả được bằng hình học, thì Cézanne đã lấy hình học làm cơ sở cho nghệ thuật của mình. Không chỉ nhấn mạnh việc đơn giản hóa mọi hình dạng thành ba khối hình nón, hình trụ và hình cầu như chúng ta đã thấy, mà ông còn bắt đầu đối xử với không gian trong nghệ thuật của ông như một thứ hình học có những tính chất hiển hiện như sờ thấy được.

Trong thập kỉ thứ hai của thế kỉ hai mươi, Kandinsky, họa sĩ Trừu tượng đầu tiên, cho rằng không gian chứa tiềm tàng trong nó một loại hình học và đã tổ chức các tác phẩm thuộc thời kì sau của mình mang phong cách hình học. Tình cờ, các nghệ sĩ Phong cách Siêu đẳng Nga, đứng đầu là Malevich và trường phái De Stijl Hà Lan cũng nhiệt tình tán dương chủ đề hình học này. Mondrian, một người cổ suý lớn tiếng của Dc Stijl, đã khẳng định rằng một nguyên lý cơ bản trong nghệ thuật của ông là “động lực là hình học”, đúng vào khoảng thời gian mà các phương trình của Einstein tuyên bố rằng không gian là hình học và lực hấp dẫn chính là do hình dạng của không-thời gian tạo nên. Một nghệ sĩ hàng đầu của trường phái tiên phong và nhà vật lý xuất sắc nhất đã cùng một lúc đi đến kết luận rằng không gian thực chất là hình học và lực chính là do đặc điểm này của không gian tạo ra. Ví dụ điển hình cho tác phẩm của Mondrian là bức Bố cục (1933) (Hình 23.5). Muộn hơn nhiều sau đó, vào những năm 1960, họa sĩ thuộc Phong cách Tối giản là Frank Stella đã tạo ra một loạt bức tranh được gọi là “Thước đo góc” của mình, trong đó không gian của nền vải tranh thực sự được chuyển thành một kiểu hình học, đúng như Einstein đã tuyên bố.

Composition-with-red-blue-and-yellow-1930.jpeg

Hình 23.5. Piet Mondrian. Bố cục (1933). BẢO TÀNG NGHỆ THUẬT HIỆN ĐẠl, NEW YORK. BỘ SƯU TẬP CỦA SIDNEY VÀ HARRIETIANIS

Nghệ thuật hiện đại cũng đoán trước được khám phá của Einstein rằng lực hấp dẫn là một ảo giác. Sau những cặp chân bị tách rời khỏi thân thể của Manet, các họa sĩ bắt đầu miêu tả những con người bay lượn trong không trung, tự do thoát khỏi sự kìm giữ ngọt ngào của lực hấp dẫn từ trái đất. Đặc biệt, Marc Chagall, vượt qua việc vẽ các nghệ sĩ nhào lộn và tung hứng của các họa sĩ ngay trước đó, đã biến bay lượn, trôi bồng bềnh, nhẹ bỗng trong không trung trở thành những cảnh thường gặp trong tác phẩm của mình.

Trong bức Tôi và ngôi làng (1911) (Hình 23.6), Chagall đã giới thiệu một hình ảnh nhất quán với khái niệm lực hấp dẫn bằng không. Hai hình người trong tranh không những chỉ bay lượn, mà một trong số đó còn “lộn ngược”. Các từ “lên”, “xuống”, “trên”, “dưới”, “phía trên”, “phía dưới”, “đỉnh”, “đáy” không còn thực sự là những vectơ của không gian Euclid nữa, mà là những ý niệm liên quan đến lực hấp dẫn: những vật ở “trên” thì cách xa tâm của lực hấp dẫn, còn những vật ở “dưới” thì gần với tâm ấy hơn. Chúng ta không thể nhìn thấy trên và dưới, chúng ta chỉ cảm thấy được trên và dưới mà thôi. Nhưng nếu như lực hấp dẫn chỉ là một hư cấu của vũ trụ ba chiều, thì những từ này sẽ chẳng có ý nghĩa gì trong ngôn ngữ của vũ trụ bốn chiều. Đối với người nghệ sĩ, các phương hướng như “lên” và “xuống” đã mất hết ý nghĩa kiểu Newton của chúng và đã được cuộc cách mạng Einstein chiếm chỗ, đúng ở quanh cái góc ba chiều đó.

Hệ thống của Newton, kể cả những định luật vạn vật hấp dẫn, đã được biết đến là vật lý cổ điển, có lẽ là để tôn vinh những chân lý cổ điển của Plato vốn được coi là lý tưởng. Tương tự như vậy, trên nhiều phương diện, hệ thống cơ học của Newton cũng được tin là lý tưởng, không thể còn nghi ngờ gì được nữa. Nhưng trước khi các phát hiện của Einstein về hấp dẫn đã đưa đến những ngoại lệ đối với vật lý cổ điển, thì Picasso đã sáng tác một loạt bức họa sử dụng những chủ đề cổ điển, chứa đầy các nhân vật to béo đồ sộ lồ lộ kiểu Hi-La, ví dụ như bức Ba người đàn bà tại nguồn nước (1921) (Hình 23.7). Dường như Picasso đã linh cảm được rằng các quan niệm cổ điển về vật chất và mật độ đang sắp sửa sẽ bị biến đổi, nên những hình hài tân cổ điển này đã tương phản gay gắt với kiểu người gầy gò bị bóp dài ra trong các bức họa thời kì Xanh và Hồng của ông. Nếu như các nghệ sĩ xiếc rong của ông là một ẩn dụ cho sự kéo dài của hình dạng theo thuyết tương đối, thì những hình hài béo tròn như ảnh trong gương nhà cười lại là một ẩn dụ chính xác khác về không-thời gian bị uốn cong. Picasso đã diễn tả những biến dạng của nó một cách rất thoải mái trong các tác phẩm hội họa đầy hình ảnh của mình.

Marc Chagall,I and the Village, 1911.jpeg

Hình 23.6. Marc Chagall, Tôi và ngôi làng (1911). BẢO TÀNG NGHỆ THUẬT HIỆN ĐẠI, NEW YORK, QUỸ CỦA BÀ SIMON GUGGENHEIM

Three-women-at-the-spring.jpeg

Hình 23.7. Pablo Picasso. Ba người đàn bà tại nguồn nước (1921). BẢO TÀNG NGHỆ THUẬT HIỆN ĐẠI, NEW YORK, QUÀ TẶNG CỦA ÔNG BÀ ALLAND, EMIL

Trong bức Biểu tượng bất khả tri (1932) (Hình 23.8), Dali đã thể hiện chính xác đến kì lạ hình ảnh một chùm sáng sẽ như thế nào khi đi qua không gian bị uốn cong ở gần một đối tượng có khối lượng lớn. Trong tác phẩm này, một chiếc thìa bạc bị kéo dài ra đến hết mức, trông không khác gì một luồng ánh sáng, đi vào tranh từ góc trên bên phải. Chiếc thìa, với tư cách là một chùm ánh sáng, sau đó vượt qua khoảng không gian tối và kín như bưng chỉ chứa một vật nhỏ có khối lượng với hình thù không rõ ràng; chiếc cán thìa mỏng mảnh uốn vòng quanh vật rồi lại duỗi thẳng ra, miệng thìa nhỏ chứa một chiếc đồng hồ bé xíu được vẽ như thật, có kim dừng lại vĩnh viễn vào lúc 6 giờ 4 phút. Chỉ với một bức họa siêu thực như thế, Dali đã diễn tả cùng một lúc tất cả các ý niệm về ánh sáng bị lệch hướng, không gian bị uốn cong và thời gian bị dừng lại. Trong toàn bộ nghệ thuật, thật khó mà tìm thấy một tác phẩm nào khác có thể miêu tả sáng tạo hơn về tác động của khối lượng lên không-thời gian ở gần nó, như là bức Biểu tượng bất khả tri.

Mô hình mà tất cả chúng ta sử dụng để suy nghĩ về cái gọi là thế giới thực được xây dựng trên những niềm tin cơ bản nhất định, trong đó có sự nhất trí chung, vững như bàn thạch, về thực tại của lực hấp dẫn Newton. Trong loạt tác phẩm siêu thực, như Lâu dài ở dãy Pyrénées (1959) (Hình 23.9), René Magritte đã tách riêng ra để xem xét lại một trong những niềm tin được coi là vững chắc ấy. Trong tâm tưởng của chúng ta, hiếm có những biểu tượng nào nặng hơn một ngọn núi hay một tòa lâu đài. Magritte đã kết hợp cả hai lại. Ông còn đi xa hơn cả những thí nghiệm của Cézanne về mối quan hệ giữa không gian và núi. Hình ảnh một ngọn núi lơ lửng giữa không trung, trên đỉnh có một lâu đài đã vi phạm trắng trợn định luật cơ bản của Newton về hấp dẫn. Trong bức tranh Cảm giác về thực tại (1939), một hòn đá cuội khổng lồ, có kích thước bằng cả một trái núi trôi tự do phía trên cao một phong cảnh thiên nhiên thanh bình êm ả. Sự phớt lờ im lặng của Magritte đối với “lực” hấp dẫn đã bổ sung cho những công thức không diễn tả được bằng lời, khó hiểu của môn vật lý mới mẻ, làm người xem phải đối mặt với khả năng có thể sẽ tồn tại những giải thích khác về mối tương tác giữa vật chất và không gian.

Escher cũng đã thách thức các niềm tin truyền thống về lực hấp dẫn. Trong một tác phẩm cắt bìa rất thông minh mang tên Ba khối cầu I (1945) (Hình 23.10), dùng những đường hình học phối cảnh, ông đã thể hiện hiệu ứng của lực hấp dẫn đã nghiền vỡ và bóp méo vật chất như thế nào. Từ điểm nhìn phối cảnh truyền thống, có vẻ như ba khối cầu được xếp chồng lên nhau. Sức nặng của hai khối ở trên dường như đã đè bẹp dí khối thứ ba ở dưới, chứng tỏ bằng đồ họa các hiệu ứng bóp méo vật chất của lực hấp dẫn. Tuy nhiên, khi người xem thay đổi điểm nhìn, nhìn Ba khối cầu từ một góc độ khác, thì cái vốn được xem là khối vật chất bị lực hấp dẫn làm cho biến dạng lại hóa ra một thứ không phải là gì khác, mà chính là một ảo ảnh ba chiều, được tạo ra từ một hình cắt bằng bìa hai chiều. Bằng việc chỉ đơn giản thêm một chiều nữa vào hình ảnh đơn tuyến do phối cảnh tạo ra, ông đã đem người xem vòng ra được phía sau mặt tiền của lực hấp dẫn ba chiều.

SalvadorDali.jpeg

Hình 23.8. Salvador Dali. Biểu tượng bất khả tri (1932). BẢO TÀNG NGHỆ THUẬT HIỆN ĐẠI, NEW YORK. Bộ SƯU TẬP CỦA ÔNG BÀ WALTER VÀ LOUISEARENSBERG

Chateau-des-pyrenees-de-rene-magritte-1959 133004 wide.jpeg

Hình 23.9. René Magritte, Lâu đài ở dãy Pyrénées (1959). BẢO TÀNG ISRAEL IERUSALEM. BẢN QUYỀN NĂM 1991 CỦA CHERSCOVICI

Three-spheres-i-scheme(1).jpeg

Hình 23.10. C. Escher. Ba khối cầu I (1945). BỘ SƯU TẬP BẢO TÀNG HAAGS GEMEENT LA HAY

Chẳng bao lâu sau khi thuyết tương đối rộng được công bố vào năm 1915, nhà thiên văn có thiên hướng toán học là Karl Schwarzschild bắt đầu mày mò với các phương trình của Einstein. Ông suy đoán về khả năng tồn tại của một vật thể tưởng tượng, vô cùng đặc, làm biến dạng không-thời gian ở chung quanh nó mạnh đến mức ánh sáng không những chỉ bị uốn cong khi đi qua gần nó, mà thực tế còn bị nó bắt giữ, vĩnh viễn không thể thoát ra khỏi bề mặt của nó. Bởi vì ánh sáng không phát xuất hay hay phản xạ từ nó, nên vật thể siêu đặc ấy trong trường hợp đặc biệt này trở nên không nhìn thấy được. Thế là ánh sáng, cái tinh chất nhẹ bỗng của vũ trụ, thần Hermes nhanh như gió của trời đất, trong hoàn cảnh đặc biệt này đã bị cầm tù bởi viên quản ngục tăm tối ù lì là lực hấp dẫn. Suy đoán về một vật thể siêu đặc một cách hoang đường như vậy đã mang tính chất dị thường đến nỗi các nhà vật lý tin rằng nó chỉ có thể tồn tại trong lý thuyết. Từ trước đến giờ, chưa hề có cái gì được người ta biết là tồn tại trong vũ trụ, dù chỉ liên quan rất xa xôi, đến mức độ đủ đặc để có thể tạo ra cái hiệu ứng quái dị đến như vậy. Thậm chí Einstein, người nghĩ ra các phương trình trường mà các suy đoán này dựa trên đó, cũng chưa bao giờ đề cập đến khả năng tồn tại một lỗ đen thực sự.

Hai mươi lăm thế kỉ trước, tại buổi khởi đầu của phép nghi ngờ hợp lí, Plato đã cho rằng giữa tưởng tượng và thực tại chỉ có một sự khác biệt rất ít. Ông chiêm nghiệm thấy rằng bất kì cái gì mà con người ta tưởng tượng ra một cách hợp lí, thì sớm muộn gì rồi cũng trở nên có thể. Theo Plato, tổng hợp trí tuệ con người chính là toàn bộ kho tàng của thực tại. Tán thành với tư tưởng này, William Blake đã viết: “Mọi cái mà ta có thể tin được, chính là một hình ảnh của sự thật”. Sau đó, vào năm 1971, việc các nhà thiên văn khám phá ra một lỗ đen “thực sự” ở chòm sao Thiên nga đã củng cố thêm tính xác đáng của các quan điểm mang tính triết học và thi ca này.

Lỗ đen là hậu quả nảy sinh từ cái chết của một ngôi sao kềnh. Sao chết là một khám phá mang tính vũ trụ. Trong mấy chục ngàn năm, con người từ mọi nền văn minh nhìn lên bầu trời đêm và thấy các chòm sao dường như bất biến. Năm 1927, nhờ có giải thích của Edwin Hubble về sự dịch sang phía đỏ của quang phổ các thiên hà như đã nói ở Chương 13, các nhà thiên văn bất ngờ thích thú phát hiện ra rằng vũ trụ không những đang tiến hóa, mà còn đang giãn nở nữa. Kết quả là toàn bộ những niềm tin trước kia đã bị đảo ngược lại. Không còn cái gọi là căn cốt vũ trụ bất biến, vĩnh cửu nữa.

Cần mẫn quan sát bầu trời đêm, các nhà thiên văn đã ghép những sự kiện trong cuộc đời một ngôi sao thành hệ thống. Cái ánh sáng sao le lói lọc qua lớp bụi và khí của các tinh vân xa xôi, đã tìm đường đến lọt vào ống kính viễn vọng của họ và được đem ra phân tích quang phổ. Những dải màu khác nhau xen kẽ nhau của quang phổ đó chính là chìa khóa mở ra bí mật về cấu tạo và những sự kiện diễn ra trong cuộc đời một ngôi sao. Các vì sao, mặt trời và thậm chí cả mặt trăng đều được cấu tạo bởi những nguyên tử thông thường, có mặt đủ hết trên trái đất. Các nhà vật lý thiên văn không tìm thấy cái gì khác lạ cả. Tất cả mọi thiên hà xa xôi đều chứa đựng những viên gạch đã tạo nên lũ bướm vàng hay đám cúc vàng ở đây, trên hành tinh của chúng ta. Hyđro, cacbon, ôxy, nitơ - bốn thành tố cơ bản tạo nên sự sống mà chúng ta biết - tất cả đều vung vãi khắp dải Ngân Hà. Mỗi một người chúng ta đều được tạo nên từ nguyên liệu của các ngôi sao. Thoạt nhìn, tưởng như không có gì khác xa nhau hơn là một con người so với một ngôi sao. Ấy vậy mà những điểm giống nhau giữa vòng đời của mỗi một cá thể trong cái cặp đôi khác thường này lại lớn đến kinh ngạc.

Đời một ngôi sao khởi thủy từ những vùng không gian có các đám mây nguyên tử hyđro mờ mịt tồn tại. Dần dà, hầu như không nhận thấy, do lực hấp dẫn vô cùng nhỏ bé của mỗi nguyên tử nhỏ bé này hút các nguyên tử khác ở lân cận, mà các nguyên tử bắt đầu kết hợp lại[1]. Một nguyên lý tổ chức vô hình nào đó, rất giống cái lực thoáng chốc của sự sống, đã thu hút các chuyển động cuộn xoáy và những nhóm nhỏ lại với nhau thành một hình xoáy ốc, quay chậm tuyệt đẹp. Cơn lốc ấy liên tục cuộn mãi vào phía trong, thành những vòng xoáy ngày càng thắt chặt lại với nhịp điệu ngày một nhanh thêm, như điệu nhảy quay cuồng của một thầy đồng vũ trụ, và cứ như vậy trong hàng chục triệu năm. Dần dần, sự va đập vô cùng mạnh của các nguyên tử mới, bị kích thích lôi hút vào vòng xoáy đã làm cho nhiệt độ của lõi hình xoắn ốc tăng cao, và ngày càng có thêm nhiều nguyên tử hyđro bị cuốn phăng vào cơn lốc xoáy không ngừng, ngày càng lớn dần, ngày càng mãnh liệt của vật chất nóng bỏng.

Nhưng cho đến khi ấy, vẫn chưa có ánh sáng nào được tạo ra. Ngôi sao mới đang còn ở giai đoạn tiềm sinh. Giai đoạn này của ngôi sao giống như giai đoạn bào thai của con người, không nhìn thấy được nhưng vẫn tồn tại đấy, lặng lẽ phát triển trong bóng tối. Trong khi đó, cơn lốc xoáy càng ngày càng siết lại, nhiệt độ của nó không ngừng tăng lên, cho đến khi lõi của nó đạt tới nhiệt độ mười triệu độ. Và rồi sau đó, khi đạt đến mật độ tới hạn các nguyên tử hyđro, ngôi sao sẽ khởi phát các phản ứng tổng hợp hạt nhân. Ánh sáng chói lòa bùng lên của ngọn lửa nhiệt hạch có thể ví như tiếng khóc đầu tiên của đứa trẻ sơ sinh, báo hiệu sự ra đời của một ngôi sao mới. Giai đoạn ngôi sao sống trong bóng tối, giống như sự tồn tại của bào thai trong tử cung của người mẹ, đã chấm dứt. Giờ đây những ai quan tâm đều có thể thấy được hình hài của ngôi sao.

Freud, trong tác phẩm Vượt trên nguyên lý hạnh phúc (1920), đã lý luận rằng quá trình sống là kết quả của mối cân bằng căng thẳng giữa hai đối thủ là Eros - khát vọng sống và Thanatos - thiên hướng chết. Hai đối thủ này sa vào một thứ như một trận chiến vật tay ba-hiệp-mười-năm với nhau. Ở thời trẻ, Eros là người chiến thắng; còn lúc về già, tất nhiên Thanatos ở thế tay trên. Số kiếp của các ngôi sao cũng tương tự như vậy.

Cuộc đời của một ngôi sao trẻ đang lớn phụ thuộc vào lò lửa hạt nhân của nó để chuyển đổi vật chất thành năng lượng. Eros, qua việc tuôn trào năng lượng phát xạ, luôn đẩy cho các nguyên tử của ngôi sao ra xa nhau và chống lại sự kìm giữ của Thanatos. Ngược lại, Thanatos kiềm chế những khát khao mãnh liệt muốn vùng thoát, đầy trẻ trung nhưng không kém phần phá hoại nguy hiểm của Eros bằng việc giữ các nguyên tử lại với nhau nhờ lực hấp dẫn. Sự cân bằng tạo ra từ cuộc giằng co này sẽ quyết định hình hài của ngôi sao.

Các nhà thiên văn nhận dạng được từng ngôi sao bởi mỗi ngôi sao phát ra một loại ánh sáng riêng biệt là căn cốt của nó. Ngọn lửa độc nhất vô nhị của ngôi sao sẽ cháy hàng triệu triệu năm, liên tục được nuôi dưỡng bằng các nguyên tử hyđro, những nguyên tử này sẽ từ bỏ lượng vật chất của mình, rồi biến mất vào không gian dưới dạng các con sóng nhịp nhàng của ánh sáng điện từ. Quá trình biến hình này chính là nguồn lực sống của ngôi sao. Khi còn trẻ, ngôi sao sáng và nhẹ, nó lấy năng lượng từ các kho dự trữ hyđro dồi dào của mình. Trong thời thơ ấu kéo dài hàng tỉ năm, ngôi sao sử dụng hyđro linh lợi làm nguồn nhiên liệu duy nhất của nó. Vẻ bề ngoài của nó, giống như của trẻ vị thành niên, sẽ thay đổi khi nó bắt đầu chuyển hóa những nguyên tử hyđro đơn giản thành các nguyên tố khác nặng hơn để tiếp tục duy trì sự tồn tại của mình. Ngôi sao, cũng giống như con người, tiếp tục lớn lên, trở nên nặng hơn, khi mật độ của nó ngày càng tăng. Và rồi giai đoạn người lớn của nó bắt đầu.

Giai đoạn này trong vòng đời của một ngôi sao cũng chính là giai đoạn mà mỗi người chúng ta hình thành nên sự tồn tại cá nhân của mình. Trong giai đoạn này, phản ứng nhiệt hạch xảy ra tại tâm lõi của ngôi sao mang hình hài của thần thợ rèn Vulcan trong thần thoại La Mã, bắt đầu tôi luyện nên các loại nguyên tử khác. Dần dà, quá trình tổng hợp hạt nhân đã chuyển đổi hyđro thành hêli, rồi hêli thành cacbon, cacbon thành nitơ, nitơ thành ôxy, ôxy thành silic, cứ thế ngược mãi lên theo bảng tuần hoàn các nguyên tố cho đến sắt. Bộ ghép hình để tạo nên sự sống như chúng ta biết, đã lấy nguyên liệu từ chính ngôi sao này.

Năm 1859, Charles Darwin đã xuất bản công trình vĩ đại của mình nhan đề Nguồn gốc các loài[2], trong đó ông cho rằng quá trình tiến hóa là do mối tương tác giữa thách thức của môi trường và sự thích nghi của cơ thể đối với nó. Cái mà ông đã không xác định được là cơ chế để các hình thái sống phản ứng với thay đổi. Làm cách nào mà con thú lại tiến hóa đến chỗ có được bộ lông dày hơn, khi băng hà làm nhiệt độ tụt xuống? Darwin hẳn sẽ vô cùng kinh ngạc khi biết được rằng mệnh lệnh cho hành động ấy lại rơi xuống từ các ngôi sao. Động lực cho sự tiến hóa của toàn bộ sự sống trên trái đất này là quá trình đột biến ngẫu nhiên xảy ra tại mỗi nguyên tử ADN trong tinh trùng hoặc trong trứng. Những đột biến này lại là kết quả bắn phá cấu trúc nguyên tử của ADN từ các tia vũ trụ. Từ không gian vũ trụ sâu thẳm, vượt qua hàng tỉ năm ánh sáng, những mệnh lệnh này từ các ngôi sao đã tìm thấy được một đoạn gen, làm biến đổi nó, và thế là làm thay đổi hình dạng của các hình thái sống trong tương lai. Chúng ta không những chỉ được làm ra từ chất liệu của vũ trụ, mà chính bản thân sự sống cũng không thể tiến hóa nổi nếu không có sự can thiệp chéo của những sứ giả tới từ những ngôi sao xa xôi này. Nói sự tiến hóa, cái tên khác của toàn bộ sự sống, có nguồn gốc từ các ngôi sao là như thế.

Trong vòng đời của con người, thông thường giai đoạn có năng suất sinh sản cao nhất của gen là những năm tháng ở khoảng giữa thời kì trưởng thành. Nếu như một người định để lại một di sản nổi bật nhất cho các thế hệ tương lai của anh ta, thì chính là trong những năm này, các gen sáng tạo và sinh sản của anh ta phải được kích hoạt. Các ngôi sao cũng vậy. Các nguyên tố được tạo nên trong cái lò lửa ở lõi ngôi sao, là tiền đề quan trọng cốt tủy đầu tiên cho quá trình tiến hóa của các loài trên trái đất. Các ngôi sao là tổ tiên nguyên thủy của tất cả mọi dạng thức sống. Nhận thức này sinh từ bộ não màu xám ẩm ướt nặng tới ba kilogam rưỡi của chúng ta, được cấu tạo từ những cháu chắt nhỏ xíu của chúng. Có thể lần ngược cái cây phả hệ chằng chịt của ý thức đến tận nguồn gốc của nó là các thiên hà. Các ngôi sao chết đi, tro bụi của chúng bắn tung vào vũ trụ tối tăm và trở thành hạt giống tạo nên tôi và anh.

Khi tất cả hyđro mà một ngôi sao có thể có đã chuyển hóa hết, giai đoạn trung niên diễn ra, ánh sáng ngôi sao mờ dần, bởi nguồn cung cấp nhiên liệu cho lò phản ứng của nó đang nhanh chóng suy giảm. Ngôi sao trở nên thực sự nặng hơn. Tương quan giữa các lực sống và chết bắt đầu thay đổi. Lực hấp dẫn, nguồn lực của Thanatos, từ chỗ không nhìn thấy, dần dần mạnh hơn năng lượng, nguồn lực của Eros. Ngôi sao trở thành một sao kềnh đỏ hấp hối, bước vào giai đoạn già nua và bình lặng kéo dài trong hàng chục triệu năm. Nguồn năng lượng cạn kiệt, nhiệt độ ngôi sao bắt đầu giảm xuống. Ánh sáng sao, giống như ánh sáng chập chờn của một ngọn nến, nói một cách ẩn dụ, bắt đầu nổ lép bép lụi dần, báo hiệu rằng ngôi sao đã đến gần ngày tận số của nó.

Sao, giống như người, có thể chết theo nhiều cách. Đối với một số ngôi sao, cái chết đến dưới hình thức một vụ nổ dữ dội, gọi là sao siêu mới, một đại tai biến mang tầm vóc vũ trụ, làm tan tành cả một ngôi sao khổng lồ và bắn tung tóe các mảnh vỡ của nó ra khắp bầu trời. Các sao siêu mới là nguyên nhân tạo ra những nguyên tố nặng hơn sắt. Tuy nhiên, đối với hầu hết các ngôi sao cũng như con người ta, cái chết là một sự kiện tương đối lặng lẽ hơn.

Khi năng lượng phát xạ trung bình của một ngôi sao tụt xuống thấp đến mức không thể làm các nguyên tử của nó phát tán ra được nữa, thì lực hấp dẫn bắt đầu hút và dồn chúng theo hướng về phía tâm của ngôi sao. Quá trình dồn nén này cứ tiếp diễn mãi, cho đến khi, cuối cùng, ngôi sao trở thành cục than hồng sắp tàn đặc quánh. Các electron của từng nguyên tử đơn lẻ phải chia sẻ khoảng không gian với những electron khác cùng điện tích âm căm ghét nhau tới mức ở một thời điểm nào đó, chúng phải đồng thanh gào lên: “Đủ rồi!”. Và kết quả là các nguyên tử bị dồn nén, đang lạnh dần chấm dứt sự cuộn xoáy vào bên trong và đạt tới một trạng thái cân bằng. Ngôi sao tạo bởi một thứ vật chất bị nén chặt và có mật độ lớn đến mức nó làm “lõm” vùng không-thời gian ở quanh nó. Các nhà thiên văn gọi những ngôi sao ấy là các “sao lùn trắng”. Đường kính của chúng chỉ khoảng vài chục nghìn kilomet, chứ không phải hàng tỉ hay hàng nghìn tỉ, và khối lượng riêng của chúng vào khoảng hàng nghìn tấn một centimet khối. Chúng tồn tại ở trạng thái le lói hồng hồng như vậy một cách vĩnh viễn.

Nhưng nếu khối lượng của một ngôi sao lại lớn hơn 1,4 lần khối lượng của mặt trời, thì thậm chí lực bài xích lẫn nhau của các electron mang điện tích âm cũng không cưỡng lại được vòng xiết nghiệt ngã của lực hấp dẫn. Thanatos cứ từ từ, tàn nhẫn cưỡng bức các electron phải hôn phối một cách miễn cưỡng với các proton trong hạt nhân, tạo ra một số lượng nơtron ngày càng tăng. Giống như electron, các hạt nơtron cũng cưỡng lại việc phải chia sẻ không gian chật ních của chúng với đồng loại. Các đám đông này không khác gì một đám tù nhân sưng sỉa bị lèn chặt trong một phòng giam quá chật chội, vốn được thiết kế không phải để chứa một số lượng phạm nhân nhiều đến thế. Cái chết đặc biệt kiểu này của một ngôi sao đã tạo ra một khối xỉ thàn cháy tàn, siêu đặc mà các nhà vật lý thiên văn gọi là “sao nơtron”. Trong trường hợp này, những gì còn lại của một ngôi sao đầy kiêu hãnh trước kia giờ sẽ bị ép chặt thành một cỗ quan tài đường kính chỉ vài chục kilomet, mà khối lượng riêng của nó lớn đến mức một bao diêm đựng vật chất của nó cân nặng tới bốn mươi tỉ tấn.

Cái chết của một ngôi sao nặng hơn 2,5 lần khối lượng mặt trời của chúng ta (tình cờ lại là kích thước trung bình) đi kèm với một sự nén ép kinh khủng khối vật chất đã cháy hết vào một không gian thậm chí còn nhỏ hơn nữa. Cái mà trước kia là một thiên thể khổng lồ có đường kính đo bằng kilomet nhân với 10 mũ 6 hay mũ 7, giờ kết thúc trở thành một cái xác chết mà bề rộng chỉ khoảng vài cây số. Không có gì cản được đường nó, Thanatos, bằng vòng tay gấu xiết chặt tàn nhẫn của mình, đã gầm gừ hổn hển, thật sự bóp chết nghẹt một người khổng lồ. Vùng không-thời gian xung quanh đã bao bọc ngôi sao chết bằng tấm vải liệm bị uốn cong. Khối lượng riêng vật chất trong những ngôi sao chết ấy lớn đến mức ánh sáng đã vĩnh viễn không thể thoát ra khỏi chúng.

Cái chết chính là ẩn dụ hoàn hảo nói về trường hợp đặc biệt cuối cùng này. Sự tắt lịm của ánh sáng xảy ra là do lực hấp dẫn vô hình, tăm tối đã bóp chết nghẹt một ngôi sao khổng lồ. Cả ánh sáng của ngôi sao, hằng số của vũ trụ, và khối vật chất của nó đều biến mất, và vết tích của những sự biến mất ấy chỉ còn lại như đường phấn vẽ viền quanh một xác chết đã được lấy đi khỏi hiện trường của vụ án. Các nhà vật lý gọi vết tích của cái thực thể như ma ấy là một “lỗ đen”.

Năm 1967, John Wheeler nghĩ ra cái tên “lỗ đen” và năm 1971, các nhà thiên văn đã phát hiện ra xác sao chết siêu đặc đầu tiên ấy. Từ đó trở đi, lỗ đen luôn ám ảnh trí tưởng tượng của công chúng. Nhà sinh học J.B.S. Haldane có lần đã nhận xét: “Vũ trụ không những chỉ dị thường hơn chúng ta tưởng, mà nó còn dị thường hơn chúng ta có thể tưởng tượng ra”. Edward Harrison đã miêu tả đầy chất thơ về các lỗ đen, chúng như “những con quái vật của không gian sâu thẳm”. Trước đó rất sớm, nhà thơ Jonathan Swift có lẽ đã tả về một lỗ đen khi ông viết:

“Ta ngốn ngấu hết,

Tàn phá tan hoang

Ăn không biết chán

Đến sạch thế gian”

Mặc dù kì lạ, nhưng một lỗ đen chỉ bao gồm hai thành phần: chân trời sự kiện và điểm kì dị (Hình 23.11). Chân trời sự kiện là một biên vô hình bao quanh lỗ đen. Ở bên trong chân trời, lực hấp dẫn lớn đến mức bất kì ánh sáng nào vượt qua cũng bị nó cầm tù, vĩnh viễn biến mất. Nếu bạn chiếu một chùm sáng vào trong lỗ đen, bạn sẽ không bao giờ thấy nó phản xạ trở lại từ đó, hay bất kì ánh sáng nào phát sinh ở bên trong chân trời đều không thể thoát được ra ngoài. Kết quả là lỗ đen hoàn toàn là vô hình trong con mắt nhìn của chúng ta[3].

Hinh23 11.jpeg

Hình 23.11. Một lỗ đen

Để minh họa cho phong cảnh kì quặc của một hố đen, chúng ta hãy tiến hành một chuyến du lịch tưởng tượng đến một trong những hòn đảo âm phủ ấy của vũ trụ. Khi đến gần vùng lân cận ở bên ngoài chân trời sự kiện của lỗ đen, chúng ta bị tác động dữ dội bởi các hiệu ứng mãnh liệt của không-thời gian bị uốn cong, do không gian đã bị nén và bóp chặt dưới gọng kìm của lực hấp dẫn. Chúng ta đã biết trước rằng chúng ta không thể quan sát thấy bất kì “sự kiện” nào xảy ra phía bên kia bức màn kín mít này, chính vì thế mà nó mang tên là chân trời sự kiện. Trong thời gian ngôi sao co sập lại, bất kì không gian nào bị tóm bắt vào phía trong chân trời sự kiện sẽ chấm dứt sự tồn tại trong vũ trụ của chúng ta. Thuyết tương đối rộng của Einstein đã chứng minh rằng khối lượng làm cho thời gian trôi chậm lại. Tại chân trời sự kiện của một lỗ đen, hiệu ứng này khủng khiếp đến mức thời gian đã thực sự dừng đứng lại.

Chúng ta hãy tưởng tượng tiếp rằng một tình nguyện viên can đảm trong đoàn chúng ta, được phép mầu bảo vệ, đã đồng ý cố gắng tiến sâu vào bên trong lỗ đen. Trong thực tế, sẽ không thể có chất liệu nào tồn tại được ở phía bên kia chân trời sự kiện, bởi vì lực hấp dẫn sẽ nghiền vỡ tan các nguyên tử của chất ấy như máy nghiền nho mùa thu hoạch. Nhà thám hiểm của chúng ta đem theo một chiếc đồng hồ rất lớn và một chiếc thước, trực chỉ về phía trung tâm của lỗ đen. Cho tàu vũ trụ đỗ bên ngoài chân trời sự kiện, chúng ta quan sát thấy rằng đồng hồ của anh ta chạy chậm dẳn lại khi anh ta tiến đến gần chân trời. Khi đồng hồ đến đúng mép của cái biên giới vô hình ấy, các kim của đồng hồ liền dừng lại không chạy nữa. Khoảnh khắc ấy được giữ lại vĩnh viễn. Do thời gian nở ra vô hạn, nên hình ảnh chiếc đồng hồ và người bạn vũ trụ của chúng ta nom cũng như đông cứng vĩnh viễn trong con mắt của chúng ta, những người ở lại trên con tàu vũ trụ. Hơn thế nữa, nhà thám hiểm của chúng ta trông bị dẹt phẳng đi, như một hình người được cắt ra từ bìa cứng và cái thước mà anh ta mang theo, chĩa về phía tâm của lỗ đen, cũng bị co lại và bị nén lại vô hạn ở đường chân trời sự kiện, cho đến cuối cùng, nó không còn chiều dài nữa.

Trong khi từ trên tàu vũ trụ, chúng ta nhìn thấy người bạn thám hiểm bị ép phẳng của chúng ta chuyển động chậm rãi như trong phim hoạt hình quay chậm, thì đối với anh ta, một hệ thống cảm nhận khác đã xảy ra. Khi anh ta tiến đến gần đường chân trời, chiếc đồng hồ đi cùng anh ta vẫn đều đặn chạy không hề thay đổi. Nhưng nếu anh ta nhận thấy không có gì bất thường đã xảy ra với đồng hồ, thì anh ta có thể thấy rằng cả anh ta lẫn cái thước mang theo đang bị kéo dài ra, cả hai dài đến hàng trăm cây số khi vượt qua chân trời sự kiện. Biến dạng này là hình ảnh đối lập hoàn toàn với những gì chúng ta quan sát thấy từ con tàu vũ trụ. Nó là do hiệu ứng của lực hấp dẫn tác động lên nhà thám hiểm và cái thước của anh ta, khi cả hai ở vị trí gần lỗ đen nhất. Theo thuyết tương đối, lực hấp dẫn đã kéo dãn vật chất của cả hai thành những thanh dài ngoẵng của một thứ chất liệu như kẹo bơ dẻo.

Tuy nhiên, nhà thám hiểm can đảm của chúng ta sẽ trải qua cơn choáng váng lớn nhất khi quay lại nhìn chúng ta trong tàu vũ trụ. Đúng vào lúc anh định vẫy tay và bước qua ngưỡng cửa của chân trời sự kiện, anh thấy toàn bộ lịch sử của vũ trụ chạy ập ngược lại về phía mình với một vận tốc kinh hoàng. Toàn bộ vòng đời của vũ trụ, từ Vụ nổ lớn (Big Bang) đầu tiên đến kết cục cuối cùng, vụt qua trong một chớp mắt rồi tắt phụt!

Tại chân trời sự kiện, có ba loại thời gian tồn tại. Loại thứ nhất là thời gian đã đông cứng lại vĩnh viễn trong mắt nhìn của chúng ta, những người quan sát đang ngồi trong con tàu vũ trụ, theo dõi người bạn đồng hành đang cố vượt qua chân trời sự kiện (điều mà anh ta không bao giờ thực hiện). Loại thời gian thứ hai là thời gian của chiếc đồng hồ đi cùng với anh ta, mà theo con mắt nhìn của anh, đã không hề bị ảnh hưởng bởi sức hút của lực hấp dẫn. Loại thời gian thứ ba là khoảnh khắc lịch sử mà người thám hiểm trải nghiệm, khi anh chuẩn bị vượt qua đường chân trời sự kiện nhìn ngoái lại: toàn bộ thời gian của vũ trụ - quá khứ, hiện tại, tương lai - dồn nén trong một chớp mắt.

Chúng ta không thể biết chắc được cái gì thực sự xảy ra ở bên trong một lỗ đen, bởi vì thuyết tương đối dự báo rằng năm thành tố cơ bản - không gian, thời gian, năng lượng, vật chất và ánh sáng - đều cùng bị dồn vào trong đó và phải hội tụ thành một điểm hình học duy nhất: đó là điểm kì dị. Toàn bộ các đường vũ trụ thuộc giản đồ không-thời gian có dạng một chiếc đồng hồ cát của Minkowski đã bàn ở Chương 17 sẽ gặp nhau và dừng lại tại điểm này. Không có định luật vật lý nào áp dụng trong thế giới của chúng ta lại có thể miêu tả chính xác những cái sẽ xảy ra tiếp sau đó. Trong một bối cảnh khác, như Thánh Paul đã viết, những thực thể nào “không có luật” thì “là luật cho bản thân chúng”.

Ở bên trong chân trời sự kiện, tương tự như không gian, thời gian cũng ngừng tồn tại theo cái nghĩa mà chúng ta vẫn biết. Thay vào đó, các nhà toán học đã suy đoán rằng ở đó có tồn tại một thời gian khác: thời gian ảo. Họ cho rằng cái cấu trúc là sản phẩm của tư duy này sẽ nằm ở vị trí vuông góc so với cái mũi tên thẳng của thời gian riêng. Nếu như thời gian lại thực sự có được một hướng khác, vuông góc với thời gian tuyến tính, thì thời gian đã ngầm mang tính chất tựa không gian. Hơn thế nữa, sự tồn tại của một thế giới hai chiều, tựa thời gian trong không gian sẽ ngầm ngụ ý về một đường thứ ba vuông góc với cái góc vuông của thời gian. So với việc suy nghĩ chỉ theo thời gian đơn tuyến, thì mô hình của Minkowski về sự kết hợp thời gian và không gian thành không-thời gian sẽ dễ dàng hình dung được hơn trong bối cảnh của sự giao cắt giữa thời gian ảo với thời gian riêng.

Và do thời gian lấy thêm được chiếu ở xa phía trong chân trời sự kiện, thì ngược lại, không gian sẽ bị mất đi các chiều. Ở bên trong chân trời sự kiện, chiều rộng và chiều sâu đều phải chịu các giới hạn, nhưng chiều dài thì không. Chuyển động sang ngang hai bên hoặc đi tới đi lui đều bị hạn chế: tất cả các chuyển động bắt buộc phải tiến mãi về phía trước, hướng tới điểm kì dị. Ở bên ngoài lỗ đen, không gian có ba vectơ và thời gian chỉ có một hướng duy nhất. Vào bên trong chân trời sự kiện, thời gian nở xoè ra như một cái ô, chứa cả các vectơ khác, trong khi không gian buộc phải giảm xuống chỉ còn một chiều, hút tụt vào điểm dị thường.

Trung tâm chết chóc của một lỗ đen không thực sự tồn tại như một vị trí trong không gian và thời gian như được cho thấy trên Hình 23.11, bởi vì lỗ đen không thực sự chứa không gian, thời gian hay ánh sáng theo ý nghĩa thông thường. Điểm kì dị là một cái thùng không đáy mà mọi vật sẽ cuộn xoáy lao tụt xuống đó rồi biến mất. Vật chất, năng lượng, không gian, thời gian và ánh sáng - tất cả đều bị hút tụt vào cái máy hút bụi tầm cỡ vũ trụ đó và biến mất khỏi vũ trụ của chúng ta. Không có một ngôn ngữ thông thường nào có thể miêu tả một cách chính xác những gì đang xảy ra ở bên trong cái điểm kì dị đó. Lỗ đen là một ý niệm đã đem chúng ta giáp mặt với những giới hạn khắc nghiệt của bộ máy nhận thức theo thế giới ba chiều của loài động vật có vú chúng ta.

Sự bí hiểm bao quanh số phận của mọi thứ đã biến mất trong các lỗ đen đã dẫn tới việc các nhà vật lý phỏng đoán rằng có lẽ tất cả những thành tố tạo nên hiện thực của chúng ta sẽ tái xuất hiện trong một vũ trụ khác, song song với vũ trụ này. Một ước đoán khác là chúng sẽ trở lại ở một vùng khác của vũ trụ chúng ta, nhưng tại một thời gian khác. Theo những lý thuyết ấy, thì lỗ đen tạo ra một đường hầm như giun đào trong không-thời gian, và những gì bị biến mất ở điểm kì dị của lỗ đen sẽ xuất hiện ở một nơi khác nào đó, trong một thời gian khác nào đó, từ một “lỗ trắng” tương hỗ với nó (Hình 23.12 và Hình 23.13).

Hinh23 12.jpeg

Hình 23.12. Giản đồ nhúng của một lỗ đen và một lỗ trắng tương hỗ với nó

Hinh23 13.jpeg

Hình 23, 13. Một đường hầm giun đào trong không-thời gian: đầu kia của một lỗ đen trong vũ trụ chúng ta có thể sẽ mở ra ở một vị trí khác tại một thời gian khác.

Lí thuyết về các đường hầm giun đào trong không-thời gian đã rất hấp dẫn đối với các nhà vật lý thiên văn, bởi chúng dường như bổ sung cho một thực tế dị thường nữa của vũ trụ, đó là các chuẩn tinh hay là quasar. Quasar (ghép từ quasi “gần như” và stellar “sao”) là những thiên thể bí hiểm, phát ra những khối năng lượng phi thường, đến mức cho tới giờ không có một quá trình nào từng được biết trong vũ trụ có thể coi là nguyên nhân của nó. Trong khi hầu hết các nhà vật lý thiên văn tin rằng quasar là những cái lõi đang hoạt động của các thiên hà nguyên thủy rất nặng, thì một số khác lại cho rằng quasar có thể là những “lỗ trắng” tại đầu kia của điểm kì dị thuộc các lỗ đen đang tồn tại hoặc trong vũ trụ chúng ta ở một vùng khác của không gian và thời gian, hoặc thậm chí, kinh ngạc hơn, từ một vũ trụ khác, có lẽ bằng việc đánh tơi và xay vụn không gian, thời gian, vật chất và năng lượng, điểm kì dị của lỗ đen có thể đã đóng vai trò cái máy xay sinh tố mang tầm vóc vũ trụ, để từ đó nguồn năng lượng bí hiểm lại tràn ra từ các quasar. Nếu như điều đó là đúng, thì cái mà chúng ta đã nhìn nhận như một hình ảnh đáng sợ là lỗ đen hóa ra lại chỉ là một nửa của một cặp đôi vũ trụ bổ sung cho nhau. Lưỡng nghi Âm-Dương thực sự là một ẩn dụ thị giác chính xác cho sự thống nhất này.

Chú thích

  1. Để tránh phức tạp thêm, trong phần về các ngôi sao này, tôi sẽ nói về hấp dẫn như là lực quen thuộc tồn tại trong thế giới ba chiều của chúng ta.
  2. Nguồn gốc các loài, Charles Darwin, Trần Bá Tín dịch, Nxb Tri thức, 2009.
  3. Tuy nhiên, Stephen Hawking đã đưa ra khả năng là do những thăng giáng lượng tử, có thể có một lượng không đáng kể ánh sáng thoát ra được.

Tác phẩm, tác giả, nguồn

  • Tác phẩm: Nghệ thuật và vật lý
  • Tác giả: Leonard Shlaintli Bach
  • Biên dịch: Trần Mạnh Hà và Phạm Văn Thiều
  • Nhà xuất bản tri thức

Có thể bạn muốn xem

"Like" us to know more!