EDWARD WITTEN

Dịch giả: NGÔ MINH TUẤN


Các chiều phụ thêm

Siêu dây tồn tại trong một không – thời gian 10 chiều, nhưng chúng ta lại chỉ quan sát thấy có 4 chiều không – thời gian. Dù sao chúng ta cũng cần phải kết nối hai không – thời gian này lại theo một cách nào đó nếu như siêu dây là để mô tả vũ trụ của chúng ta. Để làm điều này chúng ta cuộn 6 chiều phụ thêm lại trong một vùng không gian cô gọn rất nhỏ. Nếu kích thước của không gian cô kết này cỡ thang của các dây (10-33 cm) chúng ta sẽ không thể dò ra sự hiện diện của các chiều phụ thêm này một cách trực tiếp – chúng quá ư là tí hon. Kết quả cuối cùng là chúng ta lại quay trở về với thế giới (3+1) chiều thân thuộc của chúng ta, nhưng có một “trái banh” không gian 6 chiều tí hon tại mọi điểm trong vũ trụ bốn chiều. Nó được chỉ rõ trong những biểu đồ phóng đại minh họa dưới đây:

Ý tưởng này đã cổ lắm rồi từ thời những năm 20 với các công trình của Kazula và Klein. Phương pháp này cũng thường được gọi là thuyết Kaluza-Klein hay compactification. Trong công trình gốc của Kazula đã chỉ ra rằng nếu chúng ta bắt đầu với một lý thuyết tương đối rộng trong không – thời gian 5 chiều và sau đó cuộn một trong số các chiều đó lại thành một vòng tròn và kết thúc với một lý thuyết tương đối rộng 4 chiều với thuyết điện từ! Nguyên nhân của điều này là do điện từ học là một lý thuyết chuẩn U(1), và U(1) chính là nhóm xoay quanh một quỹ đạo. Nếu chúng ta chấp nhận là electron có một mức độ tự do phụ thuộc vào điểm trên một quỹ đạo, và điểm này là tự do trên quỹ đạo khi chúng ta di chuyển xung quanh trong không – thời gian, chúng ta nhận thấy là lý thuyết đó phải chứa photon và electron đó tuân thủ theo phương trình chuyển động điện từ (tên là phương trình Maxwell). Phương pháp Kazula – Klein đã đưa ra một lời giải thích đơn giản mang tính hình học cho quỹ đạo này: nó là do một chiều thứ năm có thực đã được cuộn lại. Trong ví dụ đơn giản này chúng ta thấy là mặc dù các kiều cuộn lại này có thể là rất nhỏ để có thể phát hiện được trực tiếp, chúng vẫn có thể có những dính líu nằm ẩn sâu.

Làm thế nào chúng ta thực sự nhận ra nếu quả thực có các chiều phụ thêm và làm thế nào để dò ra chúng nếu chúng ta có được các máy gia tốc với năng lượng đủ cao? Nhờ cơ học lượng tử chúng ta biết rằng nếu một chiều không gian là tuần hoàn moment trong đó chiều được lượng tử hóa, p = n / R (n=0,1,2,3,….), nhưng ngược lại nếu một chiều không gian không bị bó buộc mà moment có thể nhận một dẫy liên tục các giá trị. Khi bán kính chiều cuộn lại giảm đi (vòng trở nên rất nhỏ) thì khoảng chêm giữa các giá trị moment chấp nhận được trở nên rất rộng. Do đó chúng ta có một tháp Kaluza Klein các trạng thái moment.

Nếu chúng ta làm cho bán kính của vòng trở nên rất lớn (chiều bị nới rộng ra) khi đó các giá trị moment khả dĩ trở nên rất gần về không gian và bắt đầu định dạng một thể liên tục. Các trạng thái moment Kazula Klein này sẽ lộ ra trong phổ khối lượng của thế giới không cuộn lại. Cụ thể, trạng thái phi khối lượng trong lý thuyết không gian cao chiều hơn sẽ xuất hiện trong lý thuyết thấp chiều hơn như là một tháp các trạng thái khối lượng có khoảng chêm tương tự nhau đúng như trong hình trên. Một máy gia tốc hạt khi đó sẽ có thể quan sát được một tập hợp các hạt với khoảng chêm giữa các khối lượng tương tự nhau. Nhưng không may, chúng ta cần phải có những máy gia tốc với năng lượng rất cao để có thể phát hiện ra thậm chí là những hạt nặng nhất.

Các dây còn có thêm một tính chất rất thú vị khi được cuộn lại: chúng có thể quấn quanh một chiều được cuộn lại dẫn đến mode quấn trong phổ khối lượng. Một dây kín có thể quấn một số vòng quanh một chiều kín. Tương tự như trường hợp Kazula – Klein chúng góp một phần xung lượng là p = w R (w=0,1,2,…). Sự khác biệt chủ yếu ở đây là điều này sẽ đi theo một con đường khác liên quan đến bán kính của chiều cuộn lại, R. Vì vậy giờ đây khi mà những chiều không gian cuộn lại trở nên rất nhỏ thì những mode cuốn này sẽ trở nên vô cùng nhẹ!


Bây giờ để giống như thế giới 4 chiều, chúng ta cần cuộn 10 chiều trong thuyết siêu dây lại thành một đa mặt sáu chiều. Khỏi nói cũng thấy bức tranh Kazula Klein được mô tả ở trên sẽ trở nên phức tạp hơn một chút. Có một cách đơn giản là đặt 6 chiều này vào 6 vòng, tức một mặt đế hoa 6 chiều. Khi này hóa ra nó lại duy trì được rất nhiều siêu đối xứng. Người ta tin rằng một vài siêu đối xứng tồn tại trong thế giới 4 chiều tại thang năng lượng khoảng trên 1 TeV (đây là tâm điểm của những nghiên cứu hiện thời và trong tương lai với thế hệ các máy gia tốc có năng lượng cao nhất trên khắp thế giới!). Để duy trì lượng siêu đối xứng tối thiểu, N=1 trong 4 chiều, chúng ta cần cuộn lại thành một loại đa mặt đặc biệt gọi là một đa mặt Calabi – Yau.

Các tính chất của đa mặt Calabi – Yau có thể có những ứng dụng quan trọng trong vật lý năng lượng thấp chẳng hạn như các loại hạt quan sát được, khối lượng và các con số lượng tử của nó, số các họ hạt. Một trong những rắc rối còn tồn đọng trong lĩnh vực này đó là thực tế có quá quá nhiều đa mặt Calabi – Yau (hơn hàng ngàn hàng ngàn?) và chúng ta lại không thể biết được cái nào là hữu dụng. Trong khung cảnh chúng ta bắt đầu với một lý thuyết siêu dây 10 chiều gần như là độc nhất và phát hiện thấy rằng các khả năng vật lý trong 4 chiều thì lại vô số kể, ít nhất là với mức độ hiểu biết (chưa hoàn chỉnh) của chúng ta hiện nay. Niềm tin vào một tương lai lâu dài của các nhà lý thuyết dây là sự hiểu biết chi tiết về một cấu trúc hoàn toàn phi nhiễu loạn của lý thuyết, sẽ dẫn chúng ta đến những kiến giải về cách thức và lý do tại sao vũ trụ của chúng ta bắt đầu từ vật lý 10 chiều có khả năng đã tồn tại trong suốt pha năng lượng cao của Big bang, giáng xuống vật lý 4 chiều năng lượng thấp như chúng ta thấy ngày nay. (Có lẽ chúng ta sẽ tìm được một đa mặt Calabi – Yau độc nhất đóng vai trò chính yếu) Một số công trình quan trọng của Andrew Strominger đã chỉ ra là các đa mặt Calabi – Yau có thể liên tiếp được liên thông với một cái khác thông qua dịch chuyển Conifold và chúng ta có thể lướt qua các đa mặt Calabi – Yau bằng các tham số phi cố định trong lý thuyết. Điều này ám chỉ đến khả năng các lý thuyết 4 chiều khác nhau xuất phát từ những đa mặt Calabi – Yau khác nhau trên thực tế có thể là những pha khác nhau của cùng một lý thuyết cơ sở duy nhất.

Dây đối ngẫu

Năm lý thuyết dây xuất hiện một cách rất khác nhau khi xem xét chúng dưới dạng những mô tả của chúng trong lý thuyết nhiễu loạn liên kết yếu. Thực tế tất cả bọn chúng có mối liên quan với nhau thông qua một loạt các đối ngẫu. Chúng ta nói hai lý thuyết là đối ngẫu khi cả hai đều cùng mô tả chung một vật lý.

Kiểu đối ngẫu đầu tiên chúng ta sắp thảo luận là đối ngẫu T. Đối ngẫu này liên quan đến lý thuyết trong đó có thành phần bị cuộn lại thành một vòng tròn nhỏ với bán kính 1/R. Do đó khi một lý thuyết có một chiều bị cuộn lại thành một vòng tròn tí ti, thì trong lý thuyết kia có một chiều trải rộng ra thật lớn (nó chỉ vừa vặn với sự thu gọn) nhưng cả hai lại cũng mô tả chung một vật lý! Lý thuyết dây kiểu IIA và kiểu IIB đối ngẫu T với SO(32) Heterotic và E8 x E8 Heterotic cũng liên quan đến đối ngẫu T.

Đối ngẫu tiếp theo chúng ta xét tới là đối ngẫu S. Nói một cách đơn giản, đối ngẫu này có liên quan đến giới hạn liên kết mạnh của thuyết này với giới hạn liên kết yếu của một thuyết khác. (Cần lưu ý rằng bất kể sự mô tả liên kết yếu của cả hai lý thuyết này hoàn toàn khác nhau). Ví dụ, các lý thuyết dây SO(32) Heterotic và dây kiểu I là đối ngẫu S trong 10 chiều. Tức có nghĩa là giới hạn liên kết mạnh của thuyết dây SO(32) Heterotic là liên kết yếu trong thuyết dây kiểu I và ngược lại. Có một cách để nhận ra dấu hiệu của đối ngẫu giữa liên kết mạnh và yếu là so sánh quang phổ trạng thái của ánh sáng trong mỗi trường hợp và có thể nhận ra điểm phù hợp nếu chúng là đồng nhất. Chẳng hạn như thuyết dây kiểu I có một trạng thái dây – D nặng tại liên kết yếu,nhưng trong liên kết mạnh lại nhẹ. Dây – D này mang cùng các trường nhẹ như mặt vũ trụ của dây SO(32) Heterotic, vì vậy khi thuyết dây kiểu I có liên kết rất mạnh thì dây – D này sẽ trở nên rất nhẹ và chúng ta thấy diện mạo của dây liên kết yếu SO(32) Heterotic hiện rõ ra. Đối ngẫu S nữa trong 10 chiều là tự đối ngẫu của dây IIB: thuyết dây trong phạm vi liên kết mạnh của dây IIB là giống với thuyết dây trong phạm vi liên kết yếu khác của của dây IIB. Thuyết IIB cũng có một dây – D (với siêu đối xứng nhiều hơn như dây – D trong kiểu I và do đó vật lý cũng khác) nó sẽ có cấu hình nhẹ trong liên kết mạnh, nhưng dây – D này lại nhìn giống như một dây cơ bản kiểu IIB khác.

Vào năm 1995, nhà vật lý và toán học Edward Witten đã khai phá ý tưởng cho rằng thuyết dây kiểu IIA và E8 x E8 có liên quan đến nhau thông qua một lý thuyết 11 chiều mà ông gọi là “thuyết – M”. Sự phát hiện đáng kinh ngạc này đã cung cấp đường dẫn nối tất cả các lý thuyết siêu dây lại với nhau thành một chuỗi dưới khuôn khổ đối ngẫu. Đối ngẫu giữa những lý thuyết dây rất khác nhau cung cấp một bằng chứng mạnh mẽ cho thấy chúng là những phiên bản đơn giản hơn của cùng một lý thuyết cấp cơ sở. Mỗi phiên bản này có một cơ chế của riêng nó, và trong những giới hạn cụ thể phiên bản khác lại kế tục khi căn nguyên của cái kia bị phá vỡ.

Thuyết – M

Thuyết – M được mô tả tại năng lượng thấp bởi một lý thuyết hiệu quả gọi là Siêu hấp dẫn 11 chiều. Lý thuyết này có soliton là màng và 5 – brane, mà không có dây. Vậy làm cách nào chúng ta nhận được các dây quen thuộc và đáng yêu từ lý thuyết này? Chúng ta có thể thu gọn chiều thứ 11của thuyết – M để nhận được một lý thuyết 10 chiều. Nếu chúng ta lấy một màng với hình học topo của đường viền quanh và bọc một trong những chiều của nó lại vào trong cái vòng tròn cô tích này, màng khi đó sẽ trở thành một dây kín ! Trong điều kiện vòng đó trở nên rất nhỏ chúng ta thu lại được siêu dây kiểu IIA.

Làm sao chúng ta biết được Thuyết M trên một vòng tròn lại đem lại siêu dây IIA, mà không phải là IIB hay Heterotic? Câu trả lời đến từ một phân tích kĩ lưỡng những trường phi khối lượng mà chúng ta có nhờ vào việc cô gọn siêu hấp dẫn 11 chiều trên một vòng tròn. Cách kiểm tra khác dễ hơn là chúng ta có thể tìm thấy nguồn gốc thuyết M cho trạng thái D – brane độc nhất với thuyết IIA. Cần nhớ lại rằng thuyết IIA chứa D0,D2,D4,D6,D8-brane miễn là NS fivebrane. Bảng sau tổng kết các trạng thái.

Thuyết M trên vòng tròn IIA trong 10 chiều
Bọc màng một vòng Siêu dây IIA

Màng suy sụp đến kích thước zero

D0-brane
Màng không bị bọc D2-brane
Bọc fivebrane một vòng D4-brane
Fivebrane không bọc NS fivebrane

Hai brane bị loại ra ngoài là D6 và D8 – brane. D6 – brane có thể được giải thích như là một “đơn cực Kazula Klein”, là một giải pháp trạng thái đặc biệt cho siêu hấp dẫn 11 chiều khi nó bị bọc lại một vòng. D8 –brane không thực sự có được một cách lý giải rõ ràng dưới dạng thuyết M vào thời điểm này; nó là chủ đề của những nghiên cứu hiện thời!

Chúng ta cũng có thể nhận được một lý thuyết 10 chiều thích hợp nếu chúng ta bọc thuyết M vào trong một tuyến hình viên phân nhỏ. Đó là lấy một chiều (chiều thứ 11) và cho nó một chiều dài hữu hạn. Các điểm tận cùng của tuyến viên phân xác định các biên với 9 chiều không gian. Một màng hở có thể kết thúc trên những biên này. Do mặt cắt ngang của màng và một biên là một dây, chúng ta thấy rằng thể tích vũ trụ 9+1 chiều của mỗi biên có thể chứa các dây từ các chỗ tận cùng của màng. Như vậy hóa ra lại có thể khử được các dị thường trong thuyết siêu hấp dẫn, chúng ta cũng cần mỗi biên này mang một nhóm chuẩn E8. Do đó khi chúng ta làm cho khoảng không gian giữa các biên trở nên vô cùng nhỏ chúng ta sẽ còn lại một lý thuyết 10 chiều với các dây và một nhóm chuẩn E8 x E8. Đây là dây E8 x E8 heterotic!

Vì vậy với pha mới ở trên, pha 11 chiều của thuyết dây, và rất nhiều đối ngẫu giữa các lý thuyết dây, chúng ta được dẫn dắt tới một viễn cảnh vô cùng thú vị rằng chỉ có một lý thuyết nền tảng cơ sở duy nhất – thuyết M. Năm lý thuyết dây và siêu hấp dẫn 11 chiều có thể được coi như là những giới hạn cổ điển. Trước đây, chúng ta đã cố vạch ra những lý thuyết lượng tử của chúng bằng cách mở rộng ra xung quanh những giới hạn cổ điển của chúng sử dụng lý thuyết nhiễu loạn. Bản thân nhiễu loạn có những giới hạn của nó, vì vậy bằng cách nghiên cứu mặt phi nhiễu loạn của những lý thuyết này sử dụng đối ngẫu, siêu đối xứng,… chúng ta đã đi đến kết luận rằng dường như có chỉ một lý thuyết lượng tử thống nhất ẩn phía sau tất cả. Sự thống nhất này quả thực rất lôi cuốn, và hầu hết các công trình nghiên cứu về lĩnh vực này đều trực tiếp hướng đến việc định hình đầy đủ thuyết lượng tử M.


Thuyết siêu dây là một lĩnh vực nghiên cứu rất hấp dẫn do bởi nó rất có tiềm năng trở thành một lý thuyết thích hợp mô tả bản chất cơ bản của vũ trụ. Mọi yếu tố cơ bản trong đó là: vật lý lượng tử, boson, fermion, nhóm chuẩn, và hấp dẫn. Trong những năm gần đây đã có những tiến bộ lớn trong sự hiểu biết về cấu trúc toàn diện của lý thuyết bao gồm cả D – brane và đối ngẫu dây. Thuyết dây đã được ứng dụng gặt hái được thành công lớn trong việc nghiên cứu vật lý hố đen và hấp dẫn lượng tử. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều việc cần phải làm.

Hố sâu đục

Lỗ sâu đục kết nối hai lỗ đen

Lỗ đen hút các vật thể nhưng — theo thuyết tương đối rộng của Einstein thì việc đảo ngược thời gian là hoàn toàn có thể — các vật thể đi vào lỗ đen theo lý thuyết có thể được tuồn ra bởi một hố đen khác. Cũng có một ý kiến cho rằng hố đen và hố trắng được kết nối với nhau bởi một các đường hầm, được gọi là lỗ sâu đục.

Đường hầm không thời gian của một thế giới khác

Hố đen là giai đoạn cuối cùng trong sự phát triển của một ngôi sao. Nhưng trong những lần phi thường, chẳng hạn như sự bắt đầu của vũ trụ, các lỗ sâu đục có thể đã được tạo ra. Nếu cân nhắc đến sự thay đổi chất của không gian và thời gian, tốt hơn hết là nghĩ rằng các lỗ sâu luôn xuất hiện rồi lại biến mất. Khi suy nghĩ một cách kĩ lưỡng về các lỗ sâu, có thể hiểu rằng có một thế giới khác với thế giới mà chúng ta đang sống. Nếu chúng ta xem hai thế giới là song song, các lỗ sâu giống như một đường hầm không thời gian nối thế giới của chúng ta với thế giới song song đó.

Các lỗ sâu mang lại nhiều cơ hội cho việc du hành xuyên thời gian

Kip Thorne, một lý thuyết gia tương đối, đã đề ra ý kiến các lỗ sâu có thể đóng vai trò như những máy thời gian. Ông tin rằng, theo các nguyên lý của cơ học lượng tử, nếu một con tàu không gian đủ mạnh để di chuyển rất gần với vận tốc ánh sáng xuyên qua một lỗ sâu, thời gian có thể trôi ngược lại. Theo nguyên lý của thuyết tương đối hẹp nói rằng thời gian giãn nở đối với những vật chuyển động gần vận tốc ánh sáng, có khả năng di chuyển được trong thời gian. Stephen Hawking đã bác bỏ khả năng tạo ra máy thời gian.

Có một số nhân tố kĩ thuật chống lại ý định chế tạo máy thời gian và tốt hơn trong tình hình này là cân nhắc thật kĩ lời giải thích bất khả của nó. Stephen Hawking thường nói nếu những hiệu ứng của cơ học lượng tử được tính đến, thì việc xây dựng một chiếc máy thời gian là không khả thi trong thế giới thực.

Hố đen

Mặc dù hố đen được coi là nơi mà trường hấp dẫn mạnh đến nỗi kể cả ánh sáng cũng bị hút vào, nhưng trước đây chưa có ai thực sự nhìn thấy chúng hút vật chất như thế nào. Tuy nhiên, vào năm 1999 vệ tinh thiên văn ASCA (Asuka) của Nhật Bản lần đầu tiên ghi được hình ảnh lỗ đen nuốt chửng các đám khí. Lỗ đen được quan sát nằm ở trung tâm của thiên hà NGC3516, cách trái đất 100 triệu năm ánh sáng và có khối lượng gấp khoảng 10 triệu lần Mặt trời. Các nhà nghiên cứu đã phân tích tia X đến từ thiên hà đó và tính bước sóng vận tốc của các đám khí đang bị hút dựa vào tia X này, nó được tìm thấy cỡ khoảng 104 triệu km một giờ. Một nhóm các nhà nghiên cứu thuộc đại học bang Ohio sau đó chụp ảnh thành công một lỗ đen khác đang nuốt các đàm bụi và khí quay tít xung quanh cái miệng của nó.

Lỗ đen lạnh nhất chỉ cỡ một triệu độ

Vào tháng 10 năm 1999, vệ tinh quan sát tia X Chandra đã tìm thấy một lỗ đen có nhiệt độ thấp nhất từng được tìm thấy. Nhiệt độ của lỗ đen “lạnh nhất” này vẫn còn trên một triệu độ, nhưng nó được coi là siêu lạnh trái hẳn với những gì lý thuyết trước đó đã đề xuất cho rằng nhiệt độ thấp nhất cũng phải ít nhất là 10 triệu độ. Lỗ đen được phát hiện nằm ở thiên hà Andromede cách chúng ta khoảng chừng 2 triệu năm ánh sáng và được cho là siêu – khổng lồ với khối lượng ước tính gấp 30 triệu lần khối lượng mặt trời. Chandra đã bắt giữ thành công tia X phát ra từ đám khí khi chúng bị nuốt vào lỗ đen và bị ma sát làm nóng lên. Nhiệt độ tính được dựa vào cường độ của tia X. Trong khi vẫn không rõ tại sao nhiệt độ của nó lại quá thấp, phát hiện này đã đặt ra việc vần thiết phải xem xét lại theo lý thuyết trước đây thì lỗ đen càng lớn nhiệt độ của nó càng cao.

Vật chất tối

Vật chất tối không nhìn thấy chỉ có thể được ước lượng thông qua khối lượng

Vật chất tối, cũng thường được gọi là vật chất ẩn, là những vật trong không gian không nhìn thấy được. Vật chất tối không thể thấy được nhờ thị giác, tia hồng ngoại hay tia X. Cách duy nhất để người ta biết được chúng đang tồn tại ở đó là nhờ vào khối lượng của chúng.

Trong suốt nửa thế kỉ qua, các nhà khoa học đã biết rằng hành trạng của rất nhiều thiên hà cấu tạo nên các cụm thiên hà đã chỉ ra khối lượng gấp từ 10 cho đến 100 lần quang cảnh được tính toán ra mà chỉ dựa vào việc kết hợp ánh sáng phát ra từ mỗi thiên hà. Trong các thiên hà xoắn ốc, khối lượng tính toán từ tốc độ xoay lớn hơn là chỉ đơn thuần cộng gộp số sao chứa đựng trong nó. Vật chất tối góp phần vào khối lượng thêm của các thiên hà và lần lượt khối lượng thêm xác nhận sự tồn tại của các hiện tượng. Vật chất tối đóng vai trò rất quan trọng trong thông tin về các thiên hà và trong việc xét xem thử liệu vũ trụ có đóng lại hay không, nhưng cấu trúc của nó hiện nay vẫn còn tồn tại một bí ẩn.

Yếu tố cấu thành vật chất tối vẫn còn bao trùm bức màn bí mật

Vật chất xung quanh chúng ta được cấu thành bởi các baryon, các hạt nặng bao gồm proton và neutron. Các sao trung bình cũng được tạo thành từ baryon. Vật chất tối có vẻ như không được cấu thành bởi các baryon này. Một số đề nghị đã được đưa ra giống như những cái phao cứu sinh cho câu đố về thành phần của vật chất tối như neutrino có khối lượng, hay các hạt siêu đối xứng, hoặc đó là các lỗ đen nguyên thủy hay đó là một phần của dây vũ trụ.

Vật chất tối hỗ trợ cho thuyết Big Bang

Theo lý thuyết Big Bang, khoảng 90 đến 95% vũ trụ là vật chất tối. Vào tháng giêng năm 1993, vệ tinh quan sát tia X ROSAT đã lưu ý đến đám mây khí nhóm NGC 2300, nằm cách trái đất 15,000 năm ánh sáng. Đám mây khí có nhiệt độ vượt quá 10 triệu độ C, có đường kính khoảng 1.3 triệu năm ánh sáng và có khối lượng cỡ khoảng 500 tỷ lần khối lượng mặt trời. Nhiều nhà khoa học tin răng đám mây khí này có thể là vật chất tối và sự tồn tại của nó cung cấp một bằng chứng quan trọng cho lý thuyết Big Bang.

Định lý điểm kì dị của lỗ đen

Hỗ đen xuất hiện tại điểm mà không gian và thời gian trở nên không còn rõ ràng

Thuyết tương đối tổng quát có thể được đánh giá như là định luật xác nhận sự phát triển của thời gian trong khuynh hướng không gian ba chiều. Nhưng có khuynh hướng không gian mà một điểm xác định tiến đến thành một điểm kì dị (tại đó thời gian và không gian trở nên không còn phân biệt). Hiện tượng này được gọi là lý thuyết kì dị Penrose-Hawking. Nó giải thích sự phá hủy không – thời gian bởi trọng lực, và hố đen là những điểm kì dị được bao bọc quanh bởi bức tường “chân trời sự cố”.

Nếu các vật bị hút vào điểm kì dị, chúng sẽ không còn để lại dấu tích gì về sự tồn tại của chúng

Khi các vật thể bị hút vào hố đen, chúng tiếp tục rơi vào một giai đoạn vô hạn của không gian và thời gian. Tại một điểm trung tâm, hấp dẫn trở nên lớn vô hạn, thời gian và không gian bị uốn cong, và khái niệm về không gian và thời gian, như chúng ta quen thuộc, trở nên không còn ý nghĩa gì. Một trạng thái tương tự cũng từng xảy ra trong vũ trụ thuở tạo lập, và nó cũng được gọi là điểm kì dị. Các vật thể bị hút vào điểm kì dị sẽ biến mất khỏi vũ trụ của chúng ta không còn chút tăm tích.

Hố đen

Bất cứ thứ gì lọt vào hố đen sẽ không bao giờ ra trở lại

Hấp dẫn của một hố đen lớn đến nỗi mà ngay cả ánh sáng bị nó bắt cũng không thể thoát ra được. Khi khối lượng của một ngôi sao vượt quá 8 lần khối lượng mặt trời, giai đoạn tiến hóa cuối cùng của nó sẽ là một siêu tân tinh. Tầng ngoài cúng của ngôi sao bị thổi bay ra ngoài và lõi của ngôi sao co lại. Nếu lõi này khối lượng ít hơn đến ba lần khối lượng mặt trời thì biến thành một sao neutron. Ngôi sao lớn hơn và trường hấp dẫn trở nên quá mạnh đến nỗi bản thân nó không thể chống đỡ được. Khi đó, suy sụp hấp dẫn xảy râ và ngôi sao co này hút mọi vật có thể được

Hố đen được tạo ra khi trạng thái cân bằng bị suy sụp

Theo như lý thuyết tương đối rộng, thì sức hút của lỗ đen lớn khủng khiếp, thậm chí người ta sẽ không thể thấy được ánh sáng một khi nó đã bị lọt vào bên trong. Hố đen không chỉ được tạo ra do bởi các vụ nổ sao. Vật chất giữa các vì sao với khối lượng lớn gấp 10,000 lần mặt trời có thể co lại và mất trạng thái cân bằng hấp dẫn. Trong tâm thiên hà và các cụm hình cầu, trạng thái cân bằng hấp dẫn của các sao đặc có thể sẽ bị mất, tạo nên những lỗ đen khổng lồ.

Hố đen đầu tiên được phát hiện ra là Cygnus X-1

Các nhà khoa học Mỹ đã phóng một vệ tinh tên là Uhuru từ Kenya vào năm 1970 để dò tìm và nghiên cứu tỉ mỉ những nguồn tia X cực mạnh. Những tia X có một lượng năng lượng khổng lồ và Uhuru đã phát hiện thấy vài trăm nguồn tia X như vậy. Phần lớn những nguồn được phát hiện ra là thuộc các sao neutron đang hút sạch khí từ bạn đồng hành của mình.

Tuy nhiên, Cygnus X-1 thì khác. Một ngôi sao trắng đồ sộ hơn mặt trời khoảng 30 lần và nằm ở vị trí cùng với hướng của nguồn tia X đang bị lôi kéo bởi một cái gì đó có khối lượng gấp 10 mặt trời. Hầu hết các nhà khoa học đều gắn cho hiện tượng này cái nhãn Lỗ đen.

Bức xạ Hawking:

Lý thuyết này đã làm các nhà khoa học trên thế giới sửng sốt

Vào năm 1974, nhà khoa học người Anh Stephen Hawking đã xây dựng nên một lý thuyết nói rằng các hố đen đang từ từ bức xạ, co lại và lâu lâu lại lóe lên. Lý luận của ông đã làm các nhà khoa học trên thế giới sửng sốt. Mãi cho đến lúc đó, người ta vẫn cho rằng hố đen đã là trạng thái suy sụp sau cùng rồi, nó liên tục hút các vật thể khác và không để cái gì khoát ra ngoài hết. Ai cũng tin rằng hố đen chỉ có ngày càng trở nên mập mạp nhờ khẩu phần ăn gồm khối lượng và khí của nó.

Lý thuyết của Hawking đã kết hợp thuyết tương đối rộng lại với cơ học lượng tử, thêm vào đó là những tư tưởng của riêng ông đẻ đạt đến một điều gì đó còn thực sự chưa có ai nghĩ tới. Hawking đã phát hiện ra rằng năng lượng đó được phát ra từ trường hấp dẫn xung quanh hố đen. Tóm lại, điều này có nghĩa là hố đen sản xuất ra khối lượng và năng lượng. Hố đen chỉ sản xuất ra một lượng rất nhỏ loại bức xạ này, gọi là bức xạ Hawking. Tuy nhiên, những hố đen cực nhỏ có thể phát ra mức năng lượng được tin là chỉ có thể xảy ra ở những vụ nổ cực lớn.

Vũ trụ vẫn là quê hương của các hố đen đồ sộ

Nói một cách khái quát, có năm trạng thái ngụ ý sự hiện diện của một lỗ đen. Chúng là:

1) khối lượng không thấy được (khối lượng ẩn)

2) tia X được phát ra khi những vật thể rơi lại gần một nơi giống như trên

3) sự hút vật chất

4) trọng lực tại nguồn sóng

5) thấu kính hấp dẫn

Rất nhiều những lỗ đen được giả định là tồn tại ngoài Cygnus X-1 (chòm thiên nga). Những ứng cử viên lỗ đen đã được phát hiện ra là V861 của chòm bọ cạp, X0331+53 hay IMX-3 trong đám mây Magellan lớn. Kính thiên văn Hubble cũng được tin là đã phát hiện ra những vật thể được coi là lỗ đen trong lõi M32 của thiên hà Andromeda (chòm tiên nữ-ND) và M87 của chòm Virgo (Xử nữ-ND). Một vật thể với khối lượng gấp khoảng 2 tỷ lần khối lượng mặt trời cũng nằm trong M87. Năm 1995, Thài thiên văn quốc gia Nhật Bản đã loan báo về một hố đen khổng lồ với khối lượng gấp khoảng 36 triệu lần mặt trời trong M106.