Lỗ đen tí hon trong sợi cáp quang và ánh sáng Hawking

Có thể nào làm ra một lỗ đen (black hole) ngay trên mặt bàn phòng thí nghiệm, rồi ngồi nhìn nó phát sáng không?

Nghe như chuyện đùa. Nhưng một nhóm nghiên cứu quốc tế vừa làm được một thứ rất gần với điều đó, và họ bắt được thứ ánh sáng mà Stephen Hawking đã tiên đoán từ năm 1974, thứ mà cho tới nay chưa ai từng nhìn thấy ngoài vũ trụ.

Câu hỏi là gì

Nói bằng lời thường trước: lỗ đen được cho là thứ hút vào mà không nhả ra. Vậy mà Hawking tính ra rằng lỗ đen vẫn rỉ ra một chút ánh sáng rất mờ, và vì rỉ ra như thế nên sau một khoảng thời gian dài không tưởng tượng nổi, nó sẽ cạn dần rồi biến mất. Thứ ánh sáng đó gọi là bức xạ Hawking (Hawking radiation).

Câu hỏi treo suốt hơn năm mươi năm nay: bức xạ đó có thật không?

Không ai biết. Đây là một phép tính trên giấy, chưa từng được đối chiếu với thiên nhiên. Các nhà thiên văn chưa từng quan sát được bức xạ Hawking từ một lỗ đen thật, và nhiều khả năng sẽ không bao giờ, đơn giản vì nó quá mờ để tách ra khỏi mọi thứ khác trong vũ trụ.

Vì sao khó

Cách làm hiển nhiên là chĩa kính thiên văn vào một lỗ đen rồi đo. Cách đó không chạy được, vì tín hiệu mờ tới mức chìm nghỉm.

Nhưng cái khó sâu hơn nằm trong chính phép tính. Bức xạ Hawking đứng đúng chỗ ba lý thuyết lớn của vật lý gặp nhau, mà ba lý thuyết ấy vốn cãi nhau. Ulf Leonhardt, nhà vật lý ở Viện Weizmann tại Israel, đồng tác giả nghiên cứu, nói rằng ở đây vật lý lượng tử, thuyết tương đối rộng (general relativity) và nhiệt động lực học (thermodynamics) cùng có mặt, dù ngày thường chúng mâu thuẫn nhau. Trước Hawking, Jacob Bekenstein đã tiên đoán lỗ đen có nhiệt độ và có entropy, tức là có "độ hỗn độn" đo được như một vật thông thường.

Mâu thuẫn nằm ở đâu? Thuyết tương đối rộng hình dung không gian và thời gian trơn tru, liền mạch, chia nhỏ tới đâu cũng vẫn mượt. Cơ học lượng tử (quantum mechanics) thì tả một thế giới gồm những bước nhảy rời rạc và không đoán trước được. Chưa ai dung hoà nổi hai bức tranh ấy.

Còn một chỗ khó nữa, tên là bài toán trans-Planckian. Ánh sáng thoát ra khỏi chân trời sự kiện (event horizon) bị kéo giãn ra cực kỳ nhiều. Kéo ngược lại thì nó phải sinh ra từ những gợn sóng nhỏ hơn cả thang nhỏ nhất mà thiên nhiên còn có nghĩa, chỗ mà theo Leonhardt "vật lý là điều chưa biết". Nói cách khác, tiên đoán nổi tiếng của Hawking có vẻ như đang đứng trên một cái nền mà không ai chắc là có tồn tại.

Ai đang thử và đã tới đâu

Không xem được lỗ đen thật thì làm bản sao. Các nhà vật lý dựng những mô hình tuân theo đúng bộ phương trình của lỗ đen, bằng nước chảy, bằng nguyên tử siêu lạnh, và trong nghiên cứu này, bằng chính ánh sáng.

Mọi bản sao đều cần một môi trường đang chảy. Leonhardt ví: một người bơi giữa dòng nước chảy nhanh hơn sức bơi của mình thì bị cuốn đi, dù có cố tới đâu. Bên kia chân trời sự kiện chuyện xảy ra đúng như vậy, và đó là lý do không gì thoát ra khỏi lỗ đen. Chân trời sự kiện chính là ranh giới nơi dòng chảy, ngoài đời thực là chính không gian, bắt đầu chảy nhanh hơn mọi thứ có thể di chuyển.

Muốn làm bản sao bằng ánh sáng thì cần một vật liệu trông như đang lao đi với tốc độ ánh sáng. Nhóm nghiên cứu dùng chính ánh sáng làm vật liệu, vì trong quang học phi tuyến ánh sáng hành xử đúng như một chất liệu.

Cụ thể: họ bắn một xung "bơm" (pump) cực ngắn và rất mạnh vào một sợi quang tinh thể quang tử (photonic-crystal fiber), là sợi thuỷ tinh mảnh có các kênh khí li ti chạy dọc thân. Xung này làm thay đổi nhẹ cách thuỷ tinh bẻ ánh sáng, tạo ra một gờ chắn di động chạy theo nó. Rồi họ bắn một xung "dò" (probe) yếu hơn nhiều vào cái gờ đang chạy đó. Chỗ xung dò đuổi không kịp, một chân trời nhân tạo hình thành.

Kết quả, công bố trên tạp chí Nature ngày 1 tháng 7: nhóm đếm được các hạt ánh sáng ở vùng tử ngoại, bước sóng khoảng 233 nanomet, đúng như các hạt đối tác Hawking bên kia chân trời. Ánh sáng đó hành xử y như Hawking tiên đoán, giống ánh sáng của một vật ấm, có nhiệt độ xác định, phổ giảm đều về phía tần số cao. Nó giữ đúng như vậy ngay cả trong vùng mà mô tả sách vở thông thường lẽ ra phải sụp đổ.

Hai điều bất ngờ đi kèm. Thứ nhất, suốt nhiều năm giới nghiên cứu tưởng ánh sáng này được tạo qua một chuỗi nhiều bước nối tiếp nhau; hoá ra chỉ cần một tương tác trực tiếp duy nhất. Thứ hai, và quan trọng hơn: lần đầu tiên có người thấy phản ứng ngược (back reaction). Vì năng lượng phải lấy từ đâu đó, chính xung bơm đã trả giá, một phần nhỏ ánh sáng của nó bị đổi sang màu hơi khác, để lại một hoa văn lệch trong phổ. Các thí nghiệm trước không có vết lệch ấy.

Nếu giải được thì sao

Với lỗ đen thật, cú giật lùi đó chính là cách nó mất khối lượng và bốc hơi. Đây là manh mối đo được đầu tiên về quá trình mà Hawking mô tả năm 1974. Xa hơn, ai ghép được thuyết tương đối rộng với cơ học lượng tử là ghép được hai nửa của vật lý hiện đại.

Nhưng phải nói cho đúng mức: đây là bản sao trong sợi thuỷ tinh, không phải lỗ đen. Nhóm mới dùng ánh sáng laser thường, tái tạo được phổ nhưng chưa chạm tới phần lượng tử sâu nhất. Câu hỏi hôm nay đang đứng ở chỗ này: một mô hình nhỏ trong sợi cáp tuân đúng công thức của lỗ đen, vậy kết quả nào chép sang được cho vũ trụ, kết quả nào chỉ đúng trong sợi cáp? Chưa ai trả lời được.

Thử ở nhà: thả một mẩu giấy nhỏ vào dòng nước chảy ở vòi hoặc rãnh nước, tìm chỗ nước chảy nhanh hơn tốc độ mẩu giấy có thể trôi ngược lại. Đó là chân trời sự kiện phiên bản nhà bếp.

Lưu ý

Bài viết dựa trên tin khoa học đã công bố, viết lại cho bạn đọc nhỏ tuổi. Có chỗ nào con muốn tìm hiểu thêm thì rủ bố mẹ đọc cùng nhé.