1. Ý tưởng ban đầu về hố đen

Đây là một bài viết về hố đen, vậy thì hố đen là gì? 

Hố đen là một vùng không gian nơi lực hấp dẫn mạnh đến mức không có gì, kể cả ánh sáng, có thể thoát ra khỏi đó.

Ý tưởng đáng kinh ngạc này lần đầu tiên được công bố vào năm 1783 bởi John Michell, một mục sư người Anh sống ở một vùng nông thôn xa xôi và hẻo lánh.

Ý tưởng này đã loé lên trong tâm trí của Michell khi ông đang tìm kiếm một phương pháp dùng để xác định khối lượng của một ngôi sao. Michell đồng tình với lý thuyết của Newton rằng ánh sáng là một dòng các hạt vật chất rất nhỏ. Ông lập luận rằng những hạt vật chất nhỏ bé này khi phát ra từ bề mặt của một ngôi sao sẽ bị “giảm tốc” bởi lực hấp dẫn của chính ngôi sao đó. Và nếu có thể đo được sự giảm tốc này, ông nghĩ rằng mình có thể tính toán được khối lượng của ngôi sao đó.

Michell tự hỏi

Vậy thì hiệu ứng này có thể lớn đến mức nào?

Ông biết rằng bất kỳ vật thể nào ở xung quanh ngôi sao cũng phải chuyển động nhanh hơn một vận tốc tới hạn nhất định để thoát ra khỏi lực hấp dẫn của một ngôi sao. Và vận tốc thoát này phụ thuộc vào kích thước và khối lượng của ngôi sao.

Vậy thì điều gì sẽ xảy ra nếu như lực hấp dẫn của một ngôi sao mạnh đến mức vận tốc thoát của nó lớn hơn cả tốc độ ánh sáng?

Michell nhận ra rằng ánh sáng bắt buộc phải rơi trở lại bề mặt. Sử dụng thông số tốc độ ánh sáng mà Ole Roemer đã tìm ra vào thế kỷ trước, Michell có thể dễ dàng tính toán được rằng, vận tốc thoát sẽ vượt quá tốc độ ánh sáng đối với một ngôi sao có bán kính lớn hơn Mặt Trời gấp 500 lần. Và do ánh sáng không thể thoát ra khỏi một vật thể như vậy; do đó, “ngôi sao” này sẽ là “vô hình” đối với thế giới bên ngoài. Ngày nay, chúng ta gọi nó là hố đen.

Như chúng ta đã biết, Michell đã đưa ra câu trả lời đúng. Bất kỳ vật thể nào cũng sẽ phải vô hình nếu như vận tốc thoát của nó vượt quá tốc độ ánh sáng. Khái niệm này đi trước thời đại đến mức…nó chẳng được ai để ý và ngó ngàng đến.

Dẫu vậy, lý thuyết của ông vẫn có một lỗ hổng. Ngày nay, nhờ vào thuyết tương đối của Einstein, chúng ta đã biết rằng tốc độ của ánh sáng là không đổi trong vũ trụ này. Vì vậy, lý thuyết của Michell trong việc tìm ra khối lượng của một ngôi sao bằng cách đo lường tốc độ ánh sáng của nó sẽ không hiệu quả.

Vậy thì lý thuyết thay thế nào sẽ được sử dụng để có thể giải thích các kết quả của Mitchell?

2. Thuyết tương đối rộng của Einstein

Thuyết tương đối rộng ra đời ít nhất là do một sai sót cơ bản trong định luật vạn vật hấp dẫn của Newton

Vào những năm 1600, Isaac Newton đã suy ngẫm về cách một quả táo rơi xuống đất, từ đó suy rộng ra cách mà Mặt Trăng quay quanh Trái Đất và Trái Đất quay quanh Mặt Trời. Ông kết luận rằng mọi vật thể có khối lượng ắt hẳn đều có các tác động qua lại lẫn nhau. 

Nhưng Newton lại băn khoăn về chính lý thuyết của mình

Làm thế nào mà các vật thể cách xa nhau đến như vậy lại có thể tác dụng lực lên nhau?

Hơn 200 năm sau, Albert Einstein đã đưa ra được một câu trả lời thỏa đáng vào năm 1916. Ông đã tìm ra được cách thức hoạt động của trọng lực thông qua thuyết tương đối rộng.

Trước thời của Einstein, Newton cho rằng không gian và thời gian là hoàn toàn độc lập, và quan điểm này vẫn được chấp nhận cho đến đầu thế kỷ XX. Nhưng Einstein đã chỉ ra rằng: vũ trụ đã xuất hiện một mối liên hệ mật thiết giữa không gian và thời gian. Và chỉ khi kết hợp cả hai lại với nhau – tạo thành một thực thể được gọi là không – thời gian bao quanh mọi thứ trong vũ trụ – chúng ta mới có thể xây dựng được một bức tranh chính xác và toàn diện về thế giới vật lý.

Ý tưởng cốt lõi trong thuyết tương đối rộng của Einstein chính là sự hiện diện của vật chất, hay trọng lực của vật thể này, sẽ có thể làm “cong” hoặc làm “biến dạng” cấu trúc không – thời gian.

Khi một tia sáng, một electron hoặc một con tàu vũ trụ đang di chuyển trên một đường thẳng và tiến vào vùng không – thời gian bị cong vênh như vậy, quỹ đạo của nó sẽ bị biến dạng. Mức độ cong vênh của không – thời gian sẽ phụ thuộc vào khối lượng và mức độ đậm đặc của các dạng vật chất. Như nhà vật lý người Mỹ John Wheeler đã phát biểu:

Vật chất cho không – thời gian biết cách cong; không – thời gian cho vật chất biết cách chuyển động

Bây giờ chúng ta hãy thử minh họa sự biến dạng của không – thời gian trong môi trường hai chiều. Hãy tưởng tượng rằng chúng ta đang căng một tấm cao su trên một mặt bàn. Giả sử chúng ta đang có trong tay một con kiến ​​chỉ có thể di chuyển trên một đường thẳng.

Ban đầu, trong một không gian “trống rỗng” không có vật chất, con kiến sẽ đi theo một đường thẳng tắp từ phía bên này sang phía bên kia. Tiếp theo, chúng ta sẽ đặt một viên sỏi nhỏ ở giữa tấm bạt. Lúc này, viên sỏi sẽ làm “cong” phần tấm cao su xung quanh vị trí của nó và làm thay đổi đường đi của con kiến do sự cong vênh của tấm cao su. 

Hiệu ứng này sẽ ngày càng trở nên rõ rệt hơn khi chúng ta tăng khối lượng của vật thể đặt lên trên tấm cao su. Giả sử bây giờ chúng ta sử dụng cục chặn giấy rất nặng. Một vật thể nặng như thế này sẽ làm cho tấm cao su bị biến dạng rất nhiều và tạo ra “độ võng” rất đáng kể, làm biến đổi hoàn toàn quỹ đạo di chuyển của con kiến.

Trong suốt quá trình này, con kiến ​​vẫn đang cố gắng đi trên con đường ngắn nhất có thể (một đường thẳng), nhưng con đường này bị cong vênh do sự biến dạng của chính tấm cao su.

Tương tự như vậy, theo lý thuyết của Einstein, ánh sáng luôn cố gắng di chuyển trên con đường ngắn nhất trong không – thời gian. Nhưng trên cung đường di chuyển, các vật thể có khối lượng lớn sẽ làm biến dạng không – thời gian, biến đường thẳng thành đường cong.

Như vậy, các vật thể không tác dụng lực trực tiếp lên nhau như Newton đã từng nói. Thay vào đó, các vật thể có khối lượng lớn, chẳng hạn như Mặt Trời, có thể làm cong không – thời gian đang bao xung quanh nó. Từ đây, một “phản ứng dây chuyền” sẽ làm nhiễu loạn toàn bộ vùng không – thời gian kéo dài cho đến tận Trái Đất.

Vì vậy, Trái Đất quay xung quanh Mặt Trời là do vùng không gian mà Trái Đất đi qua đã bị cong, không phải là do có một lực tác động từ xa. Về mặt toán học, cơ chế này được biểu diễn thông qua các phương trình trường của Einstein.

Ở đây, phía bên phải của phương trình cho biết sự phân bố của vật chất và năng lượng. Ngược lại, phía bên trái cho chúng ta biết về độ cong của không – thời gian do sự phân bố của vật chất và năng lượng.

Vậy thì nghiệm thu được của phương trình này là gì?

Và để có thể hình dung được kết quả thu được từ phương trình này, chúng ta sẽ cần phải sử dụng đến nón ánh sáng.

3. Nón ánh sáng

Như chúng ta đã biết, các phương trình của Maxwell đã tiên đoán rằng vận tốc của ánh sáng sẽ là một hằng số. Khi một xung ánh sáng phát ra ở một thời điểm và vị trí cụ thể trong không gian thì sau đó, nó sẽ lan toả theo mọi hướng và tạo thành một bong bóng ngày một lớn. Nếu chúng ta đang ở trong bong bóng này, việc thoát ra ngoài sẽ là bất khả thi vì chúng ta sẽ phải vượt qua tốc độ ánh sáng.

Cơ chế này cũng khá giống với việc bạn ném một viên sỏi xuống một mặt hồ tĩnh lặng, tạo thành các gợn sóng truyền như một vòng tròn cứ lớn dần theo thời gian. Nếu chúng ta có thể chụp từng bức hình của các gợn sóng này ở những thời điểm khác nhau và đặt các tấm ảnh này chồng lên nhau, chúng ta sẽ có được một nón ánh sáng.

Từ sự kiện hiện tại, chúng ta sẽ có được hai loại nón ánh sáng: nón ánh sáng tương lai và nón ánh sáng quá khứ – luôn tạo thành một góc 45^o so với trục thời gian. Do không có bất kỳ vật thể nào trong vũ trụ có thể di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng nên chúng ta chỉ có thể nhận biết được các sự kiện nằm ở bên trong các nón ánh sáng này. Những sự kiện nằm ở bên ngoài được gọi là vùng không liên quan đến hiện tại.

Giả sử, nếu như Mặt Trời ngừng chiếu sáng ngay tại thời điểm này thì nó cũng chưa ảnh hưởng đến Trái Đất ngay lập tức vì Trái Đất lúc này vẫn còn đang ở vùng không liên quan đến sự kiện Mặt Trời tắt. Chúng ta chỉ có thể biết về sự kiện này sau 8 phút – khoảng thời gian để ánh sáng đi từ Mặt Trời đến Trái Đất. Lúc này, hành tinh của chúng ta đã nằm ở trong nón ánh sáng tương lai của sự kiện Mặt Trời tắt.

Như vậy, đối với mỗi sự kiện trong không – thời gian, chúng ta đều có thể dựng nên một nón ánh sáng – tập hợp mọi con đường khả dĩ của ánh sáng trong không – thời gian được phát ra ở sự kiện đó. Tuy nhiên, có một sự khác biệt rất lớn giữa không gian và thời gian.

Vậy thì sự khác biệt ở đây là gì?

Trong không gian, chúng ta sẽ có thể di chuyển theo rất nhiều hướng khác nhau. Nhưng trong thời gian, tất cả các vật thể đều bị buộc phải di chuyển theo cùng một hướng: Chúng ta không thể nào quay đầu lại mà chỉ có thể tiến về phía trước, từ quá khứ đến tương lai.

Các nón ánh sáng nối tiếp nhau buộc chúng ta luôn luôn phải tiến về phía trước. Chúng ta không thể nào quay ngược về quá khứ vì chúng ta buộc phải ở lại trong các nón ánh sáng này (không có vật thể nào trong vũ trụ có thể di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng). Ngược lại, không gian là tập hợp các hướng khác vuông góc với thời gian.

Và đây là sơ đồ không – thời gian của một vùng không gian hoàn toàn trống rỗng. Nhưng xung quanh một vật thể có khối lượng lớn, không – thời gian sẽ bị cong vênh và nghiệm đến từ phương trình trường của Einstein, bên cạnh việc mô tả khoảng cách giữa hai sự kiện, sẽ phải tính đến cả sự biến dạng hình học này. 

Einstein đã công bố các phương trình của mình vào năm 1915. Dẫu vậy, ông lại không thể tìm ra được kết quả chính xác. Công việc này phải cần đến một bộ não xuất chúng khác.

Vậy thì đó là ai?

4. Giải pháp của Karl Schwarzschild

Tháng 12 năm 1915, Châu Âu và toàn bộ thế giới đang phải vật lộn dưới bóng đen của Thế chiến thứ nhất. Tại mặt trận phía Đông, một trung úy pháo binh người Đức hơn 40 tuổi đang nằm co ro trong chiếc áo khoác dài dưới đáy chiến hào.

Với những ngón tay tê cứng và run rẩy, ông cố gắng mở ra những bức thư mới nhất từ ​​quê nhà. Đêm đó, bất chấp mọi rủi ro, Karl Schwarzschild đã liều lĩnh dùng đèn để đọc bản báo cáo rất dài và chi tiết có tên là “Các phương trình trường của lực hấp dẫn” của Albert Einstein. Thách thức dành cho Schwarzschild lúc này đó chính là

Làm thế nào để có thể giải được các phương trình trường của Einstein?

Bước đầu tiên, Schwarzschild đã cố gắng tưởng tượng ra một kịch bản đơn giản nhất có thể – một vũ trụ tĩnh và không có bất cứ thứ gì ở bên trong, ngoại trừ một tâm khối lượng đối xứng hình cầu duy nhất. Khối vật chất này là trung tính về điện và không quay. 

Tiếp theo, ông đã sử dụng tọa độ cầu để đo đạc vị trí của mọi thứ trong không gian so với tâm khối lượng này.

Đối với tọa độ thời gian, nó sẽ được đo bởi một người đứng ở vị trí rất xa tâm khối lượng, nơi không gian và thời gian về cơ bản là “phẳng lì”. Sử dụng phương pháp này, Schwarzschild đã tìm ra lời giải cho các phương trình của Einstein, được gọi là Hệ số Schwarzschild, mô tả cách mà không – thời gian bị bẻ cong xung quanh một tâm khối lượng.

Về cơ bản, hệ số này phát biểu rằng, khi càng ở xa khối lượng, không – thời gian gần như là phẳng. Nhưng khi bạn càng tiến gần đến nó, không – thời gian ngày càng bị bẻ cong, “hút” các vật thể vào và thời gian sẽ trôi chậm hơn.

Thật dễ dàng để hình dung sự ngạc nhiên của Einstein khi giữa một cuộc chiến tranh khủng khiếp đến như vậy, Schwarzschild đã viết thư trả lời chỉ sau vài ngày, mô tả lời giải đầu tiên cho các phương trình trường của Einstein. Schwarzschild viết:

Chiến tranh đã đối xử với tôi rất tử tế, bất chấp những trận mưa bom bão đạn dữ dội, đã cho phép tôi thoát khỏi tất cả và đi dạo vào vùng đất ý tưởng của ngài

Einstein đáp lại:

“Tôi đã đọc bài báo của anh với sự quan tâm hết mực. Tôi không ngờ rằng người ta có thể đưa ra lời giải chính xác cho vấn đề theo cách đơn giản như vậy. Tôi rất thích cách tiếp cận toán học của anh đối với chủ đề này”

Nhưng điều ban đầu tưởng chừng là khá đơn giản chẳng mấy chốc đã trở nên phức tạp hơn. Không lâu sau khi lời giải của Schwarzschild được công bố, người ta nhận thấy có hai vấn đề.

Tại tâm khối lượng, tức là r bằng 0, số hạng này sẽ chia cho 0, vì vậy nó sẽ tăng lên đến vô cực và phương trình này sẽ bị phá vỡ. Đây được gọi là điểm kỳ dị.

Một vấn đề khác là ở một khoảng cách đặc biệt so với tâm – được gọi là bán kính Schwarzschild, số hạng này cũng sẽ vọt lên đến vô cùng.

Vậy là chúng ta đã có thêm một điểm kỳ dị thứ hai? Chuyện gì đang xảy ra ở đây vậy?

Tại bán kính Schwarzschild, độ cong của không – thời gian trở nên dốc đến nỗi vận tốc thoát sẽ bằng với cả tốc độ ánh sáng. Điều này có nghĩa là bên trong bán kính Schwarzschild, không có bất kỳ một vật thể nào, kể cả ánh sáng, có thể thoát ra được. Kết quả cuối cùng là bạn sẽ có một vật thể rất tối, nuốt chửng toàn bộ vật chất và ánh sáng – một hố đen.

Nhưng hầu hết các nhà khoa học đều nghi ngờ rằng một vật thể như vậy có thể tồn tại bởi vì nó sẽ cần nén một khối lượng vô cùng lớn vào một vùng không gian nhỏ xíu.

Vậy thì làm thế nào mà điều này lại có thể xảy ra?

5. Cơ chế hình thành của hố đen vũ trụ

Vào thời điểm đó, các nhà thiên văn học đang cố gắng tìm hiểu những gì sẽ xảy ra vào cuối vòng đời của một ngôi sao. Trong suốt cuộc đời của mình, lực hấp dẫn hướng vào bên trong luôn luôn được cân bằng với lượng bức xạ hướng ra bên ngoài được giải phóng từ các phản ứng tổng hợp hạt nhân ở sâu bên trong lõi.

Nhưng khi nhiên liệu cạn kiệt, lượng bức xạ này sẽ giảm xuống. Lúc này, lực hấp dẫn sẽ kéo toàn bộ vật chất của ngôi sao vào bên trong.

Nhưng lực hấp dẫn có thể kéo vào sâu bên trong đến mức nào?

Đầu tiên, nguyên lý loại trừ Pauli phát biểu rằng: Các fermion, giống như electron, không thể ở cùng một trạng thái. Vì vậy, khi vật chất bị đẩy lại gần nhau hơn, mỗi electron sẽ chiếm lấy một thể tích nhỏ riêng biệt.

Nhưng nguyên lý bất định Heisenberg lại phát biểu rằng: Chúng ta không thể nào biết vị trí và động lượng của một hạt với độ chính xác tuyệt đối. Vì vậy, khi vị trí của các hạt đã được biết rõ – đó là bởi khi ngôi sao đã bị nén lại thì không gian sẽ ngày càng chật hẹp hơn, sự không chắc chắn về động lượng của chúng (hay vận tốc) ắt hẳn sẽ phải tăng lên.

Vì vậy, khi các ngôi sao bị dồn ép ngày một nhiều, các electron sẽ chuyển động ngày càng nhanh và sẽ tạo ra áp suất hướng ra bên ngoài. Áp suất suy biến electron này sẽ ngăn chặn ngôi sao bị sụp đổ hoàn toàn. Thay vào đó, nó sẽ hình thành nên một ngôi sao lùn trắng với mật độ cao hơn nhiều so với một ngôi sao bình thường.

Nhưng tiếng thở phào nhẹ nhõm đến từ phát hiện này chỉ kéo dài trong một khoảng thời gian rất ngắn. Bốn năm sau, Subrahmanyan Chandrasekhar, 19 tuổi, tin rằng ngay cả áp suất suy biến electron cũng không thể ngăn cản một ngôi sao sụp đổ, được gọi là giới hạn Chandrasekhar.

Khi một ngôi sao tiếp tục sụp đổ để vượt qua giai đoạn sao lùn trắng, các electron và proton sẽ hợp nhất với nhau để tạo thành neutrino và neutron – những hạt có khối lượng gấp 2000 lần so với electron. Đây được gọi là áp suất suy biến neutron – là áp suất giữ cho các ngôi sao neutron có thể tồn tại.

Các nhà khoa học tin chắc rằng, đây chính là giới hạn cuối cùng. Họ tin rằng, dù chưa thể tìm ra nhưng chắc chắn sẽ phải có một điều gì đó ngăn cản một ngôi sao sụp đổ thành một điểm duy nhất và tạo thành một lỗ đen, bởi vì lỗ đen là quá phi lý để có thể tồn tại.

Và cú đấm phá tan niềm tin này xảy ra vào cuối những năm 1930 khi Jay Robert Oppenheimer và George Volkoff đã phát hiện ra rằng các ngôi sao neutron cũng có một khối lượng tối đa. Đối với những ngôi sao này, sẽ không còn gì có thể cứu được chúng khi nhiên liệu đã cạn kiệt. Họ viết: “Sự sụp đổ này sẽ tiếp tục kéo dài đến vô thời hạn”. Khi Einstein xem xét lại các phép toán, ông phát hiện ra rằng thời gian dường như đã đóng băng ở chân trời sự kiện.

Vậy thì có lẽ các tính toán của Einstein đã sai?

Lúc này, Oppenheimer đã đưa ra một giải pháp. Theo ông, đối với một người quan sát bên ngoài, họ sẽ không bao giờ có thể nhìn thấy bất cứ thứ gì đi vào; nhưng đối với người đang di chuyển qua chân trời sự kiện, người đó sẽ không nhận thấy bất cứ điều gì bất thường và sẽ đi ngang qua mà không hề hay biết.

Vậy thì làm thế nào mà điều này có thể xảy ra?

6. Cơ chế hoạt động của hố đen

Bây giờ, hãy tưởng tượng rằng vũ trụ trống rỗng bên trên của chúng ta chứa một vật thể có khối lượng rất lớn, như Trái Đất chẳng hạn. Nếu chúng ta thả một quả tên lửa xuống bề mặt, nó sẽ từ từ rơi xuống do lực hấp dẫn của Trái Đất.

Tuy nhiên, trọng lực không chỉ ảnh hưởng đến vật chất mà còn ảnh hưởng đến cả ánh sáng. Nếu tên lửa này phát ra các bong bóng ánh sáng theo thời gian, chúng cũng sẽ bị hút xuống dưới. Khi ở gần một vật thể có khối lượng lớn, các nón ánh sáng sẽ không còn nằm thẳng hàng với nhau theo phương ngang nữa: chúng sẽ bị bẻ cong bởi trọng lực.

Gần một vật thể có khối lượng lớn, hướng của các nón ánh sáng bị uốn cong. Nói theo cách khác, thời gian sẽ bị bẻ cong về phía trung tâm của hành tinh. Nếu như tên lửa rơi xuống, dù ban đầu nó đứng yên, tương lai của nó sẽ là hướng xuống bên dưới.

Như vậy, các vật thể có khối lượng lớn sẽ làm biến dạng cả không gian và thời gian. Và vật thể có khối lượng càng lớn thì khả năng bẻ cong không – thời gian càng cao. 

Nhưng bây giờ, bạn hãy tưởng tượng ra một vật thể rất lớn nhưng lại có kích thước vô cùng nhỏ gọn. Một vật thể như vậy sẽ tạo ra độ cong mạnh đến mức, ở một độ cao nhất định, tất cả các chùm tia sáng sẽ hoàn toàn hướng xuống dưới. Lúc này, tất cả các tia sáng đều sẽ hướng về phía trung tâm. Đây được gọi là một hố đen.

Nếu chúng ta xét một lát cắt không gian 2D, hố đen sẽ hiện ra dưới dạng một hình tròn, đứng yên tại chỗ và vạch ra một hình trụ xuyên qua không – thời gian. Ranh giới của hố đen sẽ được gọi là “chân trời sự kiện”. Phía trên đường chân trời, một số tia sáng sẽ có thể thoát ra ngoài; nhưng ở phía dưới đường chân trời, tất cả các tia sáng đều sẽ bị giữ lại.

Trong hố đen, các nón ánh sáng buộc tất cả các đường đi của bất kỳ vật thể nào cũng sẽ phải hướng xuống dưới. Nhìn vào biểu đồ này, chúng ta thấy rằng mũi tên thời gian cũng đang chỉ về phía trung tâm của hố đen. 

Lúc này, chúng ta sẽ có hai góc nhìn khác nhau. Đầu tiên, đối với người quan sát ở xa, lực hấp dẫn là rất yếu. Và ở trong vùng lân cận của anh ta, không – thời gian là phẳng. Ở đây, thời gian sẽ di chuyển từ trái sang phải. Đường chân trời sự kiện của hố đen dường như bất động khi nó song song với mũi tên thời gian từ quá khứ cho đến tương lai.

Bây giờ, chúng ta hãy thử nhìn vào góc độ của một phi hành gia đang rơi vào hố đen. Khi cô ấy đang tiến gần hơn đến chân trời sự kiện, không gian và thời gian sẽ ngày càng bị uốn cong. Tại chân trời sự kiện, mặc dù phi hành gia vẫn chưa nhận ra, nhưng tại thời điểm này, thời gian và không gian đang nghiêng một góc 45^o. Lúc này, đối với phi hành gia, chân trời sự kiện không phải là một đường thẳng nằm ngang chạy từ quá khứ cho đến tương lai – nó là một đường chéo dốc lên ở góc 45^o, từ đó tạo thành một nón ánh sáng với trục thời gian.

Trong khi người quan sát ở xa nhìn thấy hố đen đang đứng yên, đối với phi hành gia đang “chill” ở chân trời sự kiện, thời gian và không gian đã bị nghiêng, tạo thành một nón ánh sáng không thể nào thoát ra được.

Trở lại với góc nhìn của người quan sát ở xa, khi phi hành gia ngày càng tiến gần tới hố đen, bạn có thể nghĩ rằng cô ấy sẽ di chuyển với tốc độ ngày một nhanh. Nhưng thực tế lại không phải như vậy. Thay vào đó, cô ấy lại di chuyển ngày càng chậm dần. Thời gian của cô ấy đang chậm lại.

Vào khoảnh khắc lẽ ra là cô ấy sẽ phải vượt qua chân trời sự kiện, cô ấy vẫn không biến mất. Lúc này, cô ấy dường như bị “đóng băng”. Ánh sáng phát ra từ phi hành gia này mờ dần và chuyển sang màu đỏ cho đến khi hoàn toàn biến mất khỏi tầm nhìn. 

Khi phi hành gia này vượt qua chân trời sự kiện, các khái niệm về không gian và thời gian đã bị đảo lộn hoàn toàn so với thế giới bên ngoài: Thời gian giờ đây hướng xuống dưới – trước đây là hướng của không gian. Chân trời sự kiện của hố đen không còn là một vị trí trong không gian nữa – nó là một khoảnh khắc đã qua từ quá khứ. 

Không dừng lại ở đây, điểm kỳ dị của hố đen cũng không còn là một điểm nữa. Nó là một sự kiện chắc chắn sẽ diễn ra trong tương lai của chúng ta, một định mệnh không thể tránh khỏi. 

Như vậy, một khi đã di chuyển qua chân trời sự kiện, số phận của mọi vật sẽ là rơi về phía trung tâm – bởi vì đó là tương lai của chúng.

Khi một ngôi sao khổng lồ sụp đổ, nó sẽ phát ra một bong bóng ánh sáng cuối cùng. Nhưng trong không – thời gian bị bẻ cong bởi khối lượng của ngôi sao, bong bóng này dường như đang đứng yên khi nhìn từ bên ngoài.

Nếu như chúng ta duỗi thẳng lại sơ đồ, chúng ta sẽ có thể khôi phục lại được hướng thời gian chạy từ trái sang phải. Tại phiên bản này, chúng ta có thể thấy rõ ràng rằng chân trời sự kiện của hố đen đã tạo thành một nón ánh sáng phát ra từ một ngôi sao đang sụp đổ. Tất cả các sự kiện diễn ra ở đây đều sẽ không thể đi ra ngoài chân trời sự kiện (vì không gì có thể di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng). Lựa chọn duy nhất lúc này đó chính là các vật thể sẽ bị buộc phải tiến vào trung tâm của hố đen (điểm kỳ dị) – nơi mà độ cong vênh của không – thời gian trở nên mạnh đến mức các mô hình vật lý của chúng ta không còn hoạt động được nữa. Lúc này, điểm kỳ dị của hố đen chính là một sự kiện phải xảy ra trong tương lai (theo dòng thời gian).

Nếu chúng ta có thể thu gọn biểu đồ này, chúng ta sẽ có được sơ đồ Penrose.

Vậy thì liệu “tấm bản đồ” này có thể dẫn chúng ta tới các vũ trụ khác?

7. Hai vũ trụ song song

Lúc này, các nón ánh sáng vẫn luôn chiếu theo một góc 45^o. Điều này có nghĩa là tương lai sẽ luôn luôn hướng về phía trên. Quá khứ vô tận nằm ở phía dưới của sơ đồ còn tương lai vô tận thì nằm ở phía trên và các cạnh ở bên phải thì đang ở một khoảng cách xa vô cùng. Điểm kỳ dị của hố đen giờ đây sẽ là một đường thẳng nằm ngang ở phía trên, một khoảnh khắc cuối cùng trong dòng chảy của thời gian.

Các đường thẳng này đều nằm cách hố đen ở một khoảng cách bằng nhau. Vì vậy, điểm kỳ dị nằm ở r = 0, chân trời sự kiện nằm ở r = 2M, rồi r = 4M và tiến dần tới vô cùng (r = ∞)

Bản đồ này có thể cho bạn biết được rất nhiều điều. Ví dụ, khi bạn ở đây, bạn sẽ có cho mình rất nhiều lựa chọn. Bạn có thể tiến vào hố đen hoặc bay đến các vùng không gian vô tận; đồng thời bạn vẫn có thể nhận được thông tin đến từ khu vực này.

Nhưng nếu bạn tiến xa hơn đường chân trời, tương lai duy nhất của bạn đó là phải đối mặt với điểm kỳ dị. Tuy nhiên, bạn vẫn có thể nhận được thông tin đến từ vũ trụ bên ngoài; chỉ là bạn không thể gửi lại bất kỳ thông tin nào. 

Bây giờ hãy tưởng tượng rằng bạn đang nằm ở vị trí này trên bản đồ. Đây chính là chân trời sự kiện và toàn bộ tương lai của bạn sẽ phải nằm ở bên trong hố đen.

Nhưng quá khứ của khoảnh khắc này là gì?

Bạn có thể vẽ ra một nón ánh sáng hướng về quá khứ và tạo ra một cấu trúc mới. Nếu như bạn đang nằm ở bên trong khu vực này, bạn có thể gửi tín hiệu đến vũ trụ, nhưng khi bạn đang ở bên trong vũ trụ, không gì có thể tiến vào vùng này vì nó không nằm ​​bên trong nón ánh sáng của bạn. Như vậy, mọi thứ chỉ có thể đi ra nhưng không bao giờ có thể đi vào. Đây chính là một hố trắng.

Về cơ bản, hố trắng là tất cả những gì ngược lại của một hố đen: Thay vì “ngấu nghiến” mọi thứ, hố trắng sẽ đẩy tất cả vật chất ra bên ngoài. Tại chân trời sự kiện của hố đen, một khi bạn đã vượt qua thì sẽ không thể nào quay trở lại; còn nếu bạn đang ở bên trong chân trời sự kiện của hố trắng, bạn sẽ bị đẩy ra ngoài.

Giờ thì chúng ta đã thấy được cách mà vật chất bị đẩy sang phía bên phải, nhưng chúng cũng có thể bị đẩy sang phía bên trái.

Vậy thì cái gì đang ở phía bên kia vậy?

Lúc này, bạn sẽ nhận ra rằng mình đang bước vào một vũ trụ hoàn toàn mới, một vũ trụ song song.

Đến đây, chúng ta cần phải hiểu rằng, đây mới chỉ là lời giải đơn giản nhất cho phương trình trường Einstein – tức là nó đã bao gồm một lỗ đen, một lỗ trắng và hai vũ trụ. Đây là kết quả cuối cùng khi bạn đẩy bản đồ này đến giới hạn của nó – mỗi cạnh đều kết thúc ở điểm kỳ dị hoặc vô cực.

Tuy nhiên, còn có một chi tiết rất nhỏ khác mà chúng ta chưa đề cập đến, đó chính là điểm giao nhau nhỏ bé này – một cây cầu Einstein – Rosen, hay còn được gọi là một lỗ sâu – một “công cụ” giúp chúng ta di chuyển từ vũ trụ này sang vũ trụ khác.

Tuy nhiên, về mặt lý thuyết, những lỗ sâu này là các cấu trúc rất không ổn định: nó ngắn lại rồi lại dài ra và bạn sẽ chẳng thể nào đến được vũ trụ ở bên kia. Khi nhìn vào biểu đồ Penrose, bạn sẽ thấy rằng không có nón ánh sáng nào có thể đưa bạn đến vũ trụ khác. Cách duy nhất để có thể làm được điều này đó là di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng.

Nhưng vẫn còn một cách khác.

8. Hố đen quay và nhiều vũ trụ song song hơn

Lời giải của Schwarzschild cho các phương trình trường của Einstein đang mô tả một lỗ đen không quay. Tuy nhiên, mọi ngôi sao trong vũ trụ này đều quay. Và vì động lượng góc phải được bảo toàn nên khi một ngôi sao sụp đổ, mọi lỗ đen cũng sẽ phải quay.

Mặc dù Schwarzschild đã tìm ra lời giải chỉ vài tuần sau khi Einstein công bố các phương trình trường của mình, việc tìm ra lời giải cho một tâm khối lượng đang quay hóa ra khó hơn nhiều. 

Phải tới hơn 40 năm sau, vào năm 1963, Roy Kerr đã tìm ra được lời giải cho các phương trình trường của Einstein nhằm mô tả một lỗ đen đang quay. Giải pháp này dĩ nhiên là phức tạp hơn nhiều so với đáp án của Schwarzschild và đi kèm với một vài thay đổi đáng kể.

Điểm khác biệt đầu tiên đó chính là hố đen giờ đây bao gồm rất nhiều lớp. Nó cũng không còn có dạng đối xứng hình cầu nữa. Điều này xảy ra là do chuyển động quay đã khiến nó phình ra xung quanh đường xích đạo. Vì vậy, hình dạng của nó giờ đây chỉ có thể là đối xứng qua trục quay của nó.

Không gian cũng bị kéo lê cùng với hố đen và mang theo các hạt vật chất xung quanh, được gọi là Hiệu ứng Lense-Thirring. Khi bạn tiến lại gần, không gian sẽ bị kéo lê với tốc độ ngày càng cao cho đến khi nó quay nhanh hơn cả tốc độ ánh sáng. Lúc này, bạn đã tiến vào khu vực đầu tiên, vùng sản công (ergosphere). 

Khi bạn tiếp tục đi sâu hơn nữa vào bên trong, bạn sẽ đi xuyên qua lớp tiếp theo – một đường chân trời sự kiện bên ngoài, một điểm không thể quay đầu. 

Nhưng khi bạn bị kéo vào sâu hơn nữa, bạn sẽ tiến vào một vùng không gian khác, một nơi mà bạn có thể tự do di chuyển mà không bị “bắt buộc” phải tiến tới điểm kỳ dị – bạn hiện đang có mặt ở chân trời sự kiện bên trong. Ở đây, bạn có thể tận mắt nhìn thấy điểm kỳ dị.

Trong một lỗ đen bình thường, nó là một điểm, nhưng trong một lỗ đen đang quay, nó sẽ giãn nở ra thành một vòng. Và người ta cho rằng bạn có thể bay xuyên qua “vòng” kỳ dị này.

Đến đây, chúng ta sẽ phải cần có một sơ đồ Penrose khác dành riêng cho một lỗ đen đang quay. Lúc này, điểm kỳ dị sẽ được nâng lên và mở rộng sang hai bên, hé lộ thêm hai vùng đất mới. Tại đây, chúng ta có thể tự do di chuyển và tránh được điểm kỳ dị.

Nhưng những ranh giới này không tiến đến vô cực hay là điểm kỳ dị, vì vậy chắc chắn phải có thứ gì đó nằm ở bên ngoài. Và khi bạn tiến xa hơn nữa, bạn có thể thấy mình đang ở trong một hố trắng, và nó sẽ đẩy bạn đến một vũ trụ hoàn toàn mới.

Tuy nhiên, vẫn còn có một điều chúng ta chưa làm được, đó chính là đi xuyên qua “vòng” kỳ dị. Vậy là bạn nhắm thẳng vào trung tâm của vòng tròn đó, nhưng thay vì thời gian kết thúc, giờ đây bạn thấy mình đang ở trong một vũ trụ rất kỳ lạ, một vũ trụ nơi mà trọng lực đẩy mọi thứ ra xa thay vì kéo mọi thứ lại gần nhau. Đây được gọi là phản vũ trụ.

Giờ đây, chúng ta có hàng sa số các vũ trụ được kết nối với nhau bằng các lỗ đen và lỗ trắng trải dài ở khắp mọi nơi.

Vậy thì liệu các nghiệm này của Schwarzschild và Kerr có thực sự tồn tại trong tự nhiên không?

Mặc dù còn có rất nhiều các vấn đề mà chúng ta cần phải xem xét, nhưng về mặt lý thuyết, các lỗ đen và lỗ trắng có thể kết nối các vũ trụ lại với nhau, tạo thành một “con đường cao tốc” đa vũ trụ. Trước đây, chúng ta cũng từng nghĩ rằng hố đen không tồn tại. Vậy thì tại sao lại không thể có hai hoặc nhiều vũ trụ hơn?