Tạo ra lỗ đen nhân tạo trong phòng thí nghiệm

Đầu tiên, các nhà lý thuyết khi nghiên cứu về lỗ đen hầu hết đều tập trung riêng vào việc ứng dụng Thuyết Tương đối rộng của Einstein, lý thuyết cho phép mô tả trường hấp dẫn của một vật thể có khối lượng tạo ra sự uốn cong không – thời gian như thế nào. Sau đó, nhà vật lý Stephen Hawking của Đại học Cambridge dựa trên các công trình của Bekenstein đã chỉ ra rằng cơ học lượng tử cũng có thể dùng để mô tả hiện tượng này.

Hawking đã giả thiết rằng điểm không trở lại xung quanh lỗ đen ở xa nơi ánh sáng không thể thoát ra – được gọi là chân trời sự kiện – có thể tự phát xạ ra các hạt ví dụ như neutrino hay photon. Trong cơ học lượng tử, nguyên lý bất định Heisenberg cho phép những hạt như vậy có thể dao động tronng chân không ở dạng các cặp trong tất cả thời gian, mặc dù chúng thường bị dập tắt sau một khoảng rất ngắn. Nhưng nếu hai hạt nổi lên từ mặt khác của chân trời sự kiện của lỗ đen, thì hạt ở bên trong có thể bị bẫy trong khi mà hạt ở bên ngoài có thể thoát ra tự do. Đối với một quan sát viên, lỗ đen giống như một vật nhiệt và những hạt đó sẽ là các bức xạ Hawking của lỗ đen (Hawking radiation). Tất cả những điều này đều ổn về mặt lý thuyết, nhưng trên thực tế, bức xạ Hawking từ một lỗ đen có thể rất yếu để có thể được ghi nhận trên nền phông nhiễu viba của vũ trụ (cosmic microwave background - CMB) còn sót lại từ sau vụ nổ Big Bang. Hay nói đơn giản là lỗ đen còn quá lạnh. Thậm chí với các lỗ đen nhỏ, theo Hawking, có thể có đặc trưng nhiệt độ nóng nhất, cũng vẫn chỉ ở mức lạnh hơn CMB tới 8 cấp về mặt độ lớn.

Hình 1. Mô hình nguyên lý của hệ lỗ đen nhân tạo: A) Sợi quang, B) Chân trời sự kiện cổ điển với xung sáng hồng ngoại bị làm chậm bởi đầu dò sáng, C) Các cặp lượng tử.

Đối mặt với những khó khăn để quan sát bức xạ Hawking từ các lỗ đen vật lý thiên văn, có một số nhà vật lý bắt đầu có xu hướng tạo ra các lỗ đen nhân tạo trong phòng thí nghiệm có nhiệt độ cao hơn. Rõ ràng là sản sinh ra một trường hấp dẫn lớn như vậy vừa là nguy hiểm và vừa không khả thi. Nhưng các lỗ đen nhân tạo có thể dựa trên một hệ tương tự mà ở đó không thời gian bị cong đi của một trường hấp dẫn được tạo ra nhờ thay đổi các thông số khác mà gây ảnh hưởng lên sự truyền qua của một sóng. “ Chúng ta không thể thay đổi các quy luật hấp dẫn ở khả năng hiện nay ” – Ulf Leonhardt, Đại học St. Andrews, Scotland, Vương quốc Anh nói trên physicsworld.com – “ Nhưng chúng ta có thể thay đổi các thông số tương tự trong một hệ chất rắn ”. Theo những kết quả vừa công bố trên Science 319 1367, nhóm của Leonhardt ở Đại học St. Andrewsđã lần đầu tiên tạo ra một lỗ đen nhân tạo cho phép ghi nhận các bức xạ Hawking.

Ý tưởng sử dụng các hệ tương tự để tạo ra lỗ đen lần đầu tiên được giả thiết vào năm 1981 bởi William Unruh ở Đại học British Columbia (Mỹ). Để mô tả, ta hãy tưởng tượng hình ảnh một con cá đang cố gắng bơi ngược dòng nước ở một thác nước, đại diện cho một lỗ đen. Ở dưới một số điểm rất gần với thác nước, dòng chảy sẽ trở lên rất mạnh, giống như ở chân trời sự kiện mà con cá không thể bơi đủ nhanh để chạy thoát. Và cùng đặc điểm đó, Unruh xem xét điều gì sẽ xảy ra đối với các sóng truyền từ một biển vào một cửa sông. Bởi vì dòng chảy sẽ trở lên mạnh hơn ở xa dòng sông, nên các sóng sẽ chỉ có thể tiến đi xa ngược dòng trước khi bị đánh tan. Theo cách này, dòng sông là một “lỗ trắng”, tức là không gì chui vào được (ngược với lỗ đen).

Hình 2. Sự dịch chuyển xanh của bức xạ trong “lỗ trắng”. Đường màu đen mô tả phổ công suất của chùm sáng dò không tương tác với xung, còn đường xanh mô tả kết quả dịch chuyển khi tương tác.

Trong thí nghiệm của nhóm Leonhardt ở Đại học St. Andrewssử dụng chiết suất của một sợi quang tương tự như trường hấp dẫn, thực tế có cả lỗ đen và lỗ trắng. Người ta tin vào một điều là tốcđộ ánh sáng truyền trong môi trường được xác định không chỉ bởi bước sóng ánh sáng mà còn bởi cả chiết suất của môi trường. Nhóm cho một xung ánh sáng truyền qua một sợi quang sao, và tạo ra hiệu ứngKerr, làm thay đổi chiết suất cục bộ. Và sau một khoảng thời gian chính xác (một phần nhỏ của giây), họ lại truyền đi một “đầu dò” chùm ánh sáng, mà có bước sóng đủ dài để truyền đi nhanh hơn trongsợi quang và bắt kịp được xung trước. Nhưng do các chiết suất xung quanh xung ánh sáng đã bị thay đổi, đầu dò ánh sáng sẽ luôn luôn bị làm chậm đi để loại trừ việc chúng bắt kịp nhau – và xung sángxuất hiện như một “lỗ trắng”. Tương tự thế, nếu nhóm gửi đi chùm sáng từ đầu ngược lại của sợi quang nó sẽ bắt kịp xung nhưng không thể đi đến đầu bên kia, và xung sẽ đóng vai trò như một lỗ đen.

Nhóm của Leonhart đã chứng minh được rằng chân trời sự kiện của các lỗ trắng và lỗ đen này là tồn tại bằng cách đo đạc vận tốc nhóm của đầu dò sáng mà không thể vượt quá được giá trị của xung. Và quan trọng hơn, họ đã tính toán được rằng có thể ghi nhận các hạt bức xạ Hawking sản sinh ra từ chân trời sự kiện bằng cách lọc ra phần còn lại của ánh sáng ở đầu bên kia của sợi quang. Các ghi nhận về bức xạ Hawking sẽ giúp các nhà vật lý bắc một cây cầu nối giữa cơ học lượng tử và cơ học tương đối tính, hai lý thuyết mà hiện tại được cho là không tương thích với nhau. Đồng thời nó cũng giúp các nhà vật lý nghiên cứu được sự bí ẩn xung quanh bước sóng phát xạ từ chân trời sự kiện, mà vẫn được cho là bắt đầu từ con số 0 trước khi chúng bị kéo căng ra đến vô hạn do trường hấp dẫn.

Tuy nhiên, Renaud Parentani (Đại học Paris-Sud, Pháp) lại nghĩ rằng mặc dù có thể là thoáng thấy các bức xạ phát ra từ chân trời sự kiện trong một phiên bản tương lai của hệ này. Nhưng các bức xạ có thể sẽ chưa chắc đã mang các tính chất mà ta vẫn mong đợi của các bức xạ Hawking sản sinh ra từ các lỗ đen thực tế. Ví dụ như hệ sợi quang bị hạn chế bởi hiện tượng tán sắc, có nghĩa là bước sóng của các photon sản sinh ở chân trời sự kiện sẽ không bị kéo dãn ra. “ Những tính chất tối thiểu nào cần để tạo ra bức xạ Hawking trong phòng thí nghiệm mà chúng ta vẫn nghĩ là bức xạ sản sinh từ các lỗ đen trọng trường” – ông nói – “Câu trả lời thậm chí còn chưa rõ ràng cả trên lý thuyết. Nhưng những thí nghiệm như thế này thật đáng khích lệ để có thể xem xét câu hỏi trên rõ ràng hơn ”.