Stephen
Hawking
công bố giả thuyết mới về lỗ đen
“Việc bảo toàn thông tin và dự báo thời tiết cho các lỗ đen”, công
trình mới công bố của nhà vật lý thiên tài Stephen Hawking, đang
thách thức giới khoa học tư duy lại những kiến thức về vũ trụ.
Stephen Hawking tại lễ kỷ niệm 50 năm
thành lập NASA năm 2008
Theo học thuyết cổ điển, và cũng là niềm tin bấy lâu nay của chúng
ta, lỗ đen vũ trụ là điểm “một đi không trở lại” của tất cả các dạng
vật chất khi bị hút vào đó, kể cả ánh sáng. Nhưng mới đây, thiên tài
vật lý Stephen Hawking, một trong những người sáng lập ra thuyết lỗ
đen hiện đại, đã công bố một phát hiện mới gây xôn xao giới khoa
học, trong đó ông loại bỏ quan điểm về đường chân trời sự kiện, tức
ranh giới vô hình được coi là bao bọc xung quanh các lỗ đen mà ngay
cả ánh sáng cũng không thể thoát ra được.
Thay vào đó, Hawking đưa ra một giả thuyết mới, nhẹ nhàng hơn mang
tên “đường chân trời biểu kiến”. Đường chân trời này chỉ tạm thời
giữ lại vật chất và năng lượng, sau đó sẽ giải phóng chúng, nhưng sẽ
làm cho chúng trở nên biến dạng.
Hawking đăng tải công trình của mình – hiện vẫn chưa qua giai đoạn
bình duyệt – trên website arXiv vào ngày 22/1 với tên gọi khá thú
vị, “Việc bảo toàn thông tin và dự báo thời tiết cho các lỗ đen”.
Đây là bài viết dựa theo một cuộc nói chuyện qua Skype của Hawking
trong một cuộc họp tại Viện Vật lý lý thuyết Kavli tại thành phố
Santa Barbara, California, diễn ra vào tháng 8/2013.
Dập tường lửa
Công trình mới của Hawking là một nỗ lực nhằm giải quyết nghịch lý
bức tường lửa hố đen, một vấn đề đã và đang làm đau đầu giới vật lý
học trong gần hai năm qua, sau khi nó được nhà vật lý lý thuyết
Joseph Polchinski, Viện Kavli, và đồng nghiệp phát hiện ra.
Trong một thí nghiệm tưởng tượng, các nhà nghiên cứu tìm hiểu xem
điều gì sẽ xảy ra khi một nhà du hành vũ trụ chẳng may rơi vào lỗ
đen. Trong một lá thư viết gửi Einstein cuối năm 1915, tức chưa đầy
một tháng sau khi nhà bác học công bố thuyết tương đối rộng của
mình, nhà thiên văn học người Đức Karl Schwarzchild đã chỉ ra rằng,
về mặt toán học, đường chân trời sự kiện là những hệ quả tất yếu của
thuyết tương đối rộng Einstein. Từ lâu các nhà vật lý học đều nhất
trí cho rằng, khi bị rơi vào hố đen, nhà du hành sẽ an toàn vượt qua
được đường chân trời sự kiện, nhưng sau đó anh ta lại bị hút dần vào
bên trong, cơ thể bị kéo dài ra như sợi mỳ spaghetti vậy; và cuối
cùng anh ta sẽ bị nghiền nát ở “điểm kỳ dị”, tâm của hố đen.
Nhưng khi phân tích kỹ tình huống trên, nhóm của Polchinski có một
phát hiện sửng sốt là các định luật của cơ học lượng tử, vốn chi
phối các hạt ở kích thước vi mô, đã làm đảo ngược hoàn toàn tình
huống trên. Theo họ, thuyết lượng tử buộc rằng đường chân trời sự
kiện phải bị biến đổi thành một khu vực có năng lượng cao, hay
“tường lửa”, và nó sẽ đốt cháy nhà du hành vũ trụ thành than.
Sở dĩ phát hiện này gây ngạc nhiên là bởi vì mặc dù tường lửa tuân
theo các nguyên tắc lượng tử nhưng nó lại vi phạm thuyết tương đối
rộng của Einstein, theo đó, trong tình trạng rơi tự do, dù là rơi
vào lỗ đen hay đang trôi nổi giữa không gian, người ta sẽ nhận ra
rằng các định luật vật lý ở mọi nơi trong vũ trụ đều giống nhau. Với
Einstein thì đường chân trời sự kiện cũng chỉ là một vùng không có
gì đặc biệt.
Phía sau đường chân trời
Giờ đây Hawking đưa ra một phương án thứ ba, đơn giản một cách hấp
dẫn. Cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng vẫn được bảo toàn,
nhưng các lỗ đen không có đường chân trời sự kiện để bắt lửa. Điểm
chính trong tuyên bố của ông là các hiệu ứng lượng tử xung quanh lỗ
đen khiến không-thời gian thăng giáng mạnh, nên không thể tồn tại
mặt biên được.
Thay vì đường chân trời sự kiện, Hawking đưa ra giả thuyết về “đường
chân trời biểu kiến”, nơi giữ lại ánh sáng khi chúng tìm cách thoát
ra khỏi tâm lỗ đen. Theo thuyết tương đối rộng, đối với một lỗ đen
tĩnh, hai đường chân trời này phải giống hệt nhau, bởi ánh sáng khi
tìm cách thoát ra khỏi lỗ đen cùng lắm chỉ có thể đi tới được đường
chân trời sự kiện, và chúng sẽ bị giữ lại ở đó, như thể bị mắc kẹt
trong một guồng cối xay vậy. Tuy nhiên, trên lý thuyết, hai đường
chân trời này lại có thể phân biệt được. Nếu lỗ đen nuốt thêm ngày
càng nhiều vật chất, thì đường chân trời sự kiện của nó sẽ bị phình
to lên và phát triển lớn hơn đường chân trời biểu kiến.
Ngược lại, trong những năm 1970, Hawking cũng đã chỉ ra rằng lỗ đen
có thể từ từ thu hẹp lại và phát ra “bức xạ Hawking”. Trong trường
hợp đó, về nguyên tắc, đường chân trời sự kiện sẽ dần trở nên nhỏ
hơn so với đường chân trời biểu kiến. Giả thuyết mới của Hawking là
đường chân trời biểu kiến mới là ranh giới thực sự. “Không có đường
chân trời sự kiện cũng tức là không có lỗ đen nào cả, nếu hiểu theo
nghĩa lỗ đen là các cơ chế ánh sáng không thể lọt qua,” Hawking
viết.
“Bức tranh mà Hawking vẽ ra có vẻ hợp lý,” Don Page, nhà vật lý học
kiêm chuyên gia về lỗ đen tại trường Đại học Alberta, Edmonton,
Canada, người từng hợp tác với Hawking trong thập niên 1970, đã phát
biểu như vậy. “Có thể có người cho rằng việc đưa ra giả thuyết không
có đường chân trời sự kiện là cực đoan, nhưng tất cả đều là các điều
kiện lượng tử. Trong khi đó, chúng ta vẫn còn mơ hồ về định nghĩa
không-thời gian, chưa kể đến việc chưa có ai chắc chắn rằng có tồn
tại một vùng gọi là đường chân trời sự kiện”.
Dù đồng ý với giả thuyết của Hawking rằng lỗ đen có thể tồn tại mà
không cần có đường chân trời sự kiện, song Page vẫn đặt câu hỏi rằng
liệu phát hiện đó có đủ để giải quyết nghịch lý bức tường lửa hay
không. Ông cũng nhắc nhở rằng sự hiện diện của đường chân trời biểu
kiến, dù mong manh, cũng có thể mang lại những rắc rối tương tự như
đường chân trời sự kiện.
Khác với đường chân trời sự kiện, đường chân trời biểu kiến có thể
biến mất. Page cho rằng Hawking đang mở ra một tình huống mới mang ý
nghĩa thay đổi cơ bản, theo đó “về lý thuyết, bất kỳ thứ gì cũng có
thể thoát ra khỏi lỗ đen.” Tuy trong bài viết của mình, Hawking
không nêu cụ thể đường chân trời biểu kiến sẽ biến mất như thế nào,
song Page cho rằng khi nó co hẹp lại tới một kích cỡ nào đó, thì các
tác động của cả cơ học lượng tử và hấp dẫn sẽ đồng thời phát huy,
nên dễ hiểu rằng nó có thể biến mất. Khi đó, những gì từng bị giữ
trong lỗ đen sẽ được giải phóng ra ngoài (tuy rằng chúng sẽ không
còn giữ được hình dạng ban đầu).
Nếu Hawking đúng, thì ngay cả điểm kỳ dị ở tâm lỗ đen cũng có thể
không tồn tại. Thay vào đó, vật chất sẽ chỉ bị giữ lại tạm thời phía
sau đường chân trời biểu kiến, và nó sẽ dần dần di chuyển vào phía
trong do lực hút của lỗ đen, nhưng không bị nghiền nát ở tâm lỗ đen.
Thông tin về vật chất này tuy không bị tiêu hủy nhưng lại bị nhiễu
loạn tới mức khi vật chất được giải phóng qua bức xạ Hawking, nó sẽ
có một hình dạng hết sức khác biệt, khiến ta không thể nhận ra vật
chất đó trước khi bị nuốt vào lỗ đen là gì.
“Điều đó còn tồi tệ hơn việc tìm cách khôi phục lại nguyên trạng
cuốn sách đã bị đốt thành tro,” Page nói. Trong bài viết của mình,
Hawking so sánh điều đó với việc dự báo thời tiết: về lý thuyết là
có thể, nhưng trên thực tế thì rất khó mà thực hiện cho chính xác.
Trong khi đó, Polchinski lại hồ nghi về việc có tồn tại lỗ đen không
có đường chân trời sự kiện. Theo ông, những thăng giáng mạnh cần
thiết để có thể xóa bỏ đường chân trời sự kiện là quá hiếm hoi trong
vũ trụ. “Trong trường hấp dẫn của Einstein, đường chân trời của lỗ
đen cũng không có quá nhiều khác biệt so với các vùng khác trong
không gian. Trong vùng lân cận, chúng ta chưa từng chứng kiến
không-thời gian thăng giáng, nên việc này khó mà xảy ra trên diện
rộng được,” Polchinski nói.
TS - Thu Trang dịch theo Nature
Cao Chi hiệu đính
