Khái niệm về một chân trời sự kiện (“event horizon”) nơi không có gì trốn thoát nổi, không tương thích với học thuyết lượng tử, nhà khoa học hàng đầu công bố.
Tuyên bố “không có lỗ đen” này được dẫn trong bài viết của Stephen Hawking đăng trên mạng. Nhà vật lý hàng đầu thế giới này làm việc tại đại học Cambridge của Anh và là một trong những người đưa ra giả thuyết lỗ đen hiện đại. Bài viết mới đây của ông loại bỏ khái niệm chân trời sự kiện , biên giới vô hình được cho là bao phủ quanh mỗi lỗ đen, đánh dấu nơi không thứ gì, dù là ánh sáng, có thể thoát khỏi.
Thay cho nó là đề xuất cách mạng của Hawking về một chân trời biểu kiến (apparent horizon). Nó sẽ chỉ tạm thời cầm tù vật chất và năng lượng trước khi thả ra dưới dạng hỗn độn hơn.
“Theo học thuyết cổ điển, không có gì trốn thoát khỏi lỗ đen,” Hawking trả lời phỏng vấn của tạp chí Nature. Tuy nhiên, học thuyết lượng tử “cho phép năng lượng và thông tin thoát khỏi lỗ đen.” Một giải thích đầy đủ cho quá trình này, ông thừa nhận, đòi hỏi một lý thuyết kết hợp thành công trọng lực với các lực cơ bản khác của tự nhiên. Nhưng đó là một mục tiêu nằm ngoài tầm với của các nhà vật lý trong gần một thế kỷ. “Cơ chế chính xác của nó,” Hawking nói, “vẫn còn là bí ẩn.”
Hawking đã đăng bài viết của ông trên server arXiv ngày 22/1. Tên bài là “bảo tồn thông tin và dự báo thời tiết cho lỗ đen,” và nó vẫn chưa qua quá trình bình duyệt, tức là thẩm định của đồng nghiệp (peer review). Bài viết dựa trên một bài phát biểu của ông đưa qua Skype ở cuộc họp cho các nhà vật lý lý thuyết tại Học viện Kavli, Santa Barbara, California, tháng 8/2013.
Cháy hay không cháy?
Công trình mới của Hawking là một nỗ lực giải quyết cái gọi là nghịch lý tường lửa lỗ đen. Nghịch lý này được phát hiện bởi nhà vật lý lý thuyết Joseph Polchinski và đồng nghiệp tại học viện Kavli từ hai năm trước và đã làm giới vật lý đau đầu.
Trong một thí nghiệm giả thiết, các nhà nghiên cứu hỏi điều gì sẽ xảy ra với một phi hành gia bất hạnh rơi vào lỗ đen. Chân trời sự kiện là các kết quả đơn giản về toán học của lý thuyết tương đối tổng quát của Einstein, lần đầu tiên được chỉ ra bởi nhà thiên văn học Đức Karl Schwarzschild trong thư gửi Einstein một tháng sau khi ông công bố học thuyết đó. Các nhà vật lý từ lâu đã giả định nhà phi hành gia sẽ rơi qua chân trời sự kiện , không hay biết gì về cái chết sắp đến, bị kéo vài trong, và dãn ra như sợi mì spaghetti và cuối cùng là đè bẹp nát ở điểm kỳ dị (singularity), lõi đặc về giả thuyết là nặng vô tận của lỗ đen.
Nhưng khi phân tích tình hình một cách chi tiết, đội nghiên cứu của Polchinski đi tới một nhận thức đáng ngạc nhiên là các luật của cơ học lượng tử, chi phối các hạt siêu nhỏ, thay đổi tình hình hoàn toàn. Lý thuyết lượng tử, họ nói, bắt buộc chân trời sự kiện phải biến thành một khu vực năng lượng cao, tức là “tường lửa” sẽ đốt nhà phi hành gia nói trên thành tro.
Điều này đáng báo động bởi vì khi tường lửa tuân theo luật lượng tử nó đã phớt lờ lý thuyết tương đối tổng quát của Einstein. Theo học thuyết đó người nào đang rơi tự do sẽ cảm nhận các luật vật lý giống hệt nhau ở bất cứ đâu trong vũ trụ, dù là rơi vào lỗ đen hay trôi nổi trong không gian thiên hà. Với Einstein mà nói thì chân trời sự kiện hẳn là một vùng chẳng có gì đáng nói.
Đằng sau chân trời
Giờ Hawking đưa ra một giả thiết thứ ba, đơn giản một cách đầy mê hoặc. Cơ học lượng tử và lý thuyết tương đối tổng quát vẫn giữ nguyên, nhưng lỗ đen đơn giản là không có một chân trời sự kiện để mà cháy. Điểm mấu chốt trong tuyên bố của ông là các hiệu ứng lượng tử quanh lỗ đen khiến không-thời gian chao động quá hỗn loạn để có một bề mặt, biên giới rõ ràng tồn tại được.
Thay vào chân trời sự kiện, Hawking nói về “chân trời biểu kiến” (apparent horizon), bề mặt theo đó các tia sáng khi cố thoát khỏi lỗ đen sẽ bị cầm tù. Theo học thuyết tương đối tổng quát, với một lỗ đen không đổi, hai chân trời này giống hệt nhau. Vì khi ánh sáng cố thoát khỏi lỗ đen chỉ có thể với tới chân trời sự kiện và bị giữ tại đó như là kẹt trên băng truyền cầu thang máy ngược. Tuy nhiên về nguyên tắc hai chân trời này có thể được xác định riêng rẽ. Nếu nhiều vật chất hơn nữa bị lỗ đen hút, chân trời sự kiện của nó sẽ phồng ra và lớn hơn chân trời biểu kiến.
Ngược lại, hồi thập niên 1970s, Hawking cũng đã cho thấy lỗ đen có thể từ từ thu nhỏ lại, phun ra “phóng xạ Hawking”. Trong trường hợp đó chân trời sự kiện, về lý thuyết, có thể nhỏ hơn chân trời biểu kiến. Đề nghị mới của Hawking là chân trời biểu kiến mới là biên giới thật. “Sự thiếu chân trời sự kiện nghĩa là không có lỗ đen theo nghĩa hiểu về một cấu trúc giữ ánh sáng không thể trốn thoát,” Hawking viết.
“Bức tranh Hawking vẽ ra có vẻ hợp lý,” theo ông Don Page, một nhà vật lý và chuyên gia về lỗ đen ở Đại học Alberta ở Edmonton Canada. Ông đã từng hợp tác với Hawking hồi thập kỷ 1970s. “Bạn có thể nói nó khá là cách mạng khi đề xuất loại bỏ chân trời sự kiện. Nhưng đây là các điều kiện hết sức là lượng tử, thậm chí với sự thiếu rõ ràng về không-thời gian, chưa nói tới liệu có vùng được đánh dấu là chân trời sự kiện hay không.”
Dù Page chấp nhận đề nghị của Hawking về một lỗ đen có thể tồn tại không cần chân trời sự kiện, ông đặt câu hỏi liệu nó có đủ để giải quyết nghịch lý tường lửa không. Sự tồn tại của thậm chí là một chân trời biểu kiến chóng tàn cũng có thể gây ra chung vấn đề như một chân trời sự kiện, ông cảnh báo.
Không giống chân trời sự kiện, chân trời biểu kiến có thể dần dà tan biến. Page nhận xét là Hawking đang mở cửa cho một trường hợp cực đoan “về lý thuyết bất cứ cái gì cũng có thể thoát khỏi lỗ đen”. Mặc dù Hawking không chỉ rõ chính xác cách thức một chân trời biểu kiến có thể biến mất, Page giả thuyết là khi nó giảm tới một kích cỡ nhất định hiệu ứng của cơ học lượng tử và trọng lực sẽ tổng hợp lại, và có thể là chân trời biểu kiến sẽ biến mất. Vào lúc đó, những thứ gì bị giam cầm trong lỗ đen sẽ bị thả ra (dù là tình trạng không tốt đẹp lắm).
Nếu Hawking nói đúng, thậm chí sẽ không có điểm kỳ dị ở lõi lỗ đen. Thay vào đó, vật chất sẽ chỉ bị giam tạm thời tại chân trời biểu kiến , dần dần bị hút sâu vào trong nhờ lực hút của lỗ đen nhưng sẽ không hoàn toàn bị bóp xuống dưới tâm. Thông tin về vật chất này sẽ không bị phá hủy mà bị rối loạn tới mức khi được thả ra qua phóng xạ Hawking nó sẽ ở dạng khác biệt ghê gớm. Nó sẽ khiến không thể nào xác định các vật chất từng bị hút vào là gì nữa.
“Còn tệ hơn cả việc tái tạo lại quyển sách từ tro bụi của nó,” Page nói. Trên bài viết, Hawking so sánh nó với việc dự báo thời tiết: về lý thuyết là có thể nhưng thực tế là quá khó để có kết quả chính xác.
Polchinski nghi ngờ là lỗ đen mà không có chân trời sự kiện có thể tồn tại trong tự nhiên. Loại hình dao động quá mãnh liện cần để loại bỏ nó quá hiếm trong vũ trụ, ông nói. “Theo trọng lực của Einstein thì chân trời lỗ đen không khác biệt lắm so với các phần không gian khác… Chúng ta không bao giờ có thể thấy dao động không thời gian trong vùng thiên hà đang sống, nó quá hiếm ở mức lớn.”
Raphael Bousso, một nhà vật lý lý thuyết ở Đại học California, Berkeley, và cựu sinh viên của Hawking nói cống hiến mới nhất này cho vạch rõ mức độ các nhà vật lý căm ghét khả năng tồn tại của tường lửa. Tuy nhiên ông cũng thận trọng về giải pháp của Hawking. “ Ý tưởng là không có điểm nào trên lỗ đen bạn không thể thoát ra được, theo nhiều khía cạnh, là một đề nghị cách mạng và nhiều vấn đề hơn sự tồn tại của tường lửa.” Ông nói “nhưng sự thật là việc chúng ta vẫn đang thảo luận về các câu hỏi như vậy 40 năm sau những nghiên cứu đầu tiên của Hawking về lỗ đen và thông tin là minh chứng cho tầm quan trọng khổng lồ của nó.”
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét