Stephen Hawking công bố giả thuyết mới về lỗ đen

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.
   
Thu Trang dịch theo Nature
Cao Chi hiệu đính