Stephen Hawking: Không có “lỗ đen”

Khái niệm về một chân trời sự kiện (“event horizon”) nơikhông có gì trốn thoát nổi, không tương thích với học thuyết lượng tử, nhà khoahọc hàng đầu công bố.

Tuyên bố “không có lỗ đen” này được dẫn trong bài viết của StephenHawking đăng trên mạng. Nhà vật lý hàng đầu thế giới này làm việc tại đại họcCambridge 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 vôhình được cho là bao phủ quanh mỗi lỗ đen, đánh dấu nơi không thứ gì, dù là ánhsáng, có thể thoát khỏi.

Thay cho nó là đề xuất cách mạng của Hawking về một chân trờibiểu kiến (apparent horizon). Nó sẽ chỉ tạm thời cầm tù vật chất và năng lượngtrước 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 “chophép năng lượng và thông tin thoát khỏi lỗ đen.” Một giải thích đầy đủ cho quátrình này, ông thừa nhận, đòi hỏi một lý thuyết kết hợp thành công trọng lực vớicác lực cơ bản khác của tự nhiên. Nhưng đó là một mục tiêu nằm ngoài tầm với củacác nhà vật lý trong gần một thế kỷ. “Cơ chế chính xác của nó,” Hawking nói, “vẫncòn là bí ẩn.”

Hawking đã đăng bài viết của ông trên server arXiv ngày22/1. Tên bài là “bảo tồn thông tin và dự báo thời tiết cho lỗ đen,” và nó vẫnchưa 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 cácnhà vật lý lý thuyết tại Học viện Kavli, Santa Barbara, California, tháng8/2013.

Cháy hay không cháy?

Công trình mới của Hawking là một nỗ lực giải quyết cái gọilà nghịch lý tường lửa lỗ đen. Nghịch lý này được phát hiện bởi nhà vật lý lýthuyết Joseph Polchinski và đồng nghiệp tại học viện Kavli từ hai năm trước vàđã làm giới vật lý đau đầu.

Trong một thí nghiệm giả thiết, các nhà nghiên cứu hỏi điềugì sẽ xảy ra với một phi hành gia bất hạnh rơi vào lỗ đen. Chân trời sự kiện làcác 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 thưgửi Einstein một tháng sau khi ông công bố học thuyết đó. Các nhà vật lý từ lâuđã giả định nhà phi hành gia sẽ rơi qua chân trời sự kiện , không hay biết gì vềcái chết sắp đến, bị kéo vài trong, và dãn ra như sợi mì spaghetti và cuối cùnglà đè bẹp nát ở điểm kỳ dị (singularity), lõi đặc về giả thuyết là nặng vô tậncủa lỗ đen.

Nhưng khi phân tích tình hình một cách chi tiết, đội nghiêncứu của Polchinski đi tới một nhận thức đáng ngạc nhiên là các luật của cơ họclượng tử, chi phối các hạt siêu nhỏ, thay đổi tình hình hoàn toàn. Lý thuyết lượngtử, họ nói, bắt buộc chân trời sự kiện phải biến thành một khu vực năng lượngcao, 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 luậtlượng tử nó đã phớt lờ lý thuyết tương đối tổng quát của Einstein. Theo họcthuyết đó người nào đang rơi tự do sẽ cảm nhận các luật vật lý giống hệt nhau ởbất cứ đâu trong vũ trụ, dù là rơi vào lỗ đen hay trôi nổi trong không gianthiên hà. Với Einstein mà nói thì chân trời sự kiện hẳn là một vùng chẳng có gìđáng nói.

Đằng sau chân trời

Giờ Hawking đưa ra một giả thiết thứ ba, đơn giản một cách đầymê hoặc. Cơ học lượng tử và lý thuyết tương đối tổng quát vẫn giữ nguyên, nhưnglỗ đen đơn giản là không có một chân trời sự kiện để mà cháy. Điểm mấu chốttrong tuyên bố của ông là các hiệu ứng lượng tử quanh lỗ đen khiến không-thờigian 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 biểukiến” (apparent horizon), bề mặt theo đó các tia sáng khi cố thoát khỏi lỗ đensẽ 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 cóthể với tới chân trời sự kiện và bị giữ tại đó như là kẹt trên băng truyền cầuthang máy ngược. Tuy nhiên về nguyên tắc hai chân trời này có thể được xác địnhriêng rẽ. Nếu nhiều vật chất hơn nữa bị lỗ đen hút, chân trời sự kiện của nó sẽphồng ra và lớn hơn chân trời biểu kiến.

Ngược lại, hồi thập niên 1970s, Hawking cũng đã cho thấy lỗđen có thể từ từ thu nhỏ lại, phun ra “phóng xạ Hawking”. Trong trường hợp đóchân trời sự kiện, về lý thuyết, có thể nhỏ hơn chân trời biểu kiến. Đề nghị mớicủa Hawking là chân trời biểu kiến mới là biên giới thật. “Sự thiếu chân trời sựkiện nghĩa là không có lỗ đen theo nghĩa hiểu về một cấu trúc giữ ánh sángkhông thể trốn thoát,” Hawking viết.

“Bức tranh Hawking vẽ ra có vẻ hợp lý,” theo ông Don Page, mộtnhà vật lý và chuyên gia về lỗ đen ở Đại học Alberta ở Edmonton Canada. Ông đãtừng hợp tác với Hawking hồi thập kỷ 1970s. “Bạn có thể nói nó khá là cách mạngkhi đề xuất loại bỏ chân trời sự kiện. Nhưng đây là các điều kiện hết sức là lượngtử, thậm chí với sự thiếu rõ ràng về không-thời gian, chưa nói tới liệu có vùngđược đánh dấu là chân trời sự kiện hay không.”

Dù Page chấp nhận đề nghị của Hawking về một lỗ đen có thể tồntại không cần chân trời sự kiện, ông đặt câu hỏi liệu nó có đủ để giải quyếtnghịch lý tường lửa không. Sự tồn tại của thậm chí là một chân trời biểu kiếnchóng tàn cũng có thể gây ra chung vấn đề như một chân trời sự kiện, ông cảnhbáo.

Stephen Hawking, nhà vật lý học hàng đầu thế giới hiện nay

Không giống chân trời sự kiện, chân trời biểu kiến có thể dầndà tan biến. Page nhận xét là Hawking đang mở cửa cho một trường hợp cực đoan “vềlý thuyết bất cứ cái gì cũng có thể thoát khỏi lỗ đen”. Mặc dù Hawking không chỉrõ chính xác cách thức một chân trời biểu kiến có thể biến mất, Page giả thuyếtlà khi nó giảm tới một kích cỡ nhất định hiệu ứng của cơ học lượng tử và trọnglực 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 tốtđẹp lắm).

Nếu Hawking nói đúng, thậm chí sẽ không có điểm kỳ dị ở lõilỗ 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 bịbóp xuống dưới tâm. Thông tin về vật chất này sẽ không bị phá hủy mà bị rối loạntới mức khi được thả ra qua phóng xạ Hawkingnó sẽ ở dạng khác biệt ghê gớm. Nó sẽ khiến không thể nào xác định các vậtchất từng bị hút vào là gì nữa.

“Còn tệ hơn cả việc tái tạo lại quyển sách từ tro bụi củanó,” Page nói. Trên bài viết, Hawking so sánh nó với việc dự báo thời tiết: vềlý 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 kiệncó thể tồn tại trong tự nhiên. Loại hình dao động quá mãnh liện cần để loại bỏnó quá hiếm trong vũ trụ, ông nói. “Theo trọng lực của Einstein thì chân trời lỗđen không khác biệt lắm so với các phần không gian khác… Chúng ta không bao giờcó thể thấy dao động không thời gian trong vùng thiên hà đang sống, nó quá hiếmở mức lớn.”

Raphael Bousso, một nhà vật lý lý thuyết ở Đại họcCalifornia, Berkeley, và cựu sinh viên của Hawking nói cống hiến mới nhất nàycho vạch rõ mức độ các nhà vật lý căm ghét khả năng tồn tại của tường lửa. Tuynhiên ông cũng thận trọng về giải pháp của Hawking. “ Ý tưởng là không có điểmnào trên lỗ đen bạn không thể thoát ra được, theo nhiều khía cạnh, là một đềnghị cách mạng và nhiều vấn đề hơn sự tồn tại của tường lửa.” Ông nói “nhưng sựthật là việc chúng ta vẫn đang thảo luận về các câu hỏi như vậy 40 năm sau nhữngnghiên cứu đầu tiên của Hawking về lỗ đen và thông tin là minh chứng cho tầm quan trọng khổng lồ của nó.”

Nguồn Nature