Một số lý thuyết của Hawking đã cách mạng hóa cách chúng ta nhìn vũ trụ, nhưng những lý thuyết khác vẫn đang khiến các nhà khoa học phải đau đầu.

Stephen Hawking là một trong những nhà vật lý lý thuyết vĩ đại nhất của thời đại chúng ta. Được biết đến nhiều nhất bởi sự xuất hiện của ông trên các phương tiện truyền thông đại chúng và cuộc chiến suốt đời chống lại căn bệnh ALS, ảnh hưởng thực sự của ông đối với hậu thế đến từ sự nghiệp khoa học rực rỡ kéo dài 5 thập kỷ. Bắt đầu với luận án tiến sĩ năm 1966, công việc đột phá của ông tiếp tục không ngừng nghỉ cho đến bài báo cuối cùng vào năm 2018, hoàn thành chỉ vài ngày trước khi ông qua đời ở tuổi 76.

Đọc thêm bài: Stephen Hawking - Lược sử của một thiên tài

Hawking làm việc ở ranh giới cao nhất về trí tuệ của vật lý, và các lý thuyết của ông thường có vẻ vượt xa một cách kỳ lạ vào thời điểm ông xây dựng chúng. Tuy nhiên, chúng đang dần được chấp nhận trong khoa học chính thống, với những bằng chứng mới ủng hộ cho chúng đang xuất hiện liên tục. Từ những quan điểm ấn tượng về lỗ đen cho đến lời giải thích của ông về sự khởi đầu khiêm tốn của vũ trụ, dưới đây là một số lý thuyết đã được chứng minh, … và một số vẫn đang chỉ tồn tại trên giấy.

 

Big Bang đã chiến thắng

Hawking đã có một khởi đầu thuận lợi với luận án tiến sĩ của mình, được viết vào thời điểm quan trọng khi có cuộc tranh luận sôi nổi giữa hai lý thuyết vũ trụ đối đầu: Vụ nổ lớn (Big Bang) và Trạng thái ổn định. Cả hai lý thuyết đều chấp nhận rằng vũ trụ đang giãn nở, nhưng theo lý thuyết đầu tiên thì nó giãn nở từ trạng thái siêu đặc tại một thời điểm hữu hạn trong quá khứ, trong khi lý thuyết thứ hai cho rằng vũ trụ đang giãn nở mãi mãi, với vật chất mới liên tục được tạo ra để duy trì mật độ cho vũ trụ. Trong luận án của ông, Hawking đã chỉ ra rằng lý thuyết Trạng thái ổn định tự nó bị mâu thuẫn về mặt toán học. Thay vào đó, ông lập luận rằng vũ trụ bắt đầu như một điểm nhỏ vô cùng, đậm đặc tới vô hạn, được gọi là kỳ dị. Ngày nay, mô tả của Hawking gần như được các nhà khoa học chấp nhận rộng rãi.

 

Lỗ đen là có thật

Hơn bất cứ điều gì khác, tên của Hawking gắn liền với các lỗ đen - một dạng kỳ dị khác, được hình thành khi một ngôi sao bị sụp đổ hoàn toàn dưới lực hấp dẫn của chính nó. Những sự tò mò toán học nảy sinh từ lý thuyết chung về thuyết tương đối của Einstein, và chúng đã được tranh luận trong nhiều thập kỷ trước khi Hawking chuyển sự chú ý của mình đến chúng vào đầu những năm 1970.

Theo một bài báo trên tạp chí Nature, điểm đột phá thiên tài của ông là kết hợp các phương trình của Einstein với các phương trình của cơ học lượng tử, biến những gì trước đây là một lý thuyết trừu tượng thành một thứ có vẻ như đang thực sự tồn tại trong vũ trụ. Bằng chứng cuối cùng cho thấy Hawking đúng là vào năm 2019, khi dự án EHT thu được hình ảnh trực tiếp của lỗ đen siêu nặng ẩn nấp ở trung tâm của thiên hà khổng lồ Messier 87.

 

Bức xạ Hawking

Các lỗ đen có tên như vậy là vì lực hấp dẫn của chúng mạnh đến mức các photon, tức các hạt ánh sáng, không thể thoát ra ngoài. Nhưng trong tác phẩm đầu tiên của mình về chủ đề này, Hawking cho rằng sự thật còn tinh tế hơn bức tranh đơn sắc này nhiều.

Bằng cách áp dụng lý thuyết lượng tử - cụ thể là ý tưởng cho rằng các cặp "photon ảo" có thể được tạo ra một cách tự nhiên từ hư không - ông nhận ra rằng một số photon này có vẻ như được bức xạ từ lỗ đen. Loại bức xạ đó hiện nay được gọi là bức xạ Hawking. Lý thuyết này gần đây đã được xác nhận trong một thí nghiệm ở phòng thí nghiệm tại Viện Công nghệ Technion-Israel, Israel. Để thay thế một lỗ đen thực sự, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một thiết bị tương tự âm thanh - một "lỗ đen âm thanh" mà từ đó sóng âm thanh không thể thoát ra ngoài. Họ đã phát hiện ra bức xạ tương tự bức xạ Hawking đúng như dự đoán của nhà vật lý.

 

Định lý diện tích lỗ đen

Trong vật lý cổ điển, entropy hay còn gọi là mức độ hỗn loạn của một một hệ chỉ có thể tăng theo thời gian, không bao giờ giảm. Cùng với Jacob Bekenstein, Hawking đề xuất rằng entropy của một lỗ đen được đo bằng diện tích bề mặt của chân trời sự kiện xung quanh nó.

Phát hiện gần đây về sóng hấp dẫn phát ra từ các cặp lỗ đen sáp nhập cho thấy Hawking đã đúng một lần nữa. Như Hawking nói với BBC sau sự kiện đầu tiên như vậy hồi năm 2016, "các đặc tính quan sát được của hệ phù hợp với những dự đoán về lỗ đen mà tôi đã đưa ra vào năm 1970 ... Diện tích của lỗ đen cuối cùng lớn hơn tổng diện tích của các lỗ đen ban đầu”. Những quan sát gần đây hơn đã cung cấp thêm xác nhận về "định lý diện tích" của ông.

 

Như vậy, thế giới đang dần bắt kịp những dự đoán đáng kinh ngạc của Stephen Hawking. Nhưng vẫn còn khá nhiều điều chưa được chứng minh dù là bằng cách này hay cách khác.

 

Nghịch lý thông tin

Sự tồn tại của bức xạ Hawking tạo ra một vấn đề nghiêm trọng đối với các nhà vật lý lý thuyết. Nó dường như là quá trình duy nhất trong vật lý xóa thông tin khỏi vũ trụ.

Các đặc tính cơ bản của vật chất tạo nên lỗ đen dường như bị biến mất vĩnh viễn; bức xạ đi ra không cho chúng ta biết gì về chúng. Đây là cái gọi là nghịch lý thông tin mà các nhà khoa học đã cố gắng giải quyết trong nhiều thập kỷ. Hawking tiếp nhận bí ẩn này và công bố vào năm 2016 rằng, thông tin không thực sự bị mất. Nó được lưu trữ trong một đám mây gồm các hạt năng lượng bằng không bao quanh lỗ đen, được ông gọi là "sợi tóc mềm". Nhưng định lý lỗ đen có tóc của Hawking chỉ là một trong số những giả thuyết đã được đưa ra, và cho đến nay vẫn chưa ai biết được câu trả lời thực sự.

 

Các lỗ đen nguyên thủy

Các lỗ đen được tạo ra từ sự sụp đổ hấp dẫn của các vật chất tồn tại từ trước như các ngôi sao. Nhưng cũng có thể một số được tạo ra một cách tự nhiên trong vũ trụ sơ khai, ngay sau Big Bang.

Hawking là người đầu tiên khám phá lý thuyết đằng sau các lỗ đen nguyên thủy một cách sâu sắc. Hóa ra chúng hầu như có thể có bất kỳ khối lượng nào, từ rất nhẹ đến rất nặng - mặc dù những khối thực sự rất nhỏ đã "bốc hơi" thành hư vô ở thời điểm hiện tại do bức xạ Hawking. Một khả năng hấp dẫn khác được Hawking xem xét là các lỗ đen nguyên thủy có thể tạo nên vật chất tối bí ẩn mà các nhà thiên văn học tin rằng chứa đầy vũ trụ. Tuy nhiên, như LiveScience đã đưa tin trước đây, bằng chứng quan sát hiện tại chỉ ra rằng điều này rất khó xảy ra. Dù bằng cách nào, chúng ta hiện không có các công cụ quan sát để phát hiện các lỗ đen nguyên thủy hoặc để chứng minh liệu chúng có tạo nên vật chất tối hay không.

 

Đa vũ trụ

Một trong những chủ đề mà Hawking tìm tòi vào cuối đời là lý thuyết đa vũ trụ - ý tưởng rằng vũ trụ của chúng ta, với sự khởi đầu của nó ở Big Bang, chỉ là một trong vô số vũ trụ bong bóng cùng tồn tại.

Hawking không hài lòng với đề xuất của một số nhà khoa học, rằng bất kỳ tình huống nực cười nào mà bạn có thể tưởng tượng phải đang xảy ra ngay bây giờ, ở đâu đó trong quần thể vô tận đó. Vì vậy, trong bài báo cuối cùng của mình vào năm 2018, Hawking đã tìm cách "cố gắng chế ngự đa vũ trụ". Ông đã đề xuất một khung toán học mới, mặc dù không hoàn toàn phù hợp với đa vũ trụ, nhưng lại khiến nó trở nên hữu hạn chứ không còn là vô hạn nữa. Nhưng giống như bất kỳ suy đoán nào liên quan đến các vũ trụ song song, chúng ta không biết được liệu ý tưởng của ông có đúng hay không. Và có vẻ như các nhà khoa học sẽ chưa thể thử nghiệm ý tưởng của ông vào lúc này.

Đọc thêm bài: Có gì trong bài báo khoa học cuối cùng của Stephen Hawking?

 

Phỏng đoán về tính bảo toàn niên đại

Nghe có vẻ đáng ngạc nhiên nhưng các định luật vật lý - như chúng ta biết ngày nay - không hề phủ nhận việc du hành thời gian. Các giải pháp cho phương trình thuyết tương đối rộng của Einstein bao gồm "đường cong thời gian khép kín", cho phép bạn quay ngược trở lại quá khứ của chính mình một cách hiệu quả. Hawking cảm thấy phiền lòng vì điều này, bởi vì ông cảm thấy rằng việc du hành ngược thời gian làm nảy sinh những nghịch lý logic mà đơn giản là không thể xảy ra.

Vì vậy, ông đề xuất rằng một số định luật vật lý hiện chưa được biết đến sẽ giúp ngăn cản việc xuất hiện các đường cong thời gian khép kín – cái được gọi là "phỏng đoán về tính bảo toàn niên đại". Nhưng "phỏng đoán" chỉ là cách nói của khoa học cho việc ước đoán, và chúng ta thực sự không biết liệu du hành thời gian có khả thi hay không.

 

Không có đấng sáng tạo

Một trong những câu hỏi mà các nhà vũ trụ học thường hỏi nhất là "điều gì đã xảy ra trước Big Bang?". Quan điểm của Hawking cho rằng câu hỏi này là vô nghĩa vì tất cả các ý định và mục đích, bản thân thời gian, cũng như vũ trụ và mọi thứ trong đó, đều bắt đầu từ Big Bang.

Trong một phát biểu của mình với Livescience, ông nói: "Đối với tôi, điều này có nghĩa là không có khả năng tồn tại đấng sáng tạo. Bởi vì không có thời gian để đấng sáng tạo tồn tại". Đó là một ý kiến mà nhiều người sẽ không đồng ý, nhưng là một ý kiến mà Hawking đã bày tỏ rất nhiều lần trong suốt cuộc đời của mình. Nó gần như chắc chắn thuộc loại "sẽ không bao giờ được giải quyết dù là theo cách này hay cách khác”.

 

Những lời tiên tri về ngày tận thế

Theo BBC đưa tin, trong những năm cuối đời, dù hoàn toàn nghiêm túc hoặc không, Hawking đã đưa ra một loạt lời tiên tri ảm đạm liên quan đến tương lai của nhân loại.

Trong số đó có một gợi ý rằng boson Higgs khó nắm bắt, hay "hạt của Chúa", có thể kích hoạt bong bóng chân không sẽ nuốt chửng vũ trụ trước khi có các cuộc xâm lược thù địch của người ngoài hành tinh hay sự tiếp quản của trí tuệ nhân tạo (AI). Mặc dù Stephen Hawking đã đúng về rất nhiều điều, chúng ta chỉ cần hy vọng rằng ông ấy đã sai về điều này.

Minh Phương
Theo LiveScience