Một trong những nghịch lý nổi tiếng nhất của nhà vật lý Stephen Hawking có lẽ cuối cùng đã có lời giải: Các lỗ đen có lưu giữ thông tin về ngôi sao khối lượng lớn đã tạo ra nó - một nghiên cứu mới đã chỉ ra điều này.
Theo các nhà nghiên cứu, thông tin này có thể ẩn giấu trong bức xạ xung quanh lỗ đen - thường được gọi là "tóc lượng tử", và về mặt lý thuyết thì có thể được truy ngược để tìm hiểu về nguồn gốc của chính lỗ đen.
Phát hiện mới này đã được đăng đầu tháng 3 trên tạp chí Physics Letter B, có thể là lời giải cho vấn đề hóc búa mà Hawking đã theo đuổi trong những năm cuối cùng của ông.
Theo nghiên cứu của Hawking, bức xạ có thể được giải phóng từ rìa của chân trời sự kiện dưới dạng nhiệt năng, được gọi là "bức xạ Hawking". Nhưng với bản chất nhiệt, bức xạ này không thể mang thông tin. Điều đó có nghĩa là khi một lỗ đen bay hơi, nó sẽ phá hủy toàn bộ các thông tin về ngôi sao đã tạo ra nó. Việc này lại mâu thuẫn với những nguyên lý của cơ học lượng tử, trong đó chỉ ra rằng thông tin không thể bị phát hủy và trạng thái cuối của một vật thể có thể chỉ ra được trạng thái ban đầu của nó. Nghịch lý này đã làm đau đầu các nhà vũ trụ học trong hàng thập kỷ, và được gọi là "nghịch lý thông tin của Hawking".
Xavier Calmet, giáo sư vật lý ở Đại học Sussex (Anh) và là người đứng đầu nghiên cứu, cho biết trong một email gửi cho Live Science: "Nghiên cứu này là chiếc đinh cuối cùng trên quan tài của nghịch lý này vì giờ đây chúng tôi đã hiểu chính xác về hiện tượng cho phép thông tin thoát khỏi lỗ đen". Ông gợi ý rằng việc hiệu chỉnh (hiểu biết của chúng ta về) bức xạ Hawking khiến cho nó trở thành bức xạ "phi nhiệt" và có thể mang thông tin về số phận của lỗ đen.
Bài toán lỗ đen
Lỗ đen là những vật thể nặng và đặc tới mức không gì có thể thoát khỏi hấp dẫn của nó, kể cả ánh sáng. Chúng hình thành khi những ngôi sao khối lượng lớn sử dụng hết nhiên liệu và tự sụp đổ vào trong.
Trong vật lý cổ điển, lỗ đen là những "vật thể rất đơn giản", Calmet nói. "Chúng đơn giản tới mức có thể được mô tả bằng ba tham số: khối lượng, động lượng góc và điện tích."
Nhà vật lý nổi tiếng John Wheeler đã mô tả việc thiếu đặc điểm riêng biệt này khi nói "lỗ đen không có tóc". Nhưng, theo Calmet giải thích, mặc dù lỗ đen rất đơn giản, ngôi sao đã dẫn tới sự ra đời của nó lại là một đối tượng vật lý thiên văn phức tạp với rất nhiều proton, electron và neutron kết hợp với nhau để tạo nên những nguyên tố khác nhau của ngôi sao.
Mặc dù lỗ đen không hề có chút "ký ức" nào về ngôi sao mà nó từng là, những nguyên lý của cơ học lượng tử cho biết thông tin không thể cứ đơn giản là bị xóa đi khỏi vũ trụ. Năm 1976, Hawking cho biết theo ông thì thông tin này không thể tồn tại vĩnh viễn trong những lỗ đen bị cách li với phần còn lại của vũ trụ. Ông gợi ý rằng cần phải có một một loại bức xạ nhiệt, mà sau này được gọi là bức xạ Hawking. Sau một khoảng thời gian rất dài, bức xạ này cuối cùng sẽ làm lỗ đen hoàn toàn bay hơi. Theo cách này, toàn bộ thông tin sẽ biến mất.
"Điều đó không được phép đối với vật lý lượng tử, vốn cho rằng cuộc đời của lỗ đen có thể được xem lại như một bộ phim," Calmet nói. "Từ bức xạ chugs ta có thể tái dựng lại lỗ đen ban đầu và cuối cùng là ngôi sao."
Stephen Hawking vào năm 1989.
Tìm kiếm "tóc" của lỗ đen
Cùng với đồng nghiệm Steve Hsu - giáo sư vật lý lý thuyết ở Đại học bang Michigan (Mỹ), Calmet đã tìm cách phá vỡ nghịch lý Hawking bắt đầu từ năm 2021. Trong một nghiên cứu trước đã được công bố vào tháng 3 năm 2022, nhóm nghiên cứu đã thảo luận về việc các lỗ đen chắc chắn là "có tóc", thể hiện dưới một dạng hiệu ứng lượng tử đặc trưng trong trường hấp dẫn bao quanh chúng.
Trong những nỗ lực mới của mình, các nhà nghiên cứu đã đánh giá là những tính toán của Hawking từ năm 1976, nhưng lần này có tính thêm tới sự tham gia của "hấp dẫn lượng tử" (một cách mô tả hấp dẫn với sự tham gia của các nguyên lý trong cơ học lượng tử) - điều mà Hawking đã bỏ qua.
Theo Calmet, "mặc dù những hiệu chỉnh về hấp dẫn này là rất nhỏ, chúng rất quan trọng đối với sự bay hơi của lỗ đen. Chúng tôi có thể cho thấy rằng những hiệu ứng này hiệu chỉnh lại bức xạ Hawking theo cách khiến cho chúng trở nên phi nhiệt. Nói cách khác, khi tính đến hấp dẫn lượng tử thì bức xạ này có thể mang thông tin."
Mặc dù tóc lượng tử mà Calmetand Hsu đề xuất vốn là một khái niệm toán học trừu tượng, nhưng tới nay các nhà nghiên cứu đã có thể xác định chính xác hiện tượng dẫn tới sự thoát thông tin khỏi lỗ đen và làm thế nào mà người quan sát từ phía ngoài có thể lấy được nó. Tất nhiên, hiện tại điều này chỉ là lý thuyết, bởi sẽ cần tới những thiết bị cực kỳ nhạy (mà hiện nay chưa thể chế tạo được) để xác định được bức xạ Hawking.
Calmet thừa nhận, hiện tại không có cách nào để các nhà vật lý thiên văn có thể thực sự đo được hiệu ứng mà nhóm nghiên cứu đề xuất, vì nó quá nhỏ. Thay vào đó, ông đề xuất một cách để phát triển lý thuyết này là nghiên cứu các mô phỏng lỗ đen trong phòng thí nghiệm trên Trái Đất. Mô hình toán học của nhóm nghiên cứu về bức xạ Hawking và lỗ đen có thể cho thấy giá trị của nó trong những mô phỏng này.
Bryan
Theo Live Science
