Nhà vật lý xuất sắc Stephen Hawking qua đời hồi tháng 3 năm nay. Nghiên cứu cuối cùng của ông sẽ được công bố. Mục đích của nghiên cứu là để biết được những gì sẽ xảy ra với thông tin khi các vật thể rơi vào hố đen vũ trụ.
Nhà vật lý xuất sắc Stephen Hawking qua đời hồi tháng 3 năm nay
Công trình này nhằm giải quyết một vấn đề mà các nhà vật lý ký thuyết gọi là “nghịch lý thông tin. Nó được hoàn thành chỉ vào vài ngày trước khi Hawking qua đời hồi tháng 3. Hiện tại, toàn bộ nghiên cứu đang được viết lại bởi các đồng nghiệp của ông ở 2 trường ĐH Cambridge và ĐH Harvard, đồng thời đăng tải online.
Giáo sư vật lý lý thuyết Malcolm Perry của ĐH Cambridge, đồng tác giả của nghiên cứu có tên là “Black Hole Entropy and Soft Hair” cho biết, “nghịch lý thông tin” là mối quan tâm lớn nhất của Hawking trong suốt 40 năm qua.
Nguồn gốc của vấn đề có thể truy lại thời kỳ của Albert Einstein. Năm 1915, Einstein công bố thuyết tương đối tổng quát, trong đó mô tả cách mà lực hấp dẫn sinh ra từ các hiệu ứng uốn cong không-thời gian của vật chất, và vì thế mà các hành tinh quay xung quanh Mặt Trời.
Nhưng lý thuyết của Einstein cũng đưa ra những dự đoán quan trọng về hố đen, đặc biệt là một hố đen có thể được xác định hoàn toàn chỉ bằng 3 đặc tính: khối lượng, điện tích và sự xoay tròn của nó.
Gần 60 năm sau, Hawking đã bổ sung thêm vào ‘bức tranh’. Ông lập luận rằng hố đen cũng có nhiệt độ. Và bởi vì các vật thể nóng bị mất nhiệt vào vũ trụ, nên số phận cuối cùng của một hố đen là bốc hơi mất. Nhưng điều này lại làm nảy sinh một vấn đề. Các quy luật của thế giới lượng tử đòi hỏi thông tin không bao giờ bị mất đi. Vì thế, chuyện gì xảy ra với toàn bộ thông tin chứa trong một vật thể - ví dụ như bản chất các nguyên tử của Mặt Trăng – khi nó rơi vào một hố đen?
“Việc khó khăn là nếu bạn ném thứ gì đó vào một hố đen thì nó trông như biến mất” – Perry nói, “Làm thế nào mà các thông tin trong vật thể đó phục hồi được nếu hố đen biến mất?”
Trong công trình cuối cùng, Stephen Hawking và các đồng nghiệp đã cho thấy cách mà một số thông tin ít nhất là có thể được khôi phục. Ném một vật thể vào hố đen và nhiệt độ của hố đen phải thay đổi. Vì thế, một đặc tính được gọi là “entropy” – thước đo sự rối loạn bên trong của một vật thể - cũng vậy. Nó sẽ trở nên nóng hơn.
Các nhà vật lý, trong đó có Sasha Haco ở ĐH Cambridge và Andrew Strominger ở ĐH Harvard, cho thấy rằng entropy của một hố đen có thể được ghi lại bởi các photon bao quanh đường chân trời của hố đen – điểm mà ánh sáng không thể thoát hỏi lực hấp dẫn cường độ cao. Họ gọi ánh sáng lấp lánh này của photon là “soft hair” (lông mềm).
“Việc mà nghiên cứu này làm là cho thấy rằng ‘lông mềm’ có thể giải thích cho entropy” – Perry nói. “Nó nói với bạn rằng ‘lông mềm’ thực sự đang làm đúng việc của mình”.
Mặ dù vậy, đó chưa phải là sự kết thúc của nghịch lý thông tin. “Chúng tôi không biết rằng entropy giải thích cho mọi thứ mà bạn có thể ném vào một hố đen, vì thế đó thực sự chỉ là một bước trên cả con đường” – Perry chia sẻ. “Chúng tôi nghĩ rằng đó là một bước đi khá tốt, nhưng vẫn còn rất nhiều việc phải làm”.
Vài ngày trước khi Hawking qua đời, Perry đang ở Harvard nghiên cứu công trình cùng với Strominger. Ông không biếtg Hawking ốm nặng đến mức nào. Ông đã gọi điện để cập nhật tiến độ cho Hawking. Đó có lẽ là cuộc trao đổi khoa học cuối cùng mà nhà vật lý quá cố đã làm.
“Stephen rất khó khăn để giao tiếp và tôi đã phải đeo một chiếc loa để giải thích về việc chúng tôi đã tiến hành đến đâu. Khi tôi giải thích, ông ấy chỉ cười. Tôi nói rằng chúng tôi đã gặt hái được một số thứ. Ông ấy đã biết về kết quả cuối cùng này”.
Một trong số những ẩn số mà Perry và các đồng nghiệp phải khám phá bây giờ là cách mà thông tin liên quan đến entropy được lưu trữ trên ‘lông mềm’ và cách mà những thông tin đó ra khỏi hố đen khi nó bốc hơi.
“Nếu tôi ném thứ gì đó vào trong, tất cả những thông tin có được lưu trữ ở đường chân trời của lỗ đen hay không?” – Perry đặt câu hỏi. “Đó là vấn đề cần phải tìm ra để giải quyết nghịch lý thông tin. Nếu chỉ có một nửa hay 99% thì chưa đủ - nghĩa là bạn vẫn chưa giải quyết được vấn đề nghịch lý thông tin”.
“Chúng tôi có ít câu hỏi cần phải giải hơn trước kia, nhưng chắc chắn là vẫn còn một số vấn đề rắc rối khác”.
Marika Taylor, giáo sư vật lý lý thuyết của ĐH Southampton, cũng là cựu sinh viên của Hawking cho biết: “Hiểu được nguồn gốc vi mô của entropy là một trong những thách thức lớn trong 40 năm qua”.
Juan Maldacena, nhà vật lý lý thuyết ở Viện Nghiên cứu cao cấp của Princeton nhận xét: “Hawking đã phát hiện ra rằng hố đen có nhiệt độ. Với các vật thể thông thường, chúng ta biết rằng nhiệt độ là do chuyển động của các thành phần vi mô của hệ thống. Ví dụ như nhiệt độ của không khí là do chuyển động của các phân tử: chúng chuyển động càng nhanh thì càng nóng.
“Với các hố đen, chưa rõ liệu những thành phần này là gì, hay chúng có liên quan tới đường chân trời của hố đen hay không. Ở một số hệ thống vật lý có các đối xứng đặc biệt, các đặc tính nhiệt có thể được tính toán theo các đối xứng này. Nghiên cứu cho thấy, gần đường chân trời của hố đen, chúng ta có một trong những đối xứng đặc biệt này”.
