Mô Hình ‘Máy Photocopy’ Lấp Lỗ Hổng Lý Thuyết về Lỗ Đen của Hawking?

“Có một vài người nhận ra rằng tính toán của Hawking đã bỏ qua hiệu ứng phát xạ cưỡng bức, nhưng họ không thể giải quyết nghịch lý này mà không có một hiểu biết sâu sắc về thuyết thông tin lượng tử,” Chris Adami nói. (NASA Goddard/Flickr)

Nghiên cứu mới này có thể hoàn thiện lý thuyết về hố đen của Hawking và giải quyết “nghịch lý thông tin.”

Gần đây, các nhà vật lý học – gồm bản thân Hawking đã tìm ra thêm các lỗ hổng mới trong lý thuyết hố đen của Stephen Hawking. Trong nhiều thập kỷ qua, các nhà vật lý học toàn cầu đã cố gắng tìm ra bí ẩn của hố đen – các thực thể khổng lồ có lực hấp dẫn mãnh liệt mà không một thứ gì – ngay cả ánh sáng – có thể thoát khỏi chúng.

Cuộc tranh luận về hành vi của lỗ đen đã diễn ra  từ năm 1975, được khơi lại khi Hawking đăng lên một blog vào hôm 22 tháng Một 2014, tuyên bố rằng ngay cả các chân trời sự kiện – ranh giới vô hình của các hố đen – đều không tồn tại.

Hawking được cho là chuyên gia hàng đầu về lỗ đen, đã trải qua nhiều năm sửa đổi lý thuyết của mình và vẫn tiếp tục công việc giải đáp các ẩn đố của vũ trụ.

Trong rất nhiều các vấn đề gây tranh cãi có một cuộc tranh luận kéo dài hàng thập kỷ về những gì xảy ra với thông tin-vật chất hoặc năng lượng và đặc tính của chúng ở mức nguyên tử và hạ nguyên tử – trong hố đen.

Và bây giờ giáo sư Chris Adami của Đại Học bang Michigan đã vào cuộc.

Nghịch lý thông tin

“Năm 1975, Hawking phát hiện ra rằng các hố đen không hoàn toàn “tối đen”. Trên thực tế chúng tỏa ra một ánh sáng không có gì đặc biệt, mà hiện nay được gọi là bức xạ Hawking,” Adami nói. “Trong lý thuyết ban đầu của mình, Hawking tuyên bố rằng bức xạ từ từ bị các hố đen hấp thu rồi cuối cùng bốc hơi và biến mất, và kết luận rằng thông tin cùng bất cứ thứ gì đi vào hố đen sẽ biến mất vĩnh viễn.”

Nhưng chính lý thuyết này làm nảy ra một vấn đề cơ bản, mà được gọi là nghịch lý thông tin. Adami tin rằng ông đã giải quyết được vấn đề này.

“Dựa theo các định luật của vật lý lượng tử, thông tin không thể biến mất. Việc mất đi thông tin đồng nghĩa rằng bản thân vũ trụ cũng lập tức trở nên khó dự đoán vào mỗi lần các hố đen nuốt một hạt vật chất. Điều này là không tưởng. Không một định luật vật lý nào mà chúng ta biết cho phép điều này xảy ra.”

Như vậy nếu các hố đen hút thông tin vào bằng lực hấp dẫn mãnh liệt của mình, thì sau đó tất cả sẽ biến mất, thông tin cùng với tất cả, vậy làm sao những định luật của vật lý lượng tử có thể được bảo toàn?

Mô hình “máy photocopy”

Giải quyết vấn đề, theo Adami, rằng thông tin được lưu chứa trong phát xạ cưỡng bức, bức xạ đi kèm với bức xạ Hawking – ánh sáng làm cho hố đen không “chìm trong bóng tối”. Phát xạ cưỡng bức làm cho hố đen “phát sáng” nhờ chính thông tin mà nó nuốt vào.

“Phát xạ cưỡng bức là quá trình vật lý tạo ra tia LASERS (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – Khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích). Về cơ bản, nó hoạt động như một cỗ máy photocopy: bạn bỏ một vật vào máy, và hai vật giống hệt nhau đi ra.

“Nếu bạn bỏ thông tin vào một hố đen, thì ngay trước khi nuốt vào, đầu tiên hố đen tạo ra một bản sao bỏ ở ngoài. Cơ chế sao chép này được Albert Einstein khám phá năm 1917, mà nếu không có nó thì vật lý không thể thống nhất,” Adami nói.

“Theo quan điểm của tôi, Chris Adami đã xác định được chính xác lời giải cho nghịch lý thông tin hố đen. Trớ trêu thay, nó đã đã bị coi nhẹ trong nhiều năm,” theo Paul Davies – nhà vũ trụ học, nhà sinh vật học, và vật lý lý thuyết tại Đại học bang Arizona.

“Bức xạ hố đen nổi tiếng của Hawking là một ví dụ cho phát xạ tự phát, nhưng nó chỉ là một phần của câu chuyện. Còn phải có khả năng tồn tại phát xạ cưỡng bức – chính quá trình khi ta đặt thêm chữ S vào từ LASER.”

Khép lại tranh luận?

“Một vài người đã nhận thấy tính toán của Hawking bỏ qua hiệu ứng phát xạ cưỡng bức, nhưng họ không thể giải quyết nghịch lý này mà không có một hiểu biết sâu sắc về lý thuyết thông tin lượng tử,” Adami nói.

Thuyết thông tin lượng tử được xây dựng để giải thích cách thức thông tin tương tác với các hệ thống lượng tử, và Adami là một trong những người tiên phong trong lý thuyết thông tin lượng tử này từ những năm 90 trở lại.

Nỗ lực giải quyết nghịch lý thông tin này đã khiến Adami thao thức nhiều đêm với bằng chứng là cuốn sổ ghi chép giày cộp trong 10 năm chất đầy những phép tính toán học.

“Theo tôi lý thuyết vĩ đại của Stephen Hawking hiện giờ đã hoàn thiện. Lỗ hổng trong thuyết hố đen đã được lấp lại, và bây giờ tôi có thể ngủ ngon,” ông nói.

Adami bây giờ có thể ngủ ngon vào ban đêm, nhưng lý thuyết của ông chắc chắn lại làm các nhà vật lý thao thức, để cố gắng chứng minh xem liệu ông đã thực sự giải quyết bí ẩn này hay chưa.

Greg Ver Steeg thuộc Đại học Nam California là đồng tác giả của nghiên cứu xuất bản trên tờí Classical and Quantum Gravity.

Nguồn: Bang Michigan. Tái bản từ Futurity.org dưới tiêu đề Creative Commons license 3.0.