Nóng: Nghịch lý 'thông tin lỗ đen' của Stephen Hawking cuối cùng được giải mã

[miro1510]

Nghịch lý Hawking cho rằng trong quá trình biến mất, lỗ đen sẽ tiêu hủy mọi thông tin về nguồn gốc của chúng, trái ngược với những quy tắc của vật lý lượng tử. Rốt cuộc nghịch lý này có chính xác?

Theo nghiên cứu của Hawking, bức xạ từ từ “rò rỉ” ra khỏi lỗ đen dưới dạng năng lượng nhiệt, được gọi là “ bức xạ Hawking”. Bức xạ có thể mang thông tin về nguồn phát ra nó, nhưng nhiệt thì không. Vì thế, khi các lỗ đen dần biến mất, mọi thông tin về ngôi sao đã tạo ra chúng cũng biến mất theo.

Điều này trái với các định luật của cơ học lượng tử, nói rằng thông tin không thể bị phá hủy và trạng thái cuối cùng của một vật thể có thể tiết lộ manh mối về trạng thái ban đầu. Đây được gọi là “nghịch lý thông tin Hawking”.

Lỗ đen là những vật thể nặng đến mức không gì có thể thoát khỏi lực hấp dẫn của chúng, kể cả ánh sáng. Chúng hình thành khi những ngôi sao khổng lồ cạn kiệt nhiên liệu và tự sụp đổ. Trong vật lý cổ điển, lỗ đen là “những vật thể rất đơn giản,” Calmet - giáo sư vật lý tại Đại học Sussex, giải thích. “Đơn giản đến mức chúng có thể được đặc trưng bởi ba con số: khối lượng, động lượng góc và điện tích của chúng.”

Calmet cho biết, trong khi lỗ đen cuối cùng rất đơn giản, thì ngôi sao ban đầu sinh ra nó là một vật thể vật lý thiên văn phức tạp, bao gồm một hỗn hợp proton, electron và neutron kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tố để tạo nên thành phần hóa học của ngôi sao đó.

Mặc dù các lỗ đen không mang “ký ức” về các ngôi sao sinh ra chúng, nhưng các quy tắc của vật lý lượng tử nói rằng thông tin không thể bị xóa khỏi vũ trụ một cách đơn giản.

Do đó, về lý thuyết, từ các bức xạ mà lỗ đen phát ra, vẫn có thể khôi phục thông tin về ngôi sao phức tạp ban đầu. Vào năm 1976, Stephen Hawking đã "làm hỏng" quy tắc này khi cho rằng lỗ đen liên tục phát ra một loại bức xạ. Sự rò rỉ bức xạ này khiến các lỗ đen dần bốc hơi và cuối cùng là biến mất hoàn toàn. Nhưng bức xạ này phát ra dưới dạng nhiệt, đồng nghĩa với việc mọi thông tin về ngôi sao sinh ra lỗ đen cũng đã biến mất.

“Điều này đi ngược với các quy tắc vật lý lượng tử, cho rằng ‘cuộc sống’ của lỗ đen có thể được tua lại, và thông qua bức xạ có thể hình dung lại lỗ đen và ngôi sao đã tạo ra nó”, Calmet nói.

Cùng với đồng nghiệp Steve Hsu, giáo sư vật lý lý thuyết tại Đại học Bang Michigan, Calmet đã làm việc 3 năm để giải quyết nghịch lý Hawking. Trong nghiên cứu mới của họ, nhóm đã đánh giá lại các tính toán của Hawking năm 1976, nhưng lần này tính đến tác động của “lực hấp dẫn lượng tử” - mô tả lực hấp dẫn theo các nguyên tắc của cơ học lượng tử - điều mà Hawking chưa làm.

“Mặc dù những hiệu chỉnh hấp dẫn lượng tử này rất nhỏ, nhưng rất quan trọng đối với sự bốc hơi của lỗ đen. Chúng tôi đã có thể chỉ ra rằng những hiệu ứng này làm bức xạ Hawking không còn là năng lượng nhiệt, và có thể chứa thông tin", Calmet nói.

Nhóm nghiên cứu của Calmet cũng đã xác định được hiện tượng vật lý mà theo đó thông tin thoát ra khỏi lỗ đen thông qua bức xạ Hawking, và cách một người quan sát bên ngoài có thể lấy được thông tin này để phục dựng lỗ đen và ngôi sao ban đầu. Dù vậy quy trình này chưa thể thực hiện được trên thực tế, vì đòi hỏi một thiết bị đủ nhạy để đo bức xạ Hawking, hiện chưa tồn tại.