Những tài liệu nghiên cứu khoa học cuối cùng của Stephen Hawking đã được công bố bởi các nhà vật lý đồng nghiệp, những người đồng hành cùng ông trong nỗ lực kéo dài nhiều năm khám phá điều gì xảy ra với thông tin của các vật chất bị hố đen nuốt chửng.
Nghiên cứu cuối cùng của Stephen Hawking
Nghiên cứu của Stephen Hawking và các cộng sự tập trung giải quyết cái mà các nhà vật lý gọi là "nghịch lý thông tin lỗ đen" đã được hoàn thành vài ngày trước khi nhà khoa học người Anh qua đời. Công trình này hiện được soạn bởi các nhà khoa học từ Cambridge và Harvard.
Malcolm Perry, nhà vật lý từ Đại học Cambridge và là đồng tác giả công trình nghiên cứu cùng Stephen Hawking, cho biết nghịch lý thông tin lỗ đen là chủ đề trọng tâm trong suốt 40 năm làm việc trước khi qua đời của Hawking.
Nguồn cơn vấn đề bắt đầu từ nhà bác học thiên tài Albert Einstein. Năm 1915, Einstein công bố thuyết tương đối rộng, miêu tả cách thức lực hấp dẫn sinh ra từ hiện tượng các vật thể uốn cong không gian và thời gian, từ đó giải thích lý do các hành tinh quay xung quanh mặt trời. Thuyết tương đối rộng của Einstein cũng đưa ra dự đoán quan trọng về hố đen, rằng một hố đen được xác định bởi 3 yếu tố: khối lượng, điện tích và sự vận động.
 |
| Nhà vật lý Stephen Hawking. Ảnh: AFP. |
Gần 60 năm sau, Hawking bổ sung thêm cho nhà khoa học tiền bối, ông cho rằng hố đen cũng có nhiệt độ. Bởi các vật thể nóng sẽ mất dần nhiệt trong vũ trụ, số phận tất yếu của hố đen sẽ là bốc hơi hoàn toàn và chấm dứt tồn tại. Tuy nhiên, lý thuyết này đưa tới một vấn đề, theo đó, nguyên tắc của vật lý lượng tử quy định thông tin sẽ không bao giờ mất đi. Vì vậy, câu hỏi đặt ra là chuyện gì sẽ xảy ra với thông tin chứa trong một vật thể bị hút vào hố đen.
Thông tin vật thể có thể là "hình ảnh, các loại sóng nó phát ra, nhiệt độ".
"Cái khó là nếu như ta ném một thứ gì đó vào hố đen, vật thể đó trông như là biến mất. Thông tin của vật thể đó làm thế nào có thể được phục hồi nếu như chính cái hố đen cuối cùng cũng biến mất?", ông Perry nói.
Trong nghiên cứu cuối cùng của đời mình, Hawking cùng các cộng sự tìm cách chứng minh cách thức một số thông tin vẫn có thể được phục hồi. Khi ném một vật thể vào hố đen, nhiệt độ của hố đen sẽ thay đổi. Điều tương tự cũng xảy ra với đặc tính được gọi là "entropy", thước đo sự rối loạn bên trong của một vật thể. Khi nhiệt độ của hố đen tăng lên, entropy của hố đen cũng tăng lên.
Các nhà vật lý Sasha Haco từ Đại học Cambridge và Andrew Strominger từ Đại học Harvard chứng minh rằng entropy của hố đen có thể được ghi lại bởi các photon bao quanh đường chân trời sự kiện của hố đen. Đây là điểm mà ở đó ánh sáng không thể thoát khỏi lực hút khổng lồ của hố đen. Các nhà khoa học gọi ánh sáng xuất hiện tại các photon, khi một vật thể bị hút vào hố đen, là "soft hair".
"Nghiên cứu này cho thấy 'soft hair' có thể giải thích cho 'entropy'", ông Perry nhận định.
Những câu hỏi chưa có lời giải
Những gì mà nghiên cứu của Hawking và các cộng sự đạt được vẫn chưa phải là lời giải cuối cùng cho nghịch lý thông tin hố đen. Ông Perry cho biết không thể chắc chắn entropy giải thích cho tất cả mọi vật thể bị hố đen hút vào, vì vậy vẫn còn nhiều việc phải làm, dựa trên nền tảng nghiên cứu đã mang lại.
Vài ngày trước khi Hawking qua đời, Perry và Strominger đang làm việc ở Harvard và không nắm rõ tình trạng sức khỏe khi đó đã suy yếu của ông.. Perry khi đó đã gọi điện thoại cập nhật tiến triển của nghiên cứu cho nhà khoa học người Anh.
"Stephen gặp rất nhiều khó khăn trong giao tiếp, tôi đã phải bật loa ngoài để giải thích tiến triển của nghiên cứu. Khi tôi giải thích xong, ông ấy chỉ cười lớn. Tôi nói với ông ấy chúng tôi đã đạt được tiến triển, còn ông ấy thì đã biết kết quả cuối cùng", Perry kể lại.
 |
| Hình ảnh mô phỏng một hố đen. Ảnh: NASA. |
Trong số những điều chưa được giải thích, Perry và các cộng sự nay phải khám phá cách thức thông tin kết hợp với entropy được lưu giữ dưới dạng vật lý ở "soft hair" và làm thế nào thông tin thoát ra ngoài khi hố đen biến mất.
"Nếu tôi ném thứ gì đó vào, liệu tất cả thông tin về vật thể đó có được lưu giữ tại chân trời sự kiện không? Đó là câu hỏi cần trả lời để giải quyết nghịch lý thông tin lỗ đen. Nếu chỉ có một nửa, hay thậm chí 99% thông tin, thì như vậy vẫn là chưa đủ, chúng ta chưa giải quyết được nghịch lý thông tin", ông Perry cho biết.
Marika Taylor, giáo sư vật lý tại Đại học Southampton, Anh, và đồng thời là cựu học trò của Hawking, cho biết việc hiểu rõ nguồn gốc vi mô của entropy là một trong những thách thức lớn nhất suốt 40 năm qua.
"Nghiên cứu này mang lại một con đường giúp hiểu được entropy cho các hố đen vật lý thiên văn dựa trên các đối xứng của chân trời sự kiện. Các tác giả phải đặt ra nhiều giả thiết đáng nể, bước tiếp theo sẽ là chứng minh những giả thiết này là hợp lý", Taylor nhận định.
Nhà vật lý lý thuyết Juan Maldacena từ Viện nghiên cứu cao cấp Đại học Princeton nhận định: "Hawking tìm ra rằng hố đen có nhiệt độ. Với các vật thể thông thường, nhiệt độ sinh ra do chuyển động của các cấu thành vi mô trong vật thể đó. Ví dụ, nhiệt độ của chất khí xuất phát từ chuyển động của các phân tử, chúng càng di chuyển nhanh thì nhiệt độ càng cao".
"Với hố đen, chúng ta hiện chưa biết cấu thành của nó là gì, và liệu chúng có liên quan tới đường chân trời sự kiện của hố đen không. Trong 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 này cho thấy chúng ta có một trong những đối xứng đặc biệt này gần chân trời sự kiện của hố đen", ông Maldacena nhận định.
