Chúng ta đã biết khá nhiều về lỗ đen; thậm chí gần đây đã chụp được ảnh bề ngoài của một lỗ đen, xác nhận hình dạng của ranh giới được dự đoán bởi thuyết tương đối tổng quát. Nhưng nếu có thể nhìn vào bên trong chân trời sự kiện, tôi tin rằng chúng ta sẽ phát hiện thuyết tương đối tổng quát không còn đúng nữa và cơ học lượng tử sẽ chiếm ưu thế.
Điều này là do những nguyên lý vật lý quý giá nhất của chúng ta không tương thích với hố đen mà thuyết của Einstein dự đoán.
Chuỗi lập luận này bắt đầu từ năm 1973, khi Jacob Bekenstein tại Đại học Princeton đặt ra câu hỏi: điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta ném một hộp khí vào một lỗ đen? Khí có độ hỗn loạn (entropy) — một đại lượng đo lường sự rối loạn xuất phát từ vị trí ngẫu nhiên của các nguyên tử. Khi hộp biến mất vào trung tâm mật độ vô hạn của lỗ đen, Bekenstein lý luận rằng entropy này dường như bị mất. Nhưng định luật thứ hai của nhiệt động lực học — một trong những nguyên lý cơ bản của vật lý — cho rằng entropy không thể bị hủy diệt.
Bekenstein cho rằng sự mất entropy trong hộp khí được bù đắp bằng sự gia tăng entropy tổng thể của lỗ đen. Khi lỗ đen nuốt chửng hộp khí, chân trời sự kiện của nó mở rộng để chiếm một diện tích lớn hơn, và ông lập luận rằng entropy của lỗ đen tỷ lệ thuận với diện tích này.
Nhưng entropy của lỗ đen mà Bekenstein đề xuất lại gây bối rối theo nhiều cách. Thứ nhất, theo thuyết tương đối tổng quát, lỗ đen là một chân không rỗng, vậy bản chất của sự hỗn loạn là gì? Thứ hai, độ lớn của entropy này lại cực kỳ lớn. Thứ ba, nếu một lỗ đen có entropy thì, giống như một cục than nóng, nó cũng phải có nhiệt độ và do đó phát ra hạt. Tuy nhiên, theo thuyết tương đối tổng quát, không có gì có thể thoát ra khỏi lỗ đen.
Stephen Hawking là một trong những nhà vật lý cố gắng tìm lời giải cho vấn đề này. Năm 1974, ông đã có một khám phá đáng kinh ngạc: khi bao gồm các hiệu ứng của thuyết lượng tử, một lỗ đen thực sự phát ra bức xạ. Hawking phát hiện rằng các cặp hạt ảo xuất hiện quanh chân trời sự kiện của lỗ đen. Sự kéo giãn của không-thời gian tại đó, như được mô tả bởi thuyết tương đối tổng quát, biến chúng thành các hạt thực. Một hạt rơi vào lỗ đen, nhưng hạt kia thoát ra, tạo thành cái mà chúng ta gọi là bức xạ Hawking. Tuy nhiên, sự phấn khích từ khám phá này không kéo dài. Năm sau, Hawking phát hiện ra một vấn đề với quá trình bức xạ của mình. Giả sử chúng ta có hai lỗ đen có cùng khối lượng, nhưng được hình thành từ các ngôi sao làm bằng các nguyên tố khác nhau. Hình dạng của không-thời gian quanh chân trời sẽ giống nhau trong cả hai trường hợp, và do đó bức xạ thoát ra từ chân không cũng giống nhau. Vì vậy, chúng ta không thể dùng bức xạ này để phân biệt giữa các ngôi sao, dẫn đến thông tin bị mất vào lỗ đen.
Đây là một vấn đề nghiêm trọng vì vật lý dựa trên nguyên tắc rằng thông tin không thể bị hủy diệt.
Kể từ đó, các nhà lý thuyết như tôi đã cố gắng tuyệt vọng tìm cách để thông tin thoát khỏi lỗ đen. Đã có nhiều giải pháp đề xuất trong những năm gần đây, nhưng tôi tin rằng thuyết dây là con đường thuyết phục nhất để tiến về phía trước. Không chỉ giúp giải quyết nghịch lý thông tin của Hawking, thuyết dây còn dẫn đến những ý tưởng rất hấp dẫn khi suy ngẫm sâu hơn.
Loading...
