Nghịch lí thông tin cũng đơn giản thôi

Chân trời sự cố của lỗ đen là một điểm dừng cơ hội cuối cùng: vượt qua ranh giới này, không có cái gì, thậm chí cả ánh sáng, có thể thoát ra ngoài. Nhưng cái “mọi thứ” này có bao gồm thông tin hay không? Các nhà vật lí đã tiêu tốn bốn thập kỉ tươi đẹp nhất để vật lộn với “nghịch lí thông tin” vừa nói, nhưng nay một nhóm nhà nghiên cứu ở Anh nghĩ rằng họ có thể nêu ra một giải pháp.

Các nhà nghiên cứu trên đã tạo ra một mô hình lí thuyết cho chân trời sự cố của một lỗ đen tránh nén hoàn toàn không-thời gian. Nghiên cứu của họ còn ủng hộ một lí thuyết gây tranh cãi đề xuất hồi năm ngoái rằng sự hấp dẫn là một lực hiện ra chứ không phải là một tương tác vạn vật cơ bản.

Ảnh của Centaurus A do Đài thiên văn tia X Chandra chụp cho thấy những vòi và thùy vật chất tạo ra bởi một lỗ đen siêu khối tại trung tâm thiên hà láng giềng này. Dữ liệu cho biết vật chất trong cái vòi ấy đang truyền đi ở tốc độ bằng nửa tốc độ ánh sáng. (Ảnh: NASA/CXC/CfA/R.Kraft; MPIfR/ESO/APEX/A.Weiss; ESO/WFI)

Lịch sử nghịch lí

Nghịch lí thông tin lần đầu tiên được nêu ra hồi đầu thập niên 1970 khi Stephen Hawking ở trường Đại học Cambridge, xây dựng trên công trình trước đó của Jacob Bekenstein tại trường Đại học Jerusalem, đề xuất rằng các lỗ đen không hoàn toàn đen. Hawking đã chứng tỏ rằng các cặp hạt-phản hạt phát sinh tại chân trời sự cố - chu vi ngoài của một lỗ đen – sẽ bị chia tách. Một hạt sẽ rơi vào trong lỗ đen, còn hạt kia sẽ thoát ra ngoài, biến lỗ đen thành một vật bức xạ.

Lí thuyết của Hawking ngụ ý rằng, theo thời gian, một lỗ đen cuối cùng sẽ bốc hơi hết, chẳng để lại gì ngoài một điểm kì dị khối lượng vô hạn, không thể thâm nhập, ở chính giữa. Lí thuyết này gây ra một trở ngại đối với cơ học lượng tử, cái đòi hỏi không có gì, kể cả thông tin, có thể bị mất mãi mãi. Nếu lỗ đen che giấu thông tin mãi mãi trong điểm kì dị của chúng, thì sẽ có một kẽ hở cơ bản đối với cơ học lượng tử.

Tầm quan trọng của nghịch lí thông tin nổi lên vào năm 1997 khi Hawking, cùng với Kip Thorne thuộc Viện Công nghệ California (Caltech) ở Mĩ, cá cược với John Preskill, cũng người Caltech. Lúc ấy, Hawking và Thorne đều tin rằng thông tin bị mất trong các lỗ đen, còn Preskill nghĩ rằng điều đó là không thể. Tuy nhiên, sau này, Hawking đã thừa nhận thua cuộc, ông cho biết ông tin rằng thông tin được phản hồi – mặc dù ở một trạng thái trá hình.

Lúc chuyển giao thế kỉ này, Maulik Parikh thuộc trường Đại học Utrecht ở Hà Lan, cùng với Frank Wilczek thuộc Viện nghiên cứu Cao cấp ở Princeton, Mĩ, đã chỉ rõ làm thế nào thông tin có thể rò rỉ ra khỏi một lỗ đen. Trong lí thuyết của họ, các hạt mang thông tin ở ngay bên trong chân trời sự cố có thể chui hầm qua ranh giới đó, tuân theo các nguyên lí của cơ học lượng tử. Nhưng giải pháp này cũng vẫn gây tranh cãi.

Chui hầm qua chân trời sự cố

Nay Samuel Braunstein và Manas Patra thuộc trường Đại học York ở Anh nghĩ rằng họ đã thiết lập được một lí thuyết chui hầm trông có vẻ hấp dẫn hơn lí thuyết của Parikh và Wilczek. “Chúng tôi không thể khẳng định đã chứng minh rằng sự thoát ra khỏi một lỗ đen là thật sự có thể”, họ giải thích, “nhưng đó là lời giải thích dễ thấy nhất của những kết quả của chúng tôi”.

Thông thường, các nhà lí thuyết nghiên cứu lỗ đen phải đấu vật với hình học phức tạp của không-thời gian phát sinh từ lí thuyết hấp dẫn của Einstein – thuyết tương đối tổng quát. Trong mô hình của họ, Braunstein và Patra cho biết chân trời sự cố về bản chất thuần túy là cơ lượng tử, với những mảng không “Hilbert” lượng tử chui hầm qua rào cản đó.

Các nhà lí thuyết nhận thấy ngay cả một mô hình chui hầm đơn giản hóa đi nhiều như thế cũng có thể tái dựng lại phổ bức xạ được cho là phát ra từ lỗ đen. Phổ này không giống với mô hình tạo cặp của Hawking, mô hình dẫn tới thông tin bị mất và luôn đòi hỏi nhiều chi tiết lí thuyết để xử lí hơn. Nói đơn giản, Braunstein và Patra phát biểu rằng sự chui hầm có khả năng hơn là một đặc điểm nội tại của các lỗ đen – cho nên, có lẽ, thông tin rốt cuộc không hề bị mất. Các kết quả của họ công bố trên số ra mới đây của tạp chí Physical Review Letters.

Độ sâu của sự hấp dẫn

Có một bước ngoặt nữa đối với công trình của các nhà nghiên cứu trên. Hồi năm ngoái, nhà lí thuyết dây Erik Verlinde thuộc trường Đại học Amsterdam, dựa trên nghiên cứu của Ted Jacobsen thuộc trường Đại học Maryland ở Mĩ, đã nêu ra một ý tưởng có tính suy đoán cho nguồn gốc của sự hấp dẫn. Theo đề xuất của Verlinde, sự hấp dẫn không phải là một tương tác cơ bản, mà nó hiện ra từ vũ trụ đang cố gắng tối đa hóa sự hỗn độn. Do đó, hấp dẫn là một “lực entropy” – một hệ quả tự nhiên của nhiệt động lực học – giống hệt như người ta cảm nhận một lực tác dụng lên một dây cao su căng ra khi các phân tử cố gắng uốn éo vào những trạng thái mất trật tự.

Braunstein và Patra tin rằng mô hình lỗ đen của họ ủng hộ đề xuất của Verlinde. Nếu như sự hấp dẫn – không đề cập tới quán tính hoặc không-thời gian – là một lực nổi ra thì nó sẽ không khai thác được để làm sáng tỏ cơ chế mất thông tin cơ bản của các lỗ đen, đó là cái các nhà nghiên cứu York đã chứng minh. “Điều này không chứng tỏ rằng Verlinde là đúng, nhưng đề xuất của ông đã “có chỗ dựa”, Braunstein nói.

Steve Giddings, một nhà vật lí chuyên về sự hấp dẫn lượng tử tại trường Đại học California, Santa Barbara, không nghĩ rằng Braunstein và Patra đã xử lí được “những câu hỏi trọng tâm nhất” của đề xuất của Verlinde. Tuy nhiên, ông cho biết họ đã nêu ra một gợi ý nữa của một mối liên hệ quan trọng giữa thông tin lượng tử và sự hấp dẫn. “Một thách thức quan trọng là chỉ rõ những quan điểm mà Verlinde và những người khác nêu ra có thể mang lại một cơ sở chắc chắn hay không”, ông nói. “Đây có lẽ là một mảnh nữa của câu đố, nhưng chúng ta chưa có nó trong tay”.

Nguồn: physicsworld.com