Sơ đồ thí nghiệm dùng để phát hiện ra cái tương tự bức xạ Hawking. Xung laser vào tập trung vào một mẩu silic nóng chảy và các photon được thu gom ở góc 90o so với các xung tới. (Ảnh: Daniele Faccio)
Đó là một trong những ý tưởng tinh tế nhất của Stephen Hawking: tiên đoán năm 1974 rằng các lỗ đen không hoàn toàn đen, mà phát ra một dòng bức xạ đều đặn. Sự xác nhận thực nghiệm của bức xạ Hawking có lẽ sẽ mang đến cho nhà vũ trụ học người Anh 68 tuổi này một Giải Nobel Vật lí. Nhưng đáng tiếc, không một ai có thể phát hiện ra một tín hiệu lỗ đen vì nó quá yếu so với bức xạ nền của vũ trụ.
Tuy nhiên, cơ hội giành giải Nobel của Hawking có lẽ đang tăng lên, nhờ một bài báo sẽ sớm công bố trên tạp chí Physical Review Letters. Trong công trình này, các nhà vật lí người Italy mô tả cái nhiều người tin là phép đo đầu tiên của bức xạ Hawking phát ra từ một “cái tương tự” lỗ đen trong phòng thí nghiệm.
Nghiên cứu trên đã khuấy lên một cuộc tranh cãi về cái thật sự cấu thành nên bức xạ Hawking, và bằng chứng trên cơ sở phòng thí nghiệm như thế có thể giúp đưa Hawking thành một đối thủ nặng kí cho Giải Nobel hay không.
“Chúng ta không có bất kì bằng chứng quan sát nào từ các lỗ đen thiên văn vật lí về sự tồn tại của hiệu ứng Hawking, và sẽ cực kì khó khăn để chúng ta có được một bằng chứng như vậy, cho nên bất kì phương pháp nào xác nhận được tiên đoán của Hawking cũng có tầm quan trọng rất lớn đối với cộng đồng khoa học”, phát biểu của Matt Visser, một chuyên gia về các vật tương tự hấp dẫn tại trường Đại học Wellington, New Zealand, người không có liên quan trong nghiên cứu trên.
Cội nguồn ở cơ học lượng tử
Lí thuyết của Hawkign bắt nguồn từ nguyên lí bất định trong cơ học lượng, nguyên lí cho chúng ta biết rằng các cặp hạt liên tục thoắt ẩn thoắt hiện, kể cả trong chân không. Đa phần thời gian thì những hạt này hủy lẫn nhau hầu như ngay khi chúng vừa sinh ra, nhưng điều này sẽ không còn đúng tại rìa của một lỗ đen, nơi được gọi là chân trời sự cố, tại đó sự hấp dẫn trở nên mạnh đến mức kể cả ánh sáng cũng chẳng thoát ra được. Thành ra nếu một cặp hạt sinh ra ở hai phía điểm này, thì một hạt sẽ bị nuốt vào lỗ đen, còn hạt kia thì thoát ra ngoài – và hạt thoát ra này sẽ trở thành bức xạ Hawking.
Vì hiện nay, người ta không thể quan sát bức xạ Hawking đối với các lỗ đen thực tế, nên trong thời gian gần đây, các nhà vật lí đã chuyển sang khảo sát những cái tương tự lỗ đen trong phòng thí nghiệm có thể bắt chước hành trạng của các đối tác thiên văn vật lí của chúng. Một loại tương tự như thế sử dụng laser để mô phỏng một chân trời sự cố, vì ánh sáng cường độ cao có thể làm biến đổi chiết suất của một môi trường, đại lượng chi phối tốc độ truyền ánh sáng. Nói đơn giản thì việc chiếu một laser cường độ mạnh qua thủy tinh tạo ra một đỉnh chiết suất: bất kì photon nào ở phía trước đỉnh này thì có thể truyền về phía trước, còn những photon ở đằng sau và cố gắng truyền về phía trước thì bị chậm dần đến mức dừng lại hẳn – chúng đã bị bắt, giống như trong một lỗ đen thật sự.
Đây là loại hệ được sử dụng trong nghiên cứu mới nhất của Daniele Faccio và các đồng nghiệp ở trường Đại học Insubria và các trường viện Italy khác. Họ đặt một máy dò photon và một quang phổ kế ở những góc thích hợp so với hướng của chùm tia laser truyền qua thủy tinh để bắt giữ bất kì photon nào ra đời tự phát tại chân trời sự cố được mô phỏng. Nhiễu amid xuất hiện do các khiếm khuyết huỳnh quang trong thủy tinh, vì thế nhóm của Faccio đã có thể thu được một tín hiệu photon với bước sóng trong khoảng từ 850 đến 900 nm. Vì không có sự phát xạ huỳnh quang nào khác được biết trong vùng này, nên các nhà nghiên cứu khẳng định, các photon này phải là bức xạ Hawking.
Một số người đồng ý, nhưng không phải ai cũng vậy
Một số nghiên cứu độc lập tán thành kết quả trên, đáng chú ý là trong đó có Ulf Leonhardt, một nhà vật lí ở trường Đại học Andrews, Anh quốc, người đã đi tiên phong xây dựng cơ sở của thí nghiệm trên cách đây hai năm trước. Nhưng còn những người khác thì không chắc cho lắm.
Một vấn đề là nhóm của Faccio không thể chứng tỏ được rằng sự phát xạ trên là một phổ “vật đen” liên tục, như phổ của một lỗ đen thiên văn vật lí phải như thế - mặc dù họ thật sự có một thiết bị để thực hiện một phép đo thấu đáo như vậy, nhưng hệ thống của họ quá phân tán nên phổ vật đen có khả năng sẽ bị tiêu tán. Một vấn đề nữa là bức xạ Hawking phải chỉ phát ra theo hướng của laser và không vuông góc, mặc dù điều này là có thể vì cơ cấu chiết suất mạnh làm bẻ cong ánh sáng ra bên ngoài. Câu hỏi đặt ra là những thiếu sót như thế này có làm cho sự khẳng định “bức xạ Hawking” là không trụ được hay không?
“Câu hỏi này một phần là một câu hỏi ngữ nghĩa”, theo lời Renaud Parentani, người chuyên nghiên cứu bức xạ Hawking tại trường Đại học Paris-Sud 11, Pháp. Parentani tin rằng, từ trước đến nay, chưa hề có ai từng định nghĩa xem cái gì cấu tạo nên bức xạ Hawking thuần túy, và các nhà nghiên cứu nên tập trung vào xác định xem những khía cạnh nào của hiện tượng ấy mà một thí nghiệm đã thành công trong việc chứng minh. “Bằng cách nào đó, chúng ta phải đưa ra một danh sách những tính chất đặc biệt mô tả đặc trưng cho bức xạ Hawking chuẩn”, ông nói.
Sự vướng víu có thể là một luận cứ có sức mạnh
Một cách thuyết phục những người còn nghi ngờ có lẽ là đo đồng thời các photon phát ra ở cả hai phí của đỉnh chiết suất. Nếu chúng bị vướng víu theo ý nghĩa cơ lượng tử, thì đây sẽ là bắng chứng chắc chắn rằng chúng được sinh ra cùng nhau tại chân trời sự cố. Leonhardt tâm sự với physicsworld.com rằng ông trông đợi có các kết quả cho một thí nghiệm như vậy trong chừng một năm tới, hoặc sớm hơn.
Về cơ hội nhận giải Nobel của Hawking, hầu hết các nhà vật lí đều nghĩ rằng hãy còn quá sớm để nói tới điều đó. Nhưng với tính hầu như không thể của việc thực hiện một phép đo thiên văn vật lí của bức xạ Hawking, và theo điều lệ của Giải Nobel, vẫn có một cơ hội – dẫu là xa xôi – để cho ủy ban xét giải người Thụy Điển công nhận bằng chứng phòng thí nghiệm của lí thuyết Hawking là đủ để vinh danh ông. Mới đây, một nhóm nghiên cứu ở Canada đã tìm thấy bằng chứng cho cái họ khẳng định là bức xạ Hawking trong một hệ cổ điển, gốc nước (xem arXiv: 1008.1911), và nhiều thí nghiệm khác có khả năng tìm thấy bằng chứng trong phòng thí nghiệm trong vòng vài tháng tới.
Các bạn có thể xem bản thảo bài báo trên tại arXiv: 1009.4634.
Nguồn: physicsworld.com
