Chúa có đổ xúc sắc? Phần cuối
Stephen Hawking
Bạn có thể quẳng tivi, nhẫn kim cương và thậm chí cả kẻ thù xấu xa của bạn vào một lỗ đen, và tất cả những gì mà lỗ đen ghi nhớ, là khối lượng và trạng thái quay của vật.
Đây là điều không thể, theo các ý tưởng về không gian và thời gian được chấp nhận khi đó. Nhưng vào năm 1915, Einstein đã làm một cuộc cách mạng với Thuyết tương đối tổng quát. Trong đó, không gian và thời gian không còn tách rời và hoàn toàn độc lập nhau. Thay vào đó, chúng chỉ khác nhau về hướng trong một thực thể duy nhất được gọi là không – thời gian. Không thời gian này là không phẳng, mà bị kéo cong bởi vật chất và năng lượng chứa trong nó. Để hiểu được điều này, hãy xét một tấm thảm đàn hồi với vật nặng đặt trên nó, được biểu diễn cho ngôi sao. Vật nặng sẽ tạo thành chỗ lõm trên tấm đàn hồi, và sẽ khiến cho phần thảm gần ngôi sao bị cong đi chứ không còn phẳng như trước. Nếu bạn lăn một viên bi trên một tấm thảm như vậy, quỹ đạo của chúng là đường cong chứ không phải đường thẳng. Vào năm 1919, một đoàn thám hiểm người Anh đến Tây Phi để quan sát ánh sáng từ các ngôi sao ở xa, truyền qua gần Mặt trời trong thời gian nhật thực. Họ tìm thấy các bức ảnh của các ngôi sao bị lệch đi đôi chút so với vị trí thực của chúng. Điều này chỉ ra rằng quỹ đạo của ánh sáng từ các ngôi sao bị bẻ cong bởi không thời gian ở gần Mặt trời. Thuyết tương đối tổng quát được thừa nhận.
Bây giờ, hãy xét những vật nặng hơn với khối lượng tập trung nhiều hơn lên tấm thảm đàn hồi. Chúng sẽ làm lõm tấm thảm nhiều hơn. Thậm chí, tại một giới hạn trọng lượng và kích thước, chúng sẽ tạo thành một cái lỗ không đáy trên tấm thảm, với các hạt rơi vào đó mà không thể rơi ra được.
Những gì xảy ra trong không thời gian theo Thuyết tương đối tổng quát cũng tương tự. Một ngôi sao sẽ uốn cong và làm méo mó không thời gian gần nó càng nhiều nếu ngôi sao càng nặng và càng đặc. Nếu một ngôi sao nặng đốt hết nhiên liệu hạt nhân của nó, lạnh đi và co lại dưới kích cỡ tới hạn, nó sẽ tạo thành một lỗ không đáy trong không thời gian mà ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát ra được. Những vật như vậy có tên gọi là Lỗ đen, theo cách gọi của nhà vật lý người Mỹ John Wheeler, một trong những người đầu tiên nhận ra tầm quan trọng của chúng và những vấn đề mà chúng liên hệ. Tên gọi này có tác động mau chóng. Đối với người Mỹ, nó ngụ ý điều gì đó tối tăm và bí ẩn, trong khi đối với người Anh, có bản giao hưởng của Lỗ đen của Calcutta. Nhưng với người Pháp, nó có một ý nghĩa táo bạo hơn. Qua nhiều năm, họ phủ định tên gọi trou noir, và xem nó là tục tĩu. Nhưng cũng giống như cố gắng chống lại le weekend(cuối tuần), một từ tiếng Anh trong tiếng Pháp. Và cuối cùng, họ cũng phải thừa nhận nó.
Hiện nay, chúng ta đã có một số quan sát cho thấy sự có mặt của lỗ đen, từ các hệ thống sao đôi, đến tâm của thiên hà. Vì vậy, đến giờ lỗ đen có tồn tại là một điều được chấp nhận rộng rãi. Nhưng khác với vị thế của chúng đối với khoa học viễn tưởng, chúng có ý nghĩa đối với quyết định luận. Câu trả lời nằm ở câu khẩu hiệu mà tôi dán ở cửa văn phòng của tôi: Lỗ đen vượt quá tầm nhìn(Black Holes are Out of Sight). Không chỉ khiến cho các hạt và vài nhà du hành vũ trụ thiếu may mắn rơi vào lỗ đen mà không thể quay trở ra được, mà thông tin mà họ mang theo cũng biến mất mãi mãi, ít nhất là đối với vũ trụ bên ngoài lỗ đen. Bạn có thể quẳng tivi, nhẫn kim cương và thậm chí cả kẻ thù xấu xa của bạn vào một lỗ đen, và tất cả những gì mà lỗ đen ghi nhớ, là khối lượng và trạng thái quay của vật. John Wheeler gọi điều này là “Lỗ đen không tóc”. Đối với người Pháp, điều này chỉ làm tăng thêm sự nghi ngờ của họ.
Lỗ đen được nhận ra trong các hệ thống sao đôi. Ở đó, lỗ đen được nhận ra thông qua việc thu hút vật chất từ người bạn đồng hành của mình.
Cũng giống như việc cho rằng lỗ đen sẽ tiếp tục tồn tại mãi mãi, việc mất thông tin của nó dường như không phải là vấn đề quá lớn. Ai đó có thể nói rằng thông tin tồn tại bên trong lỗ đen. Chỉ là không thể nói được nó trông ra sao từ bên ngoài lỗ đen. Tuy nhiên tình hình đã thay đổi khi tôi khám phá ra rằng lỗ đen không quá đen. Cơ học lượng tử cho phép chúng phát ra các hạt và các bức xạ với tốc độ ổn định. Kết quả này đến với tôi hoàn toàn bất ngờ, và với bất cứ ai. Nhưng bằng nhận thức, điều này là hiển nhiên. Những gì mà chúng ta có thể nghĩ về chân không là không thật sự trống rỗng, mà nhung nhúc các cặp hạt và phản hạt. Chúng xuất hiện cùng nhau tại nhiều điểm trong không gian và thời gian, chuyển động ra xa nhau, sau đó tái hợp và lại hủy nhau. Sự xuất hiện của hạt và phản hạt là bởi vì các trường như trường mang ánh sáng và hấp dẫn không thể bằng không. Điều đó (trường bằng không.ND) có nghĩa là giá trị của trường sẽ vừa có một vị trí chính xác (tại không) và một tốc độ chính xác (tại không). Điều này bị ngăn cản bởi Nguyên lý bất định, quy định một hạt không thể có đồng thời tốc độ và vị trí chính xác được. Vì vậy, tất cả các trường phải có cái gọi là thăng giáng chân không. Vì kiểu hành xử lượng tử của tự nhiên, ta có thể lý giải các thăng giáng chân không này, thông qua hạt và phản hạt như tôi đã miêu tả.
Các cặp hạt và phản hạt xuất hiện đối với tất cả các loại hạt cơ bản khác nhau. Chúng được gọi là hạt ảo, vì chúng xuất hiện thậm chí trong cả chân không, và chúng không thể được đo đạc trực tiếp bằng các máy dò thông thường. Tuy nhiên, tác động gián tiếp của những hạt ảo, hay các thăng giáng chân không có thể được quan sát trong một số thí nghiệm, và sự tồn tại của chúng được thừa nhận.
Ở gần một lỗ đen, một thành viên của cặp hạt – phản hạt có thể bị rơi vào trong lỗ đen, để lại một hạt mà không có đối tác để phân hủy. Hạt bị bỏ rơi này có thể rơi vào trong lỗ đen, nhưng cũng có thể đi ra xa lỗ đen với khoảng cách lớn, nơi nó sẽ trở thành một hạt thực sự, có thể được đo đạc bằng các máy dò hạt. Đối với một vài người, một quãng đường đài đi ra từ lỗ đen sẽ được xem như là phát ra từ lỗ đen.
Cách lý giải lỗ đen không quá đen này cho thấy lượng bức xạ sẽ phụ thuộc vào kích thước của lỗ đen, và tốc độ quay của nó. Nhưng bởi vì lỗ đen không có tóc, theo cụm từ của Wheeler, lượng bức xạ sẽ không phụ thuộc vào những gì đi vào trong lỗ đen. Sẽ không quan trọng nếu bạn ném những chiếc tivi, nhẫn kim cương hay kẻ thù xấu xa của bạn vào một lỗ đen. Những gì trở ra sẽ đều như nhau.
Bởi vậy, tất cả những điều này phù hợp với quyết định luận, là trọng tâm của bài nói chuyện này. Những gì mà nó chỉ ra, là có nhiều trạng thái ban đầu, cả tivi, nhẫn kim cương, và thậm chí con người, đều tiến hóa về một trạng thái cuối, ít nhất là bên ngoài lỗ đen. Nhưng trong bức tranh quyết định luận của Laplace, có sự tương ứng một - một giữa trạng thái đầu và trạng thái cuối. Nếu bạn biết trạng thái của vũ trụ ở một vài thời điểm nào đó trong quá khứ, bạn có thể tiến đoán được nó trong tương lai. Tương tự, nếu bạn biết nó trong tương lai, bạn có thể tính toán được những gì mà nó đã trải qua trong quá khứ. Những thành quả của lý thuyết lượng tử trong những năm 1920 đã giảm mức độ mà bạn có thể tiên đoán xuống còn một nữa, nhưng nó vẫn là tương ứng một - một giữa các trạng thái của vũ trụ ở những thời điểm khác nhau. Nếu bạn biết hàm sóng tại một thời điểm, bạn có thể tính được nó tại thời điểm bất kì.
Tuy nhiên, với các lỗ đen, tình huống sẽ khác đi chút ít. Bạn sẽ kết thúc với cùng trạng thái ở bên ngoài lỗ đen, bất cứ khi nào bạn ném thứ gì vào đó, khiến cho nó có cùng khối lượng. Như vậy, sẽ không có tương ứng một – một giữa trạng thái đầu và trạng thái cuối ở bên ngoài lỗ đen. Sẽ có tương ứng một – một giữa trạng thái ban đầu và trạng thái cuối ở cả bên ngoài và bên trong lỗ đen. Nhưng điểm mấu chốt là ở chỗ, sự phát ra của các hạt và sự bức xạ của lỗ đen, sẽ làm cho lỗ đen mất khối lượng và càng ngày càng nhỏ hơn. Thậm chí, lỗ đen sẽ giảm dần khối lượng đến không, và biến mất. Khi đó điều gì sẽ xảy ra với các vật bị rơi vào đó, và tất cả những người nhảy vào hoặc bị đẩy vào lỗ đen. Họ (chúng) không thể thoát ra được, vì sẽ không có đủ khối lượng hoặc năng lượng ở trong lỗ đen để có thể gửi chúng ra ngoài trở lại. Họ (chúng) có thể đi vào một thế giới khác, nhưng sẽ không có thứ gì tạo nên bất kì sự khác biệt nào, so với việc chúng ta có đủ thận trọng để nhảy vào trong lỗ đen hay không. Thậm chí thông tin, về những gì rơi vào trong lỗ đen, không thể thoát lại ra ngoài khi lỗ đen biến mất. Thông tin không thể bị mang đi một cách tùy tiện được, giống như bạn phải trả hóa đơn điện thoại. Thông tin đòi hỏi năng lượng để mang nó, và không có đủ năng lượng để làm điều này khi lỗ đen biến mất.
Tất cả những điều này có nghĩa là, thông tin sẽ bị mất của vũ trụ của chúng ta khi lỗ đen được hình thành và bốc hơi. Sự mất mát thông tin này sẽ cho thấy rằng chúng ta có thể tiên đoán được thậm chí ít hơn những gì chúng ta có thể nghĩ, dựa theo lý thuyết lượng tử. Trong lý thuyết này, có lẽ bạn không thể tiên đoán với độ xác định của cả vị trí và tốc độ của một hạt. Nhưng vẫn có một liên hệ giữa vị trí và tốc độ có thẻ tiên đoán được. Trong trường hợp của lỗ đen, việc tiên đoán một cách chính xác này phụ thuộc vào các thành phần của một cặp hạt. Nhưng chúng ta chỉ có thể đo đạc được các hạt đi ra khỏi lỗ đen. Không có cách nào, thậm chí về mặt nguyên lý, giúp chúng ta có thể đo đạc được các hạt rơi vào trong lỗ đen. Vì vậy, tất cả những gì chúng ta có thể nói, nó có thể là bất kì trạng thái nào. Điều này có nghĩa, chúng ta có thể không tạo ra được các tiên đoán có độ chính xác bất kì, về các hạt thoát ra từ lỗ đen. Chúng ta có thể tính xác suất mà các hạt hoặc là có vị trí, hoặc là có vận tốc. Nhưng không có liên hệ nào giữa vị trí và vận tốc của chỉ một hạt mà chúng ta có thể tiên đoán chính xác, vì vận tốc và vị trí sẽ phụ thuộc vào hạt kia, đi vào trong lỗ đen mà chúng ta không thể quan sát được. Như vậy, có vẻ như Einstein có những lo ngại không xác đáng khi nói rằng, Chúa không đổ xúc sắc. Không chỉ Ngài chơi xúc sắc mà đôi khi Ngài còn dấu chúng ta bằng cách ném chúng vào những nơi mà chúng không thể được nhìn thấy.
Nhiều nhà khoa học thích Einstein, theo đó họ bị thu hút một cách sâu sắc bởi quyết định luận. Không giống như Einstein, họ chấp nhận sự giảm thiểu khả năng của chúng ta về việc tiên đoán, rằng cơ học lượng tử mang lại điều này. Nhưng điều đó đã đi đủ xa. Họ không thích sự giảm thiểu hơn nữa, với các lỗ đen dường như là giới hạn. Do đó, họ cho rằng thông tin không thật sự bị mất trong các lỗ đen. Nhưng họ không tìm ra một cách cơ giới nào để lấy lại các thông tin đã rơi vào đó. Đó chỉ là một hi vọng hão huyền về vũ trụ tuân theo quyết định luận theo kiểu của Laplace. Tôi cảm thấy những nhà khoa học đó không học những bài học về lịch sử. Vũ trụ không thể hành xử theo ý thức của chúng ta. Nó liên tục làm chúng ta ngạc nhiên.
Bạn có thể không nghĩ rằng, chẳng có vấn đề gì lắm, nếu quyết định luận bị phá vở ở gần lỗ đen. Chúng ta hầu như xác định được, ít nhất là ở khoảng cách một vài năm ánh sáng từ một lỗ đen có kích cở tùy ý. Nhưng Nguyên lý bất định ngụ ý rằng tại mỗi miền trong không gian đều tràn ngập những lỗ đen ảo bé nhỏ, liên tục xuất hiện và biến mất. Bạn sẽ nghĩ rằng, các hạt và thông tin có thể bị rơi vào trong những lỗ đen như vậy và biến mất. Vì những những lỗ đen ảo này là quá nhỏ, một phần của một trăm tỉ tỉ lần nhỏ hơn hạt nhân của một nguyên tử, nên tốc độ mất mát thông tin sẽ rất thấp. Đó cũng là lý do tại sao, các định luật khoa học lại thể hiện tính tất định, một gần đúng rất hoàn hảo. Nhưng trong những điều kiện cực hạn, giống như trong vũ trụ sơ khai, hoặc trong những va chạm hạt năng lượng cao, sự mất mát thông tin là có ý nghĩa. Điều này dẫn đến việc không thể tiên đoán trước quá trình tiến hóa của vũ trụ.
Tóm lại, tôi đang nói về việc, vũ trụ tiến hóa theo cách ngẫu nhiên hay tuân theo quyết định luận. Quan điểm cổ điễn, được đề xướng bởi Laplace, là những chuyển động trong tương lai của các hạt là hoàn toàn có thể xác định được, nếu bạn biết vị trí và vận tốc của chúng tại một thời điểm nào đó. Quan điểm này phải được bổ sung, khi Heisenberg đề ra nguyên lý bất định, nói rằng bạn không thể biết chính xác cả vị trí và vận tốc của hạt. Tuy nhiên, vẫn có khả năng tiên đoán được một liên hệ giữa vị trí và vận tốc. Nhưng thậm chí giới hạn tiên đoán này cũng biến mất khi kể đến ảnh hưởng của các lỗ đen. Sự mất mát các hạt và cả thông tin khi rơi vào trong lỗ đen có nghĩa các hạt thoát ra khỏi lỗ đen là ngẫu nhiên. Bạn có thể tính các xác suất, nhưng bạn không thể có bất cứ tiên đóa chính xác nào. Như vậy, tương lai của vũ trụ là hoàn toàn không xác định bởi các định luật khoa học và với trạng thái hiện tại, như Laplace nghĩ. Chúa vẫn có một vài mánh khóe, giấu trong tay áo của Ngài.
Đó là tất cả những gì tôi phải nói lúc này. Cảm ơn các bạn vì đã chú ý lắng nghe.
