Các lỗ đen có thể bung xung một “đầu tóc” xa hoa gồm những hạt ma quỷ, năng lượng zero – đó là một giả thuyết mới được đề xuất bởi Stephen Hawking và các nhà vật lí khác.
Bài báo mới đăng hôm 5/1 trên tạp chí bản thảo arXiv đề xuất rằng ít nhất một phần thông tin mà một lỗ đen nuốt vào được lưu trữ trong những sợi tóc điện này.
Tuy nhiên, đề xuất mới chưa chứng minh được rằng toàn bộ thông tin đi vào lỗ đen được bảo toàn.
Ảnh minh họa cho thấy môi trường xung quanh một lỗ đen, bao gồm đĩa bồi tụ vật chất, vòi vật chất và từ trường của nó. Ảnh: ESO/L. Calçada
“Câu hỏi đáng giá triệu đô là liệu toàn bộ thông tin có được lưu trữ theo kiểu này hay không, và chúng tôi chưa đưa ra khẳng định nào về điều đó,” phát biểu của đồng tác giả Andrew Strominger, một nhà vật lí tại Đại học Harvard ở Massachusetts. “Hình như không có khả năng loại tóc mà chúng tôi mô tả là đủ giàu để lưu trữ được toàn bộ thông tin.”
Lỗ đen
Theo thuyết tương đối rộng của Einstein, lỗ đen là những thiên thể cực kì rắn đặc làm cong không-thời gian mạnh đến mức không có ánh sáng hay vật chất nào có thể thoát khỏi nanh vuốt của chúng. Một số lỗ đen nguyên thủy đã hình thành không bao lâu sau Big Bang và có thể bằng kích cỡ với nguyên tử độc thân nhưng khối lượng bằng cả ngọn núi, theo NASA. Những lỗ đen khác ra đời khi các ngôi sao khổng lồ tự co lại, còn các lỗ đen siêu khối nằm tại tâm của hầu hết các thiên hà.
Vào thập niên 1960, nhà vật lí John Wheeler và các đồng sự đề xuất rằng các lỗ đen “không có tóc”, một phép ẩn dụ có nghĩa là các lỗ đen không để lộ bất cứ thông tin nào để người ta nắm bắt được. Trong dạng thức của Wheeler, tất cả các lỗ đen đều giống hệt nhau ngoại trừ spin, moment động lượng và khối lượng của chúng.
Sau đó, vào thập niên 1970, Stephen Hawking đề xuất khái niệm ngày nay gọi là bức xạ Hawking. Ở dạng thức này, tất cả các lỗ đen đều “rò rỉ” khối lượng ở dạng những hạt lượng tử ma quái thoát ra theo thời gian. Cuối cùng, bức xạ Hawking làm cho các lỗ đen bay hơi cùng nhau, để lại một chân không đơn nhất, độc nhất. Chân không để lại bởi những lỗ đen này, theo lí thuyết ban đầu, sẽ giống hệt nhau, và do đó không có khả năng lưu trữ thông tin về những vật thể mà từ đó chúng được hình thành, Strominger cho biết.
Vì bức xạ Hawking rò rỉ từ một lỗ đen là hoàn toàn ngẫu nhiên, nên điều đó có nghĩa là các lỗ đen làm mất thông tin theo thời gian, và sẽ không có cách nào biết nhiều về những thiên thể đã hình thành nên các lỗ đen. Nhưng khái niệm đó mang lại một nghịch lí, bởi vì ở cấp độ vi mô nhất, các định luật vật lí là hoàn toàn thuận nghịch, nghĩa là thông tin đã tồn tại trong quá khứ trên lí thuyết là có thể hồi phục được. Trong những năm gần đây, Hawking trở lại với khái niệm thất thoát thông tin và thừa nhận rằng xét cho cùng thì các lỗ đen thật sự lưu trữ thông tin.
“Hoa tuyết” lỗ đen
Trong vài ba năm trở lại đây, Strominger đã và đang dần triệt hạ một số khái niệm này. Trước tiên, ông nêu vấn đề: Điều gì xảy ra nếu bạn thêm một photon “mềm”, hay một hạt ánh sáng không có năng lượng, vào chân không để lại bởi một lỗ đen bay hơi?
Mặc dù đa số mọi chưa từng nghe nói photon mềm, nhưng các hạt ấy có ở mọi nơi, Strominger cho biết. (Những hạt khác, gọi là graviton mềm, là những hạt lượng tử giả thuyết truyền tương tác hấp dẫn. Mặc dù chúng chưa từng được phát hiện, nhưng đa số các nhà vật lí tin rằng những hạt này tồn tại và chúng cũng hết sức dồi dào, Strominger nói).
“Mỗi va chạm tại Máy Va chạm Hadron Lớn tạo ra vô số photon mềm và graviton mềm,” Strominger nói. “Chúng ta đang lặn hụp trong chúng suốt.”
Sau khi khảo sát các phương trình, ông – cùng với Hawking và Malcolm Perry, hai nhà vật lí tại Đại học Cambridge ở Anh – nhận thấy rằng chân không lỗ đen sẽ có năng lượng như cũ nhưng moment động lượng thì khác sau khi bổ sung một photon mềm. Điều đó có nghĩa là trạng thái chân không của một lỗ đen bốc hơi là một dạng hoa tuyết vũ trụ, với từng tính chất của nó phụ thuộc vào nguồn gốc và lịch sử của nó.
“Không hẳn là một vật thể đơn giản, tỏa hương thơm ngào ngạt, nó giống như một ổ đĩa cứng khổng lồ có thể lưu trữ về cơ bản lượng vô hạn thông tin ở dạng những photon và graviton năng lượng zero này,” Strominger nói.
Công trình mới trên là một mở rộng của một bài báo ngắn mà Hawking nêu ra hồi năm 2014, bài báo cho rằng chân trời sự kiện, hay điểm không thể quay đầu trước khi một vật bị nuốt vào trong một lỗ đen mãi mãi, có thể không phải là một ranh giới cố định. Bài báo mới thừa nhận rằng các sợi photon mềm và graviton mềm tỏa tua ven rìa chân trời sự kiện của lỗ đen.
Nghịch lí thông tin
Vấn đề là ở chỗ thông tin này đã “rối bòng bong”, nên việc hồi phục nó từ một lỗ đen chẳng khác nào chuyện tìm xem ai đó đã vứt gì vào đống lửa sau khi nó đã cháy rụi. Về cơ bản, nghiên cứu mới trên là tương đương lỗ đen của câu chuyện sử dụng lửa và khói và tìm xem vật ban đầu bị cháy là vật gì.
“Nó không phải là đáp số cuối cùng cho bài toán thông tin, nhưng nó thật sự có vẻ là một hướng đi đúng,” phát biểu của Aidan Chatwin-Davies, một nhà vật lí tại Viện Công nghệ California, người không tham gia gì trong nghiên cứu trên.
Trong khi một số thông tin trong một lỗ đen có thể được chứa trong viền sợi photon mềm và graviton mềm của nó, thì không hẳn toàn bộ thông tin nhất thiết phải nằm ở đó, ông nói. Dẫu sao, nó đã mang đến một số ý tưởng mới cho chúng ta suy ngẫm về những cái tỏ ra có thể rất hữu ích trong việc tìm hiểu các lỗ đen và cách thức chúng mã hóa thông tin,” Chatwin-Davies nói.
Nguồn: LiveScience
