Câu hỏi lớn trong vũ trụ học hồi đầu thập niên 1960 là vũ trụ đã ra đời như thế nào? Nhiều nhà khoa học vốn phản đối ý tưởng ấy từ trong máu, vì họ cảm thấy thời điểm sáng thế là chỗ khoa học sụp đổ. Người ta phải cầu khẩn tôn giáo và bàn tay của Chúa để định đoạt vũ trụ đã khởi sự như thế nào. Đây rõ ràng là một câu hỏi căn bản, và nó đúng là cái tôi cần để hoàn tất luận án tiến sĩ của mình.
Roger Penrose đã chứng minh rằng một khi ngôi sao đang chết đã co lại đến một bán kính nhất định, thì sẽ có một kì dị không thể tránh khỏi, đó là một điểm tại đó không gian và thời gian đi đến kết thúc. Chắc chắn, tôi nghĩ, chúng ta đã biết rằng không có thứ gì có thể ngăn nổi một ngôi sao lạnh khối lượng lớn khỏi co lại dưới lực hấp dẫn riêng của nó cho đến khi nó đạt tới một kì dị mật độ vô hạn. Tôi nhận thấy một lập luận giống như vậy có thể áp dụng được cho sự giãn nở của vũ trụ. Trong trường hợp này, tôi có thể chứng minh có những kì dị tại đó không-thời gian có một khởi đầu.
Thời khắc eureka xảy đến vào năm 1970, vài ngày sau khi vợ tôi hạ sinh cô con gái, Lucy. Một đêm nọ trong lúc lên giường ngủ, một quá trình chậm chạp thôi do tình trạng tê liệt của tôi, tôi nhận thấy tôi có thể áp dụng cho các lỗ đen cái lí thuyết cấu trúc thất thường mà tôi đã phát triển cho các định lí kì dị. Nếu thuyết tương đối rộng là đúng và mật độ năng lượng là dương, thì diện tích bề mặt của chân trời sự kiện – ranh giới của một lỗ đen – có tính chất là nó luôn luôn tăng khi có thêm vật chất hoặc bức xạ rơi vào trong nó. Hơn nữa, nếu hai lỗ đen va chạm và hợp thành một lỗ đen duy nhất, thì diện tích chân trời sự kiện bao xung quanh lỗ đen thu được sẽ lớn hơn tổng diện tích chân trời sự kiện bao xung quanh hai lỗ đen ban đầu.
Đây là một thời kì vàng son, trong đó chúng ta đã giải được đa phần những bài toán lớn về lí thuyết lỗ đen ngay trước khi có bất kì bằng chứng quan sát nào cho các lỗ đen. Thật vậy, chúng ta đã thành công với thuyết tương đối rộng cổ điển đến mức tôi đã có chút khinh suất vào năm 1973, sau khi cùng George Ellis xuất bản quyển sách của chúng tôi Cấu trúc Vĩ mô của Không-Thời gian. Công trình của tôi cùng với Penrose chứng minh rằng thuyết tương đối rộng sụp đổ tại các kì dị, vì thế bước tiếp theo hiển nhiên sẽ là kết hợp thuyết tương đối rộng – lí thuyết về cái rất lớn – với thuyết lượng tử – lí thuyết về cái rất nhỏ. Đặc biệt, tôi tự hỏi, liệu người ta có thể có các nguyên tử trong đó hạt nhân là một lỗ đen nguyên thủy bé xíu, được hình thành thời vũ trụ xa xưa hay không? Các nghiên cứu của tôi làm sáng tỏ mối liên hệ sâu sắc và chưa từng bị ngờ vực trước đó giữa lực hấp dẫn và nhiệt động lực học, khoa học về nhiệt, và giải được một nghịch lí đã gây bàn cãi hơn ba mươi năm trời mà chẳng có tiến bộ gì nhiều: làm thế nào bức xạ biến mất từ một lỗ đen đang co lại mang theo mọi thông tin về cái đã làm nên lỗ đen đó? Tôi khám phá thấy thông tin không bị mất đi, nhưng nó không hồi phục trở lại theo một cách hữu ích – giống như việc đốt một cuốn bách khoa thư nhưng vẫn giữ lại khói và tro tàn.
Nhằm trả lời câu hỏi này, tôi nghiên cứu các trường lượng tử hay các hạt sẽ tán xạ như thế nào khỏi một lỗ đen. Tôi kì vọng một phần sóng tới sẽ bị hấp thu, và phần còn lại thì tán xạ. Nhưng trước sự bất ngờ kinh khủng của tôi, tôi nhận thấy hình như có sự phát xạ từ chính lỗ đen ấy. Thoạt đầu, tôi nghĩ đây phải là một sai sót nào đó trong tính toán của mình. Nhưng cái thuyết phục được tôi rằng kết quả này có thật là vì sự phát xạ ấy chính là cái cần thiết để nhận ra diện tích chân trời cùng với entropy của một lỗ đen. Entropy là số đo sự mất trật tự của một hệ, và entropy này được lấy tổng theo công thức đơn giản sau đây
Công thức biểu diễn entropy theo diện tích chân trời sự kiện, và ba hằng số cơ bản của tự nhiên, c là tốc độ ánh sáng, G là hằng số hấp dẫn của Newton, và h là hằng số Planck. Sự phát bức xạ nhiệt như thế này ngày nay được gọi là bức xạ Hawking và tôi tự hào đã khám phá ra nó.
Năm 1974, tôi được bầu làm ủy viên Hội Hoàng gia. Việc bầu bán này là cái bất ngờ đối với mọi người trong khoa tôi vì tôi hãy còn trẻ và chỉ là một trợ lí nghiên cứu cấp thấp. Thế nhưng trong vòng ba năm tôi được thăng làm giáo sư. Công trình của tôi về các lỗ đen đã đem lại cho tôi hi vọng rằng chúng ta sẽ khám phá được một lí thuyết về tất cả, và việc đi tìm lời giải ấy là cái thôi thúc tôi làm việc.
Cũng trong năm này, ông bạn Kip Thorne của tôi mời tôi cùng gia đình trẻ của mình, và một số người khác nghiên cứu về thuyết tương đối rộng, đến Viện Công nghệ California (Caltech). Trong bốn năm trước đó, tôi vẫn sử dụng một xe lăn điều khiển thủ công bên cạnh một chiếc xe điện ba bánh màu xanh, chiếc xe lăn bánh ở tốc độ chậm, và thỉnh thoảng tôi cũng chở người trái phép trên nó nữa. Khi chúng tôi đến California, chúng tôi sống trong một căn nhà kiểu thuộc địa mà Caltech sở hữu ở gần khu trường sở và thế là lần đầu tiên tôi có thể hưởng thụ công dụng trọn vẹn của chiếc xe điện. Nó đem lại cho tôi mức độc lập như mong muốn, đặc biệt vì các tòa nhà và lối đi ở Mĩ dễ dàng đi lại cho người tàn tật hơn nhiều so với ở Anh.
Khi từ Caltech trở về vào năm 1975, thoạt đầu tôi cảm thấy hơi tụt hậu. Mọi thứ ở Anh dường như quá bó hẹp và ràng buộc so với kiểu thích gì làm nấy ở Mĩ. Khoảng thời gian ấy, khung cảnh ngổn ngang cây chết do chứng bệnh cây đu Hà Lan gây ra, và khắp đất nước nơi nơi người ta đình công. Tuy nhiên, tâm trạng tôi lâng lâng bay bổng vì tôi đã thấy sự thành công trong công trình của mình và, năm 1979, tôi được bổ nhiệm Giáo sư Toán học ngạch Lucasian, chiếc ghế từng là chỗ của ngài Isaac Newton và Paul Dirac.
Trong thập niên 1970, tôi vẫn chủ yếu nghiên cứu về lỗ đen, nhưng niềm đam mê của tôi với vũ trụ học đã hồi sinh bởi những đề xuất rằng vũ trụ xa xưa từng trải qua một thời kì giãn nở bùng phát nhanh, trong đó kích cỡ của nó đã lớn lên với một tốc độ tăng dần, giống như giá cả thị trường leo thang kể từ vụ bỏ phiếu Brexit của Anh. Tôi cũng dành thời gian làm việc với Jim Hartle, thiết lập một lí thuyết về sự ra đời của vũ trụ mà chúng tôi gọi là (lí thuyết) “không ranh giới”.
Vào đầu thập niên 1980, sức khỏe của tôi bắt đầu tệ đi, và tôi phải chịu đựng những cơn nghẹn kéo dài vì thanh quản của tôi đang yếu đi và để lọt thức ăn vào phổi khi tôi ăn. Năm 1985, tôi mắc viêm phổi trên một chuyến đi đến CERN, Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân châu Âu, ở Thụy Sĩ. Đây là một thời khắc làm thay đổi cuộc đời. Tôi được chuyển gấp đến bệnh viện Lucerne Cantonal và đặt máy thở. Các bác sĩ đề xuất với Jane rằng mọi thứ đã chuyển sang giai đoạn vô phương cứu chữa và họ tắt máy thở để tôi ra đi. Nhưng Jane không chịu và cho trực thăng cấp cứu chuyển tôi về bệnh viện Addenbrooke ở Cambridge.
Giải đáp nhanh những câu hỏi lớn | Stephen Hawking
