Mỗi lỗ đen có một ranh giới gọi là chân trời sự kiện. Đó là nơi lực hấp dẫn vừa đủ mạnh để kéo ánh sáng trở vào và ngăn nó thoát ra. Bởi vì không có gì có thể chuyển động nhanh hơn ánh sáng, cho nên mọi thứ khác cũng sẽ bị hút vào. Rơi qua chân trời sự kiện có chút na ná như vượt thác Niagara trên một cái xuồng. Nếu bạn ở phía trên thác, thì bạn có thể tránh ra xa bằng cách chèo đủ nhanh, nhưng một khi bạn băng ra rìa thác thì bạn tiêu đời. Chẳng có cách nào quay lại nữa. Khi bạn tiến càng gần thác nước, thì các dòng chảy càng xiết hơn. Điều này có nghĩa là nó hút phía trước chiếc xuồng mạnh hơn phía sau. Có nguy cơ chiếc xuồng sẽ bị xé toạc ra. Đó là cái tương tự với các lỗ đen. Nếu bạn rơi vào trong một lỗ đen với hai chân vào trước, thì lực hấp dẫn sẽ hút hai chân bạn mạnh hơn đầu bạn, vì chúng ở gần lỗ đen hơn. Kết quả là bạn sẽ bị kéo dài ra và ép lại ở hai bên. Nếu lỗ đen có khối lượng gấp vài lần Mặt Trời của chúng ta, thì bạn sẽ bị kéo thành sợi mì spaghetti trước khi bạn tiến đến chân trời sự kiện. Tuy nhiên, nếu bạn rơi vào trong một lỗ đen lớn hơn nhiều, với khối lượng gấp một triệu lần Mặt Trời, thì lực hút hấp dẫn lên toàn bộ cơ thể bạn sẽ bằng nhau hết và bạn có thể tiến tới chân trời mà không gặp khó khăn gì. Thế nên, nếu bạn muốn khám phá bên trong của một lỗ đen, thì hãy đảm bảo rằng bạn chọn một lỗ đen to. Có một lỗ đen với khối lượng gấp bốn triệu lần Mặt Trời tại tâm của thiên hà Ngân Hà của chúng ta.
Mặc dù bạn sẽ không để ý thấy chút gì đặc biệt hết khi bạn rơi vào trong một lỗ đen, nhưng một ai đó quan sát bạn từ xa sẽ không bao giờ nhìn thấy bạn băng qua chân trời sự kiện. Thay vậy, bạn có vẻ như chuyển động chậm lại và bay lượn lòng vòng ở bên ngoài. Ảnh của bạn sẽ càng lúc càng mờ dần, và đỏ dần, cho đến khi bạn khuất khỏi tầm nhìn. Trong chừng mực mà thế giới bên ngoài quan tâm, bạn sẽ biến mất mãi mãi.
Không bao lâu sau khi con gái Lucy của tôi chào đời, tôi đã có một thời khắc eureka. Tôi tìm thấy định lí diện tích. Nếu thuyết tương đối là đúng, và mật độ năng lượng của vật chất là dương, như thường xảy ra, thì diện tích bề mặt của chân trời sự kiện, ranh giới của một lỗ đen, có một tính chất là nó luôn luôn tăng khi có thêm vật chất hoặc bức xạ rơi vào trong lỗ đen. Hơn nữa, nếu hai lỗ đen va chạm và hợp nhất thành một lỗ đen, thì diện tích của chân trời sự kiện xung quanh lỗ đen thu được sẽ lớn hơn tổng diện tích của chân trời xung quanh hai lỗ đen ban đầu. Định lí diện tích có thể được kiểm tra thực nghiệm bằng Đài thiên văn Sóng Hấp dẫn Giao thoa kế Laser (LIGO). Vào ngày 14 tháng Chín 2015, LIGO đã phát hiện sóng hấp dẫn đến từ sự va chạm và hợp nhất của hai lỗ đen. Từ dạng sóng, người ta có thể ước tính khối lượng và moment động lượng của hai lỗ đen, và theo định lí không-tóc các giá trị này xác định diện tích chân trời sự kiện.
Các tính chất này đề xuất rằng có một sự tương đồng giữa diện tích chân trời sự kiện của một lỗ đen và vật lí cổ điển thường gặp, đặc biệt là khái niệm entropy trong nhiệt động lực học. Entropy có thể được xem là số đo độ mất trật tự của một hệ, hay tương đương là sự thiếu kiến thức về trạng thái chính xác của nó. Định luật thứ hai nổi tiếng của nhiệt động lực học nói rằng entropy luôn luôn tăng theo thời gian. Khám phá này là dấu hiệu đầu tiên của mối liên hệ trọng yếu này.
Sự tương đồng giữa các tính chất của lỗ đen và các định luật của nhiệt động lực học có thể mở rộng thêm nữa. Định luật thứ nhất của nhiệt động lực học nói rằng một biến thiên nhỏ về entropy của một hệ đi kèm bởi một biến thiên tương ứng về năng lượng của hệ. Brandon Carter, Jim Bardeen và tôi đã tìm thấy một định luật giống vậy liên hệ độ biến thiên về khối lượng của một lỗ đen với độ biến thiên diện tích của chân trời sự kiện. Ở đây hệ số tỉ lệ liên quan đến một đại lượng gọi là lực hấp dẫn bề mặt, đó là một số đo cường độ lực hấp dẫn tại chân trời sự kiện. Nếu người ta đồng ý rằng diện tích của chân trời sự kiện là tương đồng với entropy, thì có vẻ như lực hấp dẫn bề mặt tương đồng với nhiệt độ. Sự tương đồng ấy được củng cố thêm bởi thực tế hóa ra lực hấp dẫn bề mặt là bằng nhau tại mọi điểm trên chân trời sự kiện, y hệt như nhiệt độ là bằng nhau tại mọi điểm trong một vật ở trạng thái cân bằng nhiệt.
Mặc dù có một sự tương đồng rõ rệt giữa entropy và diện tích của chân trời sự kiện, nhưng chúng tôi không thấy ngay được làm thế nào có thể xem diện tích ấy là entropy của chính lỗ đen. Entropy của lỗ đen sẽ có nghĩa là gì? Đề xuất quan trọng được nêu ra vào năm 1972 bởi Jacob Bekeinstein, lúc ấy là một sinh viên mới tốt nghiệp Đại học Princeton. Đề xuất ấy như thế này. Khi một lỗ đen được tạo ra bởi sự suy sụp hấp dẫn, nó nhanh chóng thiết lập một trạng thái ổn định, trạng thái ấy được đặc trưng bởi ba thông số: khối lượng, moment động lượng và điện tích.
Điều này khiến trạng thái lỗ đen sau cùng trông như thể không phụ thuộc vật thể đã suy sụp được làm bằng vật chất hay phản vật chất, hoặc nó có dạng cầu hay một hình dạng vô cùng bất đối xứng nào đó. Nói cách khác, một lỗ đen với một khối lượng, moment động lượng và điện tích cho trước có thể đã hình thành bởi sự suy sụp của bất kì một trong số lượng lớn các cấu hình khác nhau của vật chất. Vì thế cái có vẻ tương tự là lỗ đen đã hình thành bởi sự suy sụp của số lượng lớn loại sao khác nhau. Thật vậy, nếu các hiệu ứng lượng tử là không đáng kể, thì số lượng cấu hình sẽ là vô hạn bởi vì lỗ đen có thể đã hình thành bởi sự suy sụp của một đám mây gồm vô số hạt có khối lượng thấp vô hạn. Thế nhưng số lượng cấu hình thật sự có thể vô hạn hay không?
Cơ học lượng tử vốn nổi tiếng dính líu tới Nguyên lí Bất định. Nguyên lí này nói rằng người ta không thể đo đồng thời vị trí và tốc độ của một hạt bất kì. Nếu người ta đo chính xác nó ở đâu, thì tốc độ của nó là không xác định. Trên thực tế, điều này có nghĩa là người ta không thể định xứ bất cứ thứ gì. Giả sử bạn muốn đo kích cỡ của cái gì đó, thì bạn cần tính xem điểm đầu và điểm cuối của vật chuyển động này là ở đâu. Bạn không bao giờ có thể làm việc này chính xác, bởi vì nó liên quan đến việc tiến hành một phép đo về vị trí của cái gì đó và tốc độ của nó một cách đồng thời. Thành ra, người ta không thể xác định kích cỡ của một vật. Tất cả những gì bạn có thể làm là nói rằng Nguyên lí Bất định khiến ta không thể nói chính xác kích cỡ của cái gì đó là bao nhiêu. Hóa ra Nguyên lí Bất định ấn định một giới hạn đối với kích cỡ của cái gì đó. Sau một chút tính toán, người ta tìm thấy rằng đối với một khối lượng cho trước của một vật, có một kích cỡ tối thiểu. Kích cỡ tối thiểu này là nhỏ đối với các vật nặng, nhưng khi người ta nhìn vào những vật càng nhẹ hơn, thì kích cỡ tối thiểu trở nên càng to hơn. Ta có thể nghĩ kích cỡ tối thiểu này là một hệ quả của thực tế rằng trong cơ học lượng tử, các vật có thể được xem hoặc là sóng hoặc là hạt. Một vật càng nhẹ thì bước sóng của nó càng dài và vì thế nó chiếm nhiều không gian hơn. Một vật càng nặng thì bước sóng của nó càng ngắn và vì thế nó dường như nhỏ gọn hơn. Khi kết hợp các ý tưởng này với thuyết tương đối rộng, nó có nghĩa là chỉ vật nặng hơn một trọng lượng nhất định mới có thể hình thành nên lỗ đen. Trọng lượng đó khoảng bằng trọng lượng của một hạt muối. Một hệ quả nữa của những ý tưởng này là số lượng cấu hình có thể tạo ra một lỗ đen có một khối lượng, moment động lượng và điện tích cho trước, mặc dù rất lớn, song cũng là hữu hạn. Jacob Bekenstein đề xuất rằng từ số lượng hữu hạn này, người ta có thể giải thích entropy của một lỗ đen. Đây sẽ là một số đo về lượng thông tin có vẻ biến mất mãi mãi, trong quá trình suy sụp khi một lỗ đen ra đời.
Điểm yếu chết người dễ thấy trong đề xuất của Bekenstein là rằng, nếu mỗi lỗ đen có một entropy hữu hạn tỉ lệ với diện tích chân trời sự kiện của nó, thì nó cũng phải có một nhiệt độ khác-zero sẽ tỉ lệ với lực hấp dẫn bề mặt của nó. Điều này sẽ ngụ ý rằng mỗi lỗ đen có thể cân bằng với bức xạ nhiệt tại một nhiệt độ nào đó khác zero. Nhưng theo các khái niệm cổ điển, không thể nào có sự cân bằng như thế, vì lỗ đen sẽ hấp thụ bức xạ nhiệt rơi vào trong nó mà theo định nghĩa thì nó sẽ không bao giờ phát ra cái gì trở lại. Nó không thể phát ra bất cứ thứ gì, nó không thể phát xạ nhiệt.
Điều này tạo ra một nghịch lí về bản chất của các lỗ đen, những vật thể vô cùng đậm đặc được tạo ra bởi sự suy sụp của các sao. Một lí thuyết đề xuất rằng các lỗ đen cùng với những tính chất giống nhau có thể được hình thành từ vô số loại sao khác nhau. Một lí thuyết khác đề xuất rằng con số ấy có thể là hữu hạn. Đây là một vấn đề về thông tin – ý tưởng cho rằng mỗi hạt và mỗi lực trong vũ trụ đều chứa thông tin.
Bởi vì các lỗ đen không có tóc, như nhà khoa học John Wheeler đã nêu, nên từ bên ngoài người ta không thể nói được cái gì nằm bên trong một lỗ đen, ngoại trừ khối lượng, điện tích và chuyển động quay của nó. Điều này có nghĩa là mỗi lỗ đen phải chứa rất nhiều thông tin ẩn náu khi nhìn từ thế giới bên ngoài. Nhưng có một giới hạn cho lượng thông tin mà người ta có thể đóng gói vào một vùng không gian. Thông tin đòi hỏi năng lượng, và năng lượng có khối lượng theo phương trình nổi tiếng của Einstein, E = mc2. Vì thế, nếu có quá nhiều thông tin trong một vùng không gian, nó sẽ suy sụp thành một lỗ đen, và kích cỡ của lỗ đen sẽ phản ánh lượng thông tin đó. Nó tựa như việc xếp chồng ngày càng nhiều sách vào thư viện. Cuối cùng, các kệ sách sẽ oằn sập và thư viện sẽ suy sụp thành một lỗ đen.
Nếu lượng thông tin ẩn náu bên trong một lỗ đen phụ thuộc vào kích cỡ của lỗ đen, thì người ta sẽ kì vọng từ các nguyên lí chung rằng lỗ đen đó sẽ có một nhiệt độ và sẽ lóe sáng như một miếng kim loại nóng. Thế nhưng điều đó là không thể bởi vì, như mọi người đều biết, không có gì có thể thoát ra khỏi lỗ đen. Hay người ta cho là như thế.
Vấn đề này vẫn không được giải quyết mãi cho đến đầu năm 1974, khi tôi đang nghiên cứu hành trạng của vật chất trong vùng phụ cận của một lỗ đen sẽ như thế nào theo cơ học lượng tử. Trước sự bất ngờ lớn của tôi, tôi tìm thấy rằng lỗ đen đó dường như phát ra các hạt ở một tốc độ đều đều. Giống như mọi người khác vào thời ấy, tôi tán thành lời tuyên bố rằng lỗ đen không thể phát ra thứ gì hết. Do đó, tôi bỏ rất nhiều công sức nhằm cố gắng gạt đi hiệu ứng gây hoang mang này. Thế nhưng tôi càng nghĩ nhiều về nó, thì nó càng không chịu rời đi, vì thế cuối cùng tôi đành chấp nhận nó. Cái cuối cùng thuyết phục tôi rằng nó là một quá trình vật lí thật sự, đó là các hạt bay ra có một quang phổ chính xác về mặt nhiệt. Các phép tính của tôi dự đoán rằng mỗi lỗ đen tạo ra và phát ra các hạt và bức xạ, y hệt như nó là một vật nóng bình thường, với một nhiệt độ tỉ lệ với lực hấp dẫn bề mặt và tỉ lệ nghịch với khối lượng. Điều này khiến đề xuất gây tranh cãi của Jacob Bekestein, rằng mỗi lỗ đen có một entropy hữu hạn, là hoàn toàn phù hợp, vì nó ngụ ý rằng mỗi lỗ đen có thể cân bằng nhiệt ở một nhiệt độ hữu hạn nào đó khác zero.
Kể từ đó, bằng chứng toán học rằng các lỗ đen phát ra bức xạ nhiệt đã được xác nhận bởi một số người khác với những cách tiếp cận khác hẳn. Một cách hiểu sự phát xạ ấy là như sau. Cơ học lượng tử ngụ ý rằng toàn bộ không gian chứa đầy những cặp hạt và phản hạt ảo không ngớt vật chất hóa thành từng cặp, tách ra rồi kết hợp trở lại, và hủy lẫn nhau. Các hạt này được gọi là ảo bởi vì, không giống như các hạt thật, chúng không thể được quan sát trực tiếp bởi một detector hạt. Tuy vậy, các hiệu ứng gián tiếp của chúng thì có thể đo được, và sự tồn tại của chúng đã được xác nhận bởi một dịch chuyển nhỏ, gọi là dịch chuyển Lamb, mà chúng tạo ra trong năng lượng phổ ánh sáng phát ra từ các nguyên tử hydrogen kích thích. Bây giờ, trong sự hiện diện của một lỗ đen, một thành viên của cặp hạt ảo có thể rơi vào trong lỗ đen, để lại thành viên kia chẳng còn đối hạt để vướng vào hủy lẫn nhau. Hạt hay phản hạt bị bỏ rơi này có thể rơi vào trong lỗ đen theo sau đối hạt của nó, song nó cũng có thể thoát ra vô cùng, tại đó nó xuất hiện như là bức xạ do lỗ đen phát ra.
Một cách khác nhìn vào quá trình này là xét thành viên của cặp hạt rơi vào trong lỗ đen, ví dụ phản hạt, thật ra là một hạt đang du hành ngược thời gian. Như vậy, phản hạt đang rơi vào trong lỗ đen có thể xem là một hạt đang đi ra khỏi lỗ đen nhưng chuyển động ngược chiều thời gian. Khi hạt đi tới điểm tại đó cặp hạt-phản hạt vật chất hóa lúc ban đầu, nó bị tán xạ bởi trường hấp dẫn, thế nên nó chuyển động xuôi chiều thời gian. Một lỗ đen với khối lượng cỡ Mặt Trời sẽ làm rò rỉ các hạt ở một tốc độ chậm đến mức nó sẽ không thể nào được phát hiện. Tuy nhiên, có thể có những lỗ đen mini nhỏ hơn nhiều với khối lượng, nói ví dụ, bằng một ngọn núi. Những lỗ đen này có thể đã ra đời trong vũ trụ rất xa xưa nếu nó đã từng hỗn độn và không đồng nhất. Một lỗ đen cỡ ngọn núi sẽ phát ra tia X và tia gamma, ở tốc độ chừng mười triệu mega-watt, đủ để cấp điện cho toàn thế giới. Tuy nhiên, sẽ chẳng dễ gì khai thác một lỗ đen mini. Bạn không thể giữ nó trong nhà máy điện bởi vì nó sẽ rơi xuyên qua sàn nhà và đi thẳng tới tâm Trái Đất. Giả sử chúng ta có một lỗ đen như thế, thì cách duy nhất giữ được nó là đặt nó vào quỹ đạo xung quanh Trái Đất.
Người ta đã tìm kiếm các lỗ đen mini cỡ khối lượng này, nhưng cho đến nay vẫn chưa tìm thấy gì. Đây là một điều đáng tiếc bởi vì, giả như họ tìm thấy, thì tôi đã giành Giải Nobel rồi. Tuy nhiên, một khả năng khác là có lẽ chúng ta có khả năng tạo ra các vi lỗ đen trong các chiều dư của không-thời gian. Theo một số lí thuyết, vũ trụ mà chúng ta trải nghiệm chỉ là một bề mặt bốn chiều trong một không gian mười hoặc mười một chiều. Bộ phim Interstellar đưa ra một số ý tưởng giúp hình dung điều này. Chúng ta sẽ không nhìn thấy các chiều dư này, bởi vì ánh sáng sẽ không truyền qua chúng mà chỉ truyền qua bốn chiều của vũ trụ của chúng ta. Tuy nhiên, lực hấp dẫn sẽ ảnh hưởng đến các chiều dư đó, và sẽ mạnh hơn nhiều trong vũ trụ của chúng ta. Điều này sẽ khiến cho việc tạo ra một tiểu lỗ đen trong các chiều dư là dễ hơn nhiều. Ta có thể quan sát điều này tại LHC, Máy Va chạm Hadron Lớn, tại CERN ở Thụy Sĩ. Cỗ máy này gồm một đường hầm tròn, chiều dài hai mươi bảy kilo-mét. Hai chùm hạt chuyển động vòng quanh đường hầm này theo hai chiều ngược nhau và được làm cho va chạm nhau. Một số va chạm có thể tạo ra các vi lỗ đen. Các lỗ đen này sẽ phát ra các hạt theo một khuôn mẫu dễ dàng nhận ra được. Thế nên, suy cho cùng tôi có thể giành Giải Nobel đó chứ.*
Khi các hạt thoát ra khỏi một lỗ đen, lỗ đen đó sẽ mất khối lượng và co lại. Điều này sẽ làm tăng tốc độ phát ra các hạt. Cuối cùng, lỗ đen sẽ mất hết toàn bộ khối lượng của nó và biến mất. Vậy điều này xảy ra với tất cả các hạt và các phi hành gia xui xẻo rơi vào trong lỗ đen đó? Họ đâu thể nhảy ra trở lại khi lỗ đen biến mất. Các hạt đi ra khỏi lỗ đen có vẻ hoàn toàn là ngẫu nhiên và chẳng cung cấp liên hệ nào cho cái đã rơi vào. Dường như thông tin về cái đã rơi vào bị mất hẳn, ngoại trừ tổng khối lượng và tổng chuyển động quay. Thế nhưng nếu thông tin bị mất đi, thì điều này làm phát sinh một vấn đề nghiêm trọng chạm tới trung tâm nhận thức của chúng ta về khoa học. Trong hơn 200 năm trời, chúng ta tin tưởng vào tất định luận khoa học – nghĩa là, tin rằng các định luật khoa học định đoạt sự tiến hóa của vũ trụ.
Nếu thông tin thật sự mất đi trong các lỗ đen, thì chúng ta sẽ không thể dự báo tương lai, bởi vì mỗi lỗ đen có thể phát ra bất kì tập hợp hạt nào. Nó có thể phát ra một bộ ti vi đang hoạt động hay một quyển bìa da trong số các tác phẩm hoàn chỉnh của Shakespeare, dù rằng xác suất của những phát xạ lạ lùng như thế là rất thấp. Khả năng cao hơn nhiều là nó phát ra bức xạ nhiệt, giống như ánh chói từ kim loại nóng đỏ. Có vẻ như chẳng vấn đề gì hệ trọng nếu chúng ta không thể dự đoán cái gì thoát ra khỏi các lỗ đen. Chẳng có lỗ đen nào ở gần chúng ta cả. Song đó là một vấn đề trên nguyên tắc. Nếu tất định luận, khả năng dự đoán vũ trụ, sụp đổ cùng với các lỗ đen, thì nó có thể sụp đổ trong những tình huống khác. Có thể có những lỗ đen ảo xuất hiện như các thăng giáng của chân không, hấp thu một tập hợp hạt, phát ra một tập hợp khác rồi biến mất vào chân không trở lại. Tệ hơn nữa, nếu tất định luận sụp đổ, thì chúng ta cũng không thể chắc chắn về lịch sử quá khứ của chúng ta. Các quyển sách lịch sử và kí ức của chúng ta có thể chỉ là ảo giác. Chính quá khứ cho chúng ta biết chúng ta là ai. Không có quá khứ, chúng ta đánh mất danh tính của mình.
Vì thế, điều rất quan trọng là xác định xem thông tin có thật sự bị mất trong các lỗ đen hay không, hoặc trên nguyên tắc nó có thể hồi phục hay không. Nhiều nhà khoa học cảm thấy thông tin sẽ không mất đi, nhưng năm tháng trôi qua chẳng ai đề xuất được một cơ chế để nó được bảo toàn. Sự thất thoát thông tin biểu kiến này, gọi là nghịch lí thông tin, đã gây phiền muộn cho các nhà khoa học trong bốn mươi năm qua, và vẫn là một trong những vấn đề to lớn nhất chưa được giải quyết trong vật lí lí thuyết.
Mới đây, niềm hứng thú với các giải pháp khả dĩ của nghịch lí thông tin đã hồi sinh khi các khám phá mới được thực hiện về việc thống nhất lực hấp dẫn và cơ học lượng tử. Trọng tâm của những đột phá mới này là việc tìm hiểu các đối xứng của không-thời gian.
Giả sử không có lực hấp dẫn và không-thời gian hoàn toàn phẳng. Điều này sẽ giống như một sa mạc hoàn toàn phẳng phiu. Một nơi như thế có hai loại đối xứng. Thứ nhất được gọi là đối xứng tịnh tiến. Nếu bạn di chuyển từ điểm này trong sa mạc đến điểm kia, thì bạn sẽ để ý thấy chẳng có chút thay đổi nào. Đối xứng thứ hai là đối xứng quay. Nếu bạn đứng tại đâu đó trong sa mạc và bắt đầu quay lòng vòng, một lần nữa bạn sẽ để ý thấy chẳng có chút khác biệt nào ở cái bạn nhìn thấy. Các đối xứng này cũng được tìm thấy trong không-thời gian phẳng, không-thời gian người ta tìm thấy khi chẳng có chút vật chất nào hiện diện.
Nếu người ta đưa thứ gì đó vào sa mạc này, thì các đối xứng này sẽ bị phá vỡ. Giả sử có một ngọn núi, một bệ đá và vài bụi xương rồng trong sa mạc, nó sẽ trông khác nhau ở những nơi khác nhau và theo những hướng khác nhau. Điều tương tự đúng với không-thời gian. Nếu người ta đưa các vật thể vào không-thời gian, thì đối xứng tịnh tiến và đối xứng quay bị phá vỡ. Và việc đưa các vật vào không-thời gian là cái gây ra lực hấp dẫn.
Mỗi lỗ đen là một vùng không-thời gian trong đó lực hấp dẫn mạnh, không-thời gian bị biến dạng dữ dội và vì thế người ta kì vọng các đối xứng của nó bị phá vỡ. Tuy nhiên, khi người ta đi ra xa lỗ đen đó, độ cong của không-thời gian càng lúc càng giảm dần. Ở rất xa lỗ đen, không-thời gian trông rất giống với không-thời gian phẳng.
Trở lại thập niên 1960, Hermann Bondi, A.W. Kenneth Metzner, M.G.J. van der Burg và Rainer Sachs đã tiến hành một khám phá thật sự nổi bật rằng không-thời gian ở xa bất kì vật chất nào có một tập hợp vô hạn các đối xứng gọi là siêu tịnh tiến. Mỗi đối xứng này gắn liền với một đại lượng được bảo toàn, gọi là các tích siêu tịnh tiến. Một đại lượng bảo toàn là một đại lượng không thay đổi khi một hệ diễn tiến. Đây là các khái quát hóa của những đại lượng bảo toàn quen thuộc hơn. Ví dụ, nếu không-thời gian không thay đổi theo thời gian, thì năng lượng được bảo toàn. Nếu không-thời gian trông y hệt nhau ở mọi điểm trong không gian, thì động lượng được bảo toàn.
Cái nổi bật ở khám phá về các siêu tịnh tiến là có vô số đại lượng được bảo toàn ở xa một lỗ đen. Chính các định luật bảo toàn này đã đem lại cái nhìn sâu sắc khác thường và ngoài trông đợi vào các quá trình trong vật lí học hấp dẫn.
Vào năm 2016, cùng với các cộng sự của tôi, Malcolm Perry và Andy Strominger, tôi đang nghiên cứu việc sử dụng các kết quả mới này cùng với các đại lượng bảo toàn gắn liền của chúng để tìm một giải pháp khả dĩ cho nghịch lí thông tin. Chúng ta biết rằng ba tính chất thấy rõ của các lỗ đen là khối lượng của chúng, điện tích của chúng, và moment động lượng của chúng. Đây là các tích cổ điển đã được hiểu trong một thời gian dài. Tuy nhiên, các lỗ đen còn mang một tích siêu tịnh tiến. Vì thế, có lẽ các lỗ đen sở hữu nhiều thứ hơn so với chúng ta nghĩ lúc ban đầu. Chúng không trọc đầu hay chỉ loe hoe ba sợi tóc, mà thật ra chúng có một lượng tóc siêu tịnh tiến rất lớn.
Sợi tóc siêu tịnh tiến này có thể mã hóa một số thông tin về cái ở bên trong một lỗ đen. Có khả năng các tích siêu tịnh tiến này không chứa toàn bộ thông tin, song phần còn lại có thể được lí giải bởi một số đại lượng bảo toàn khác, các tích siêu quay, gắn liền với một số đối xứng liên quan khác gọi là các đối xứng siêu quay, cho đến nay chúng vẫn chưa được hiểu rõ. Nếu đúng vậy, và toàn bộ thông tin về một lỗ đen có thể được hiểu theo “các sợi tóc” của nó, thì có lẽ chẳng hề có sự thất thoát thông tin nào hết. Các ý tưởng này vừa được xác nhận cùng với những tính toán mới đây nhất của chúng tôi. Strominger, Perry và tôi, cùng với một sinh viên mới ra trường, Sasha Haco, vừa phát hiện thấy các tích siêu quay này giải thích cho toàn bộ entropy của mọi lỗ đen. Cơ học lượng tử tiếp tục đúng, và thông tin được lưu trữ trên chân trời, tức là bề mặt của lỗ đen.
Các lỗ đen vẫn được đặc trưng chỉ bởi khối lượng toàn phần, điện tích và spin của chúng, nhìn từ bên ngoài chân trời sự kiện, còn chính chân trời sự kiện chứa đựng thông tin cần thiết để cho chúng ta biết về cái đã rơi vào trong lỗ đen theo một cách vượt quá ba đặc trưng này mà lỗ đen có. Người ta vẫn đang nghiên cứu các vấn đề này và do đó nghịch lí thông tin vẫn chưa được giải quyết. Thế nhưng tôi lạc quan rằng chúng ta đang sắp tiến tới một lời giải. Hãy chờ xem nhé.
--
* Giải Nobel không trao cho người đã mất, nên thật đáng tiếc tham vọng này sẽ không bao giờ thành hiện thực.
Phải chăng rơi vào trong lỗ đen là chuyện xấu đối với một nhà du hành vũ trụ?
Chắc chắn là chuyện xấu. Nếu nó là một lỗ đen khối lượng sao, thì bạn sẽ bị làm thành mì spaghetti trước khi đi tới chân trời sự kiện. Mặt khác, nếu nó là một siêu lỗ đen, thì bạn sẽ băng qua chân trời sự kiện dễ dàng, nhưng bạn bị nén mất tiêu tại điểm kì dị.
Stephen Hawking tại chỗ làm việc ở Đại học Cambrige, cuối thập niên 1970.
Giải đáp nhanh những câu hỏi lớn | Stephen Hawking
