"Nghịch lý thông tin lỗ đen" của Stephen Hawking giải quyết vấn đề gì?

• Khám phá bí ẩn bên trong lỗ đen vũ trụ
• Lỗ đen mặt trời: những mô phỏng mới nhất
• Lỗ đen “bộ máy” có hiệu suất cao nhất vũ trụ

Theo Hawking, vũ trụ chẳng qua là một vũ trụ lỗ đen; thay bằng việc vật chất bị nén vào một điểm vô định, vũ trụ hình thành khi một điểm nào đó được mở rộng ra để tạo nên vạn vật mà chúng ta nhìn thấy ngày nay - từ những vì sao đến những hành tinh và con người.

Vật lý cổ điển cho thấy rằng không có gì có thể thoát khỏi một lỗ đen, ngay cả ánh sáng. Cụ thể là năm 1915, Einstein công bố thuyết tương đối tổng quát, trong đó mô tả cách mà lực hấp dẫn sinh ra từ các hiệu ứng uốn cong không - thời gian của vật chất, và vì thế mà các hành tinh quay xung quanh Mặt trời.  Lý thuyết của Einstein cũng đưa ra những dự đoán quan trọng về hố đen, đặc biệt là một hố đen có thể được xác định hoàn toàn chỉ bằng 3 đặc tính: khối lượng, điện tích và sự xoay tròn của nó.

 Vào những năm 1970, Hawking đã cho rằng hố đen có thể có nhiệt độ và có thể từ từ bị rò rỉ ra các hạt lượng tử. Và bởi vì các vật thể nóng bị mất nhiệt vào vũ trụ, nên số phận cuối cùng của một hố đen là bốc hơi mất. Và điều này lại làm nảy sinh một vấn đề. Các quy luật của thế giới lượng tử đòi hỏi thông tin không bao giờ bị mất đi. Vì thế, chuyện gì xảy ra với toàn bộ thông tin chứa trong một vật thể - ví dụ như bản chất các nguyên tử của Mặt trăng - khi nó rơi vào một hố đen?

Ý tưởng này đặt ra một vấn đề: Trong suốt cuộc đời của nó, lỗ đen nuốt rất nhiều thông tin dưới dạng các thiên thể, nhưng thông tin đó đi đâu? Các định luật vật lý cho rằng không có thông tin nào bị mất: Nếu thông tin tồn tại trong quá khứ, chúng ta có thể phục hồi nó. Do đó, nghịch lý xảy ra.

Công trình “nghịch lý thông tin lỗ đen” (Black Hole Entropy and Soft Hair) được hoàn thành chỉ vài ngày trước khi nhà vật lý Hawking qua đời (tháng 3-2018). Trong công trình cuối cùng,  Hawking và các đồng nghiệp đã cho thấy cách mà một số thông tin ít nhất là có thể được khôi phục. Ném một vật thể vào hố đen và nhiệt độ của hố đen phải thay đổi. Vì thế, một đặc tính được gọi là “entropy” - thước đo sự rối loạn bên trong của một vật thể - cũng vậy. Nó sẽ trở nên nóng hơn.

Nhà vật lý Sasha Haco từ Đại học Cambridge và Andrew Strominger từ Đại học Harvard chứng minh rằng entropy của hố đen có thể được ghi lại bởi các photon bao quanh đường chân trời sự kiện của hố đen. Đây là điểm mà ở đó ánh sáng không thể thoát khỏi lực hút khổng lồ của hố đen. Họ gọi ánh sáng xuất hiện tại các photon, khi một vật thể bị hút vào hố đen, là "soft hair" (lông mềm).

Mặc dù vậy, những gì mà nghiên cứu của Hawking và các cộng sự đạt được vẫn chưa phải là lời giải cuối cùng cho nghịch lý thông tin hố đen. Nhà nghiên cứu Perry cho biết không thể chắc chắn entropy giải thích cho tất cả mọi vật thể bị hố đen hút vào, vì vậy vẫn còn nhiều việc phải làm, dựa trên nền tảng nghiên cứu đã mang lại.

Trong số những điều chưa được giải thích, Perry và các cộng sự nay phải khám phá cách thức thông tin kết hợp với entropy được lưu giữ dưới dạng vật lý ở "soft hair" và làm thế nào thông tin thoát ra ngoài khi hố đen biến mất.

Theo Marika Taylor, giáo sư vật lý tại Đại học Southampton, Anh, và đồng thời là học trò cũ của nhà vật lý Hawking: "Nghiên cứu này mang lại một con đường giúp hiểu được entropy cho các hố đen vật lý thiên văn dựa trên các đối xứng của chân trời sự kiện. Các tác giả phải đặt ra nhiều giả thiết đáng nể, bước tiếp theo sẽ là chứng minh những giả thiết này là hợp lý".

Nhà vật lý lý thuyết Juan Maldacena từ Viện Nghiên cứu cao cấp Đại học Princeton cho biết: "Với hố đen, chúng ta hiện chưa biết cấu thành của nó là gì, và liệu chúng có liên quan tới đường chân trời sự kiện của hố đen không. Trong một số hệ thống vật lý có các đối xứng đặc biệt, các đặc tính nhiệt có thể được tính toán theo các đối xứng này. Nghiên cứu này cho thấy chúng ta có một trong những đối xứng đặc biệt này gần chân trời sự kiện của hố đen".

Hiện tại, toàn bộ nghiên cứu đang được hoàn thiện bởi các đồng nghiệp của Hawking tại Đại học Cambridge và  Harvard. Giáo sư vật lý lý thuyết Malcolm Perry của Đại học Cambridge, đồng tác giả của nghiên cứu, cho biết “nghịch lý thông tin” là mối quan tâm lớn nhất của Stephen Hawking trong suốt 40 năm qua.