Nghịch lý gần 50 năm của lỗ đen đã có lời giải

Thông tin về sự hình thành lỗ đen có thể được tìm thấy dưới dạng bức xạ mà nó phát ra, theo nghiên cứu mới giải thích nghịch lý Hawking. Ảnh: NASA.

Theo nhà vật lý lý thuyết Stephen Hawking, các lỗ đen từ từ biến mất vì chúng rò rỉ một lượng bức xạ, được gọi là "bức xạ Hawking", nhưng dưới dạng năng lượng nhiệt. Bức xạ có thể mang thông tin về nguồn phát ra nó, nhưng nhiệt thì không. Vì thế, khi các lỗ đen dần biến mất, mọi thông tin về ngôi sao đã tạo ra chúng cũng biến mất theo.

Điều này trái với các định luật của cơ học lượng tử, nói rằng thông tin không thể bị phá hủy và trạng thái cuối cùng của một vật thể có thể tiết lộ manh mối về trạng thái ban đầu. Đây được gọi là "nghịch lý thông tin Hawking".

Nghịch lý Hawking

Lỗ đen là những vật thể nặng đến mức không gì có thể thoát khỏi lực hấp dẫn của chúng, kể cả ánh sáng. Chúng hình thành khi những ngôi sao khổng lồ tự sụp đổ.

Trong vật lý cổ điển, lỗ đen được coi là những vật thể rất đơn giản, có thể được đặc trưng bởi ba con số - khối lượng, động lượng góc và điện tích, Xavier Calmet, giáo sư vật lý tại Đại học Sussex, giải thích. Tuy nhiên, ngôi sao ban đầu sinh ra lỗ đen là một vật thể vật lý thiên văn phức tạp, bao gồm proton, electron và neutron kết hợp với nhau để tạo thành các nguyên tố hóa học của ngôi sao đó, Calmet lưu ý.

Mặc dù các lỗ đen không mang dấu vết về các nguyên tố hóa học phức tạp này, các quy tắc của vật lý lượng tử nói rằng thông tin không thể bị xóa khỏi vũ trụ. Do đó, về lý thuyết, từ các bức xạ mà lỗ đen phát ra, vẫn có thể khôi phục thông tin về ngôi sao phức tạp ban đầu.

Vào năm 1976, Stephen Hawking đã "làm hỏng" quy tắc này khi cho rằng lỗ đen liên tục phát ra một loại bức xạ. Sự rò rỉ bức xạ này khiến các lỗ đen dần bốc hơi và cuối cùng là biến mất hoàn toàn. Nhưng bức xạ này phát ra dưới dạng nhiệt, đồng nghĩa với việc mọi thông tin về ngôi sao sinh ra lỗ đen cũng đã biến mất.

"Điều này đi ngược với các quy tắc vật lý lượng tử, cho rằng 'cuộc sống' của lỗ đen có thể được tua lại, và thông qua bức xạ có thể hình dung lại lỗ đen và ngôi sao đã tạo ra nó", Calmet nói.

Giải mã nghịch lý lỗ đen

Calmet đã dành gần 3 năm để giải mã nghịch lý Hawking. Trong nghiên cứu mới, ông đã đánh giá lại các tính toán của Hawking năm 1976, nhưng lần này tính đến tác động của "lực hấp dẫn lượng tử"  - mô tả lực hấp dẫn theo các nguyên tắc của cơ học lượng tử  -  điều mà Hawking đã không làm.

"Mặc dù những hiệu chỉnh hấp dẫn lượng tử này rất nhỏ, nhưng rất quan trọng đối với sự bốc hơi của lỗ đen. Chúng tôi đã có thể chỉ ra rằng những hiệu ứng này làm bức xạ Hawking không còn là năng lượng nhiệt, và có thể chứa thông tin", Calmet nói.

Nhóm nghiên cứu của Calmet cũng đã xác định được hiện tượng vật lý mà theo đó thông tin thoát ra khỏi lỗ đen thông qua bức xạ Hawking, và cách một người quan sát bên ngoài có thể lấy được thông tin này để phục dựng lỗ đen và ngôi sao ban đầu. Dù vậy quy trình này chưa thể thực hiện được trên thực tế, vì đòi hỏi một thiết bị đủ nhạy để đo bức xạ Hawking, hiện chưa tồn tại.