Cuộc chiến về Lỗ đen (Black hole) pptx

Cuộc chiến về Lỗ đen
(Black hole)
Trên Tạp chí La Recherche số tháng 2.2009 có đăng bài báo của hai tác
giả Paul Davies và Leonard Susskind xung quanh vấn đề: Thông tin về lỗ đen
và vật chất bị nó hút vào có biến mất vĩnh viễn hay không khi lỗ đen bốc hơi?
Câu hỏi này không chỉ liên quan đến lỗ đen mà còn đến bài toán số một của
vật lý là thống nhất lượng tử với hấp dẫn. Vấn đề thông tin quanh lỗ đen đã
phân chia các nhà vật lý thành hai nhóm trong vòng hơn 20 năm: Nhóm thứ
nhất với Stephen Hawking cho rằng, thông tin nói trên sẽ bị mất vĩnh viễn;
nhóm thứ hai với Leonard Susskind thì suy nghĩ ngược lại. Vậy ai đúng ai sai?
Tạp chí Hoạt động Khoa học xin giới thiệu cùng độc giả bài báo lý thú này để
biết quan điểm nào đúng và mối liên quan của vấn đề thông tin này với bài
toán số một của vật lý.
Lỗ đen là gì?
Các ngôi sao với khối lượng lớn hơn hai lần khối
lượng của mặt trời, sau khi đã tiêu hao hết năng lượng
hạtnhâncủa mình sẽ bắtđầucolạidướilựchấp dẫnlớn.
Quá trình co xảy ratương đối nhanh, dẫn đếnhình thành
một lỗ đen.
Đó là một vật thể có mật độ vật chất cao, bán kính bằng bán kính hấp dẫn
R
g
(bán kính hấp dẫn của mặt trời bằng 3 km). Một người quan sát từ bên ngoài
không thể nhận được thông tin về sự tồn tại của lỗ đen, vì ở đấy trường hấp dẫn
quá lớnnên ánh sáng vàvật chất(dođó mọi tín hiệu)đều khôngthoát ra được.
Lúc đầu người ta cho rằng, phát hiện một vật thể “chết” như thế là một điều
vô vọng, nhưng sau này, người ta thấy rằng, lỗ đen được bao quanh bởi môi
trường khí vũ trụ nên nó hút môi trường này như một máy hút bụi khổng lồ, vật
chất bị hút sẽ nóng lên và trở thành nguồn bức xạ tia X rất mạnh, đặc thù cho lỗ
đen.
Bên ngoài lỗ đen có một ranh giới gọi là chân trời sự cố chia không - thời

gianthànhhai miền:Miền ngoài, tínhiệucó thể điravô cựcvàmiềntrong tín hiệu
không thoát ra vô cực được. Trên đường chân trời sự cố, nón ánh sáng chúc
nghiêng vào phía trong lỗ đen nên ánh sáng không thoát ra ngoài được (hình 1).
Sauchântrờisự cố là lỗ đen. Một người quan sáttừ bênngoàikhôngthể biếtgì về
những điều xảy ra sau chân trời sự cố. Chân trời sự cố giống như một màng mà
năng lượngvà thông tin có thể đi vào song không thể thoát rađược.
Bức xạ Hawking
Năm 1975, Stephen Hawking, nhà toán học v
à
vật lý lý thuyết thuộc Đại học Cambridge, tác gi
ả
cuốn“ Lược sử thời gian”
2
đã chứng minh rằng, l
ỗ
đen không hoàn toàn là đen: Vì hiệu ứng lượng t
ử
sinh cặp, một hạt có thể rơi vào lỗ đen còn hạt
kia
vượt được hàng rào thế và thoát ra ngoài vô cự
c
và lỗ đen sẽ bức xạ nhiệt, quá trình này dẫn đến l
ỗ
đen sẽ bốc hơi theo thời gian. Đó là bức xạ
Hawking
nổi tiếng. Kết quả lý thuyết xuất sắc này đã đư
a
Stephen Hawking lên hàng những nhà vật lý l
ý
thuyết lỗi lạc nhất của thời đại. Songđi đôi với kếtquả này là một câu hỏihóc búa

được đặt ra: Liệu thông tin về lỗ đen và vật chất bị lỗ đen hút vào có biến mất
trong vũ trụ khi lỗ đenbốchơi?Câu hỏinàyđượcgọilà nghịch lýthông tin tronglỗ
đen.
Quan điểm của Hawking về vấn đề thông tin liên quan đến lỗ đen trước
năm 2004
Thông tin về các đặc trưng (loại hạt, vị trí, phương thức chuyển động ) của
lỗ đenvàvật chấtrơi vàolỗ đentheoHawking sẽ bị điểmkỳ dị củalỗ đen nuốtmất
và khi lỗ đen bốc hơi thì điểm kỳ dị cũng mất luôn cùng với các thông tin chứa
trong đó.
Stephen Hawking cho rằng, lỗ đen là một thực thể vi phạm nguyên lý bảo
toànthôngtintronglýthuyếtlượngtử (và trong vậtlýnóichung), mộtthựcthể xé
nuốt thông tin.
Năm1997, John Preskin(Viện Công nghệ California)đánh cượcvới Hawking
rằng, thông tin không thể biến mất được trong quá trình bốc hơi của lỗ đen, trái
với điềuHawking suy nghĩ.
Quan điểm của Leonard Susskind
Nhiều nhà vật lý không đồng tình với quan điểm
của Hawking. Leonard Susskind (Đại học Utrecht), một
trong những chađẻ của lý thuyết dây đã xuấtbảntại Mỹ
cuốn sách mang tên “Cuộc chiến về lỗ đen” (The Black
Hole War) mô tả cuộc tranh luận nảy sinh từ năm 1976
giữa nhóm của ông và nhóm của Hawking xung quanh
vấn đề thông tin liên quanđến lỗ đen.
Theo thuyết lượng tử (và cổ điển) thì thông tin không thể mất được. Ví dụ,
khi hai hạt tương tác với nhau chúng ta sẽ có những hạt thứ cấp nào đó, song khi
đocácđặc trưngcủacáchạtthứ cấpnàybaogiờ chúngtacũng cóthể khôiphục lại
được các thông tin về hai hạt ban đầu. Như vậy, thông tin không biến mất. Đó là
một định luật cơ bản quantrọngcủa thuyết lượngtử và nói chung của vật lý học.
Thôngtincóthể bị nhiễuloạn đếnmứckhósử dụng đượcnhưng khôngbiến
mất. Gerard‘t Hooft và Leonard Susskind chorằng, lý thuyếtlượng tử về thông tin

vẫn đúng đối vớinhững điểm tới hạn tronghấp dẫn.
Khái niệm về thông tin và entropy
Năm1948, nhà toánhọc ClaudeE. Shannon (người Mỹ)đã đưavàothôngtin
khái niệm entropy. Entropy thông tin trong một thông điệp là số bit cần thiết để
mã hoá thông điệp đó. Khái niệm entropy của Shannon làm xích gần vật lý thống
kê với thông tin. Như chúng ta biết, entropy không giảm (Định luật 2 nhiệt động
học).
Một đối tượng quan trọng trong việc nghiên cứu entropy là lỗ đen. Năm
1970, Jacob Bekenstein (Đại học Tel-Aviv) đã chứng minh rằng, lượng thông tin
lưu trữ của lỗ đen tỷ lệ thuận với diện tích của lỗ đen.
Jacob Bekenstein chứng minh rằng, khi mộ
t
lượng vật chất rơi vào lỗ đen thì entropy của lỗ đ
en
tănglênđể bùtrừ vào entropydolượng vật chất mấ
t
đi. Nói cách khác, entropy của lỗ đen và vật chấ
t
xungquanh khônggiảm, đó làĐịnh luật2nhiệt độ
ng
họctổngquát- GSL(GeneralizedSecond Law).Năm1970,Hawkingvà Demetrious
Christodoulou (Đại họcPrinceton) độc lập với nhau chứng minh rằng: A - diện tích
lỗ đenkhông giảmtheothời gian:t
2
>t
1
A(t

2
A(t


)
1
),từ đó JacobBekensteincó
cơ sở để đồng nhất entropy với A(với một hệ số là1/4) (hình 4).
Song lỗ đen có bức xạ Hawking, vậy khối lượng giảm, do đó A giảm, vậy
entropy giảm? Thực tế, entropy của bức xạ sẽ bù trừ sự giảm của entropy của lỗ
đen, vậy GSL vẫn đúng.
Susskind xétmộthệ không phải làlỗ đen vàcódiện tíchmặtngoài làA’, nếu
hệ này co thành lỗ đen thì sẽ có A’-A < A’, song theo GSL thì entropy không giảm,
vậy entropy của hệ (nếu không là lỗ đen) với mặt biên A’ nhất thiết phải nhỏ
hơn A’/4.
Tathu đượcmộtkết quả đáng kinhngạc: Thôngtincủa hệ chỉ phụ thuộc vào
diện tíchmặtbiên (mà không phụ thuộc vào thể tích của hệ)!
Nguyên lý toàn ảnh (holography) là gì ?
Như chúng ta đã biết, trong quang học có phương pháp ghi một vật thể 3
chiều bằng một ảnh 2 chiều. Kỹ thuật này gọi là holography (phương pháp toàn
ảnh). Đây là một phương pháp chụp ảnh hiện đại. Holography được phát minh
năm 1948 bởi nhà vật lý người Hungari Dennis Gabor (1900-1979). Nhờ thành
tích này, ông được nhận Giải Nobel năm 1971.
Hologramlàmột ảnh 2D (2chiều), songkhi đượcnhìn dướinhững điềukiện
chiếusángnhấtđịnhthì tạonênmộthìnhảnh 3D(3chiều)trọn vẹn.Mọithông tin
môtả vậtthể 3Dđềuđược mãhoá trênmặt biên2D.Như vậy,chúngta cóhaithực
tại 2D và3Dtương đươngvới nhau về mặt thôngtin.
Năm 1993, Gerard ‘t Hooftđề ra nguyênlý holographic: Theonguyên lý này,
tồn tại mộtvậtlý nD trên mặt biên (khônggiann chiều)môtả được hoàn toànvật
lý(n+1)D của hệ nằm trong mặtbiên (khônggiann+1 chiều). Thôngtintrongmột
thể tích không gian sẽ được lưu trữ trên bề mặt của thể tích đó, ở đấy một bit
thông tin chiếm 1/4 yếu tố diện tích Planck. Đối với lỗ đen, thông tin này sẽ được
mã hóa trênmặt chân trời sự cố của lỗ đen.

Theo nguyên lý holographic, các quy luật vật lý
trên mặt biên (xem là hologram) mô tả tương tác giữa
các hạt như quark, gluon, trong khi các quy luật vật lý
của không gian nằm trong mặt biên được mô tả bởi lý
thuyết siêu dây như thế có chứa cả hấp dẫn.
Bề mặtchân trời 2Dchứamọithôngtin củalỗ đenvà nhữngthựcthể bị nuốt
vào lỗ đen. Do đó, lúc lỗ đen bay hơi thì thông tin sẽ khuếch tán vào trong vũ trụ
dướidạng cácphoton. Các thông tin này có thể bị rối loạn songkhôngbiến mất.
Năm 1996, Cumrum Vafa và Andrew Strominger (Đại học Harvard) đã dùng
lý thuyết dây tạo nên mô hình của một loại lỗ đen bằng các đối tượng gọi là D-
màng và chứng minh được rằng, lượng thông tin hàm chứa trong lỗ đen bằng
lượng thông tin chứa trên bề mặt chân trời sự cố. Sau đó, Curt Callan và Juan
Maldacena (Đại học Harvard) cũng đã dùng lý thuyết dây mô hình hóa quá trình
bay hơi của lỗ đen và nhận thấy rằng, quả là thông tin được bảo toàn trong quá
trìnhbay hơicủa lỗ đen.
Năm 1997, Maldacena đã thực hiện nguyên lý holography nhờ thiết lập mối
quan hệ sau: Một vũ trụ mô tả bởi lý thuyết siêu dây (như vậy có hấp dẫn) trong
một không - thời gian anti-de Sitter
3
5 chiều, tương đương với một lý thuyết
trường lượngtử (khôngchứahấp dẫn)trên mặt biên4 chiều củakhông-thờigian
đó (hình 5).
Bài toán lớn nhất hiện nay của vật lý lượng tử là thống nhất được hai lý
thuyết lớn nhất của thời đại: Lý thuyết lượng tử và lý thuyết tương đối rộng.
Nguyên lý toànảnh hy vọng là mộtphươngán để làm được điều đó!
Như vậy,vấnđề thôngtinliên quanđến lỗ đenlạiliên quanmật thiết đếnbài
toánthống nhất hấp dẫnvà lượng tử.
Công trình của Maldacena gây một tiếng vang lớn trong giới vật lý lý thuyết,
trong vòng 5 năm, công trình này đã được trích dẫn trên 5.000 lần và được xem
như một bước đột phá về quan niệm, tạo nên một cách nhìn mới đối với hấp dẫn

và lý thuyết trườnglượng tử.
Những kết quả quan trọng trên đây đã làm nghiêng cán cân về phía những
người chủ trương thông tin bảo toàn. Trước những kết quả lý thuyết sâu sắc như
vậy, năm 2004, Hawking tuyên bố thua cuộc John Preskin.
Như vậy, bài toán nghịch lý về thông tin trong lỗ đen có thể xem như được
sáng tỏ phần nào. Nguyên lý toàn ảnh khẳng định rằng, mọi thông tin trong lỗ đen
giờ đây được mã hoá trên diện tích chân trời sự cố và thông tin được bảo toàn
trong quá trình bayhơi của lỗ đen.
Tuy nhiên
Cuối cùng, Hawking thú nhận mình thất bạ
i.
ông công nhận rằng, thông tin không mất đi khi l
ỗ
đenbayhơi như ôngnghĩ lúcbanđầu. Song vấn
đề
thông tinliênquanđến lỗ đenvẫncòn đặt ranhiề
u
vấn đề cần được nghiên cứu tiếp: 1) Liệu lý thuyế
t
dây (tuy là một lý thuyết tiên tiến nhất hiện
nay
song không có được một kiểm chứng thực nghiệ
m
nào) có đủ là cơ sở để xây dựng một số minh họ
a
và luận cứ sử dụng trên đây chưa?; 2) Nhiều nh
à
vậtlýcho rằng, tạinhữngđiểmkỳ dị trong hấpdẫncóthể tồntạinhữnglỗ sâu đục
(hình 6) nối liền vũ trụ chúng ta với những vũ trụ khác, và thông tin có thể xuyên
quađó thoátkhỏi vũ trụ củachúngtađể đếnmột vũ trụ khác. Như vậy,về toàncục,

thông tin là bảo toàn song nó cũng có thể biến mất khỏi vũ trụ của chúng ta; 3)
Thông tin liên quan đến lỗ đen bảo toàn nhưng làm thế nào để khôi phục lại nếu
thông tin đó đã bị rối loạn, hoặc đã thất thoát vào mộtvũ trụ khác.
Kết luận
Vấn đề thông tin liên quan đến lỗ đen là một vấn đề lớn bao trùm bài toán
thống nhất lý thuyết hấp dẫn với lý thuyết lượng tử. Vấn đề hiện nay tuy đã cólời
giải có thể chấp nhận được, song nhiều kết quả thu được đều dựa trên những
trường hợp riêng lẻ của lý thuyết dây, ngoài ra, bản thân lý thuyết dây cũng chưa
có được một kiểm chứng thực nghiệm nào. Cho nên, trong vấn đề thông tin liên
quan đến lỗ đencũng tồn tại nhiều câu hỏicần được làm sáng tỏ.