Đoạn Video
Ảnh
Chi Le
Thành viên nổi tiếng
Lỗ đen là một trong những vật thể kỳ lạ nhất trong vũ trụ. Mặc dù chúng ta đã hiểu biết rất nhiều về chúng, nhưng chúng vẫn tiếp tục thách thức sự hiểu biết của chúng ta về vật lý.
Trong nỗ lực dung hòa một số nghịch lý được phát hiện khi nghiên cứu chúng, các nhà vật lý đã đề xuất những giả thuyết kỳ lạ hơn nữa, trong đó có một giả thuyết cho rằng chúng ngụ ý chúng ta đang sống trong một vũ trụ toàn ảnh , nơi tất cả những gì chúng ta nhìn thấy và cảm nhận thực chất được mã hóa tại ranh giới của vũ trụ chúng ta, một biểu diễn 3D (cộng thời gian) của một vũ trụ 2D (cộng thời gian). Hơn thế nữa, một số người cho rằng điều đó có thể ngụ ý rằng vũ trụ của chúng ta nằm trong một lỗ đen của một vũ trụ lớn hơn.
Một số nhà nghiên cứu thậm chí còn phát triển ý tưởng này xa hơn, cho rằng điều đó có thể có nghĩa là toàn bộ vũ trụ của chúng ta tồn tại bên trong một lỗ đen thuộc về một vũ trụ lớn hơn nhiều.
Lỗ đen, được hình thành khi các ngôi sao khổng lồ sụp đổ, là những vùng không gian nơi lực hấp dẫn mạnh đến mức ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát ra. Sự tồn tại của chúng đặt ra một vấn đề khi nghiên cứu chúng theo quan điểm nhiệt động lực học. Trạng thái cuối cùng của một lỗ đen, khi đạt đến trạng thái cân bằng, chỉ phụ thuộc vào ba tham số: khối lượng, động lượng góc và điện tích của nó.
"Trong thuyết tương đối rộng cổ điển, hố đen ngăn chặn mọi hạt hoặc dạng bức xạ thoát ra khỏi 'nhà tù' vũ trụ của nó," nhà vật lý thiên văn người Pháp Jean-Pierre Luminet giải thích trong một bài đánh giá năm 2016. "Đối với người quan sát bên ngoài, khi một vật thể vượt qua chân trời sự kiện, tất cả kiến thức về các thuộc tính vật chất của nó đều bị mất. Chỉ còn lại các giá trị mới của M [khối lượng], J [động lượng góc] và Q [điện tích]. Kết quả là, hố đen nuốt chửng một lượng thông tin khổng lồ."
Nghe có vẻ đơn giản phải không, hoặc ít nhất là đơn giản nhất có thể trong vật lý? Nhưng nếu một lỗ đen có khối lượng (và chúng có rất nhiều khối lượng) thì chúng phải có nhiệt độ theo định luật nhiệt động lực học thứ nhất, và phù hợp với định luật nhiệt động lực học thứ hai, chúng phải bức xạ nhiệt. Stephen Hawking đã chứng minh rằng các lỗ đen phải phát ra bức xạ – hiện được gọi là bức xạ Hawking – được hình thành tại ranh giới của lỗ đen.
"Sau đó, Hawking chỉ ra một nghịch lý. Nếu một lỗ đen có thể bốc hơi, một phần thông tin mà nó chứa sẽ bị mất vĩnh viễn," Luminet tiếp tục. "Thông tin chứa trong bức xạ nhiệt phát ra từ lỗ đen bị suy giảm; nó không tái hiện lại thông tin về vật chất đã bị lỗ đen nuốt chửng trước đó. Sự mất mát thông tin không thể phục hồi này mâu thuẫn với một trong những định đề cơ bản của cơ học lượng tử. Theo phương trình Schrödinger, các hệ vật lý thay đổi theo thời gian không thể tạo ra hoặc phá hủy thông tin, một thuộc tính được gọi là tính đơn nhất."
Đây được gọi là nghịch lý thông tin hố đen, và – do nó dường như vi phạm hiểu biết hiện tại của chúng ta về vũ trụ – nên nó đã trở thành chủ đề của rất nhiều nghiên cứu và tranh luận.
Một giải pháp được đề xuất, ở một mức độ nào đó, đã được tìm thấy bằng cách xem xét nhiệt động lực học của lỗ đen trong bối cảnh lý thuyết dây . Gerard 't Hooft đã chỉ ra rằng tổng số bậc tự do chứa bên trong một lỗ đen được xác định tỷ lệ thuận với diện tích bề mặt của chân trời sự kiện, chứ không phải thể tích của nó. Điều này cho phép xem xét entropy của một lỗ đen.
"Xét về mặt thông tin, mỗi bit dưới dạng 0 hoặc 1 tương ứng với bốn vùng Planck, cho phép tìm ra công thức Bekenstein-Hawking cho entropy," Luminet tiếp tục. "Đối với người quan sát bên ngoài, thông tin về entropy của lỗ đen, từng được mang bởi cấu trúc ba chiều của các vật thể đã vượt qua chân trời sự kiện, dường như bị mất. Nhưng theo quan điểm này, thông tin được mã hóa trên bề mặt hai chiều của lỗ đen, giống như một ảnh ba chiều. Do đó, 't Hooft kết luận, thông tin bị lỗ đen nuốt chửng có thể được khôi phục hoàn toàn trong quá trình bốc hơi lượng tử."
Mặc dù điều này có vẻ an tâm ở một khía cạnh nào đó (lỗ đen không vi phạm định luật thứ hai của nhiệt động lực học, thật tuyệt), nhưng nó dẫn đến một ý tưởng khá kỳ lạ rằng vật lý của một thể tích ba chiều có thể được mô tả tại ranh giới hai chiều của nó.
Mặc dù điều này không đúng với không gian bên ngoài hố đen, nhưng có những giả thuyết cho rằng chính vũ trụ có thể là một hố đen, nơi tất cả các quá trình diễn ra ở ranh giới và những gì chúng ta quan sát được xuất phát từ những tương tác này. Đó là một ý tưởng táo bạo, với những hàm ý còn táo bạo hơn. Ví dụ, người ta đã đề xuất rằng trọng lực có thể phát sinh như một lực mới nổi từ entropy vướng mắc ở ranh giới.
Lý thuyết này không phải là ý tưởng thuyết phục nhất để giải thích vũ trụ của chúng ta, bởi vật lý tiêu chuẩn vẫn mô tả tốt nhất vũ trụ mà chúng ta quan sát được. Nhưng vẫn có những lý do khiến mọi người coi trọng nó.
Thứ nhất, để mô hình hoạt động, bán kính Hubble của vũ trụ – bán kính của vũ trụ quan sát được – phải bằng bán kính Schwarzschild, hay kích thước của lỗ đen sẽ được tạo ra nếu tất cả vật chất bên trong nó được cô đọng lại thành một điểm duy nhất. Trên thực tế, hai con số này khá gần nhau một cách đáng ngạc nhiên, mặc dù điều này cũng có thể được giải thích là do sự trùng hợp ngẫu nhiên trong vũ trụ .
Còn có những lý do khác, chẳng hạn như biểu đồ tổng hợp này , cho thấy chúng ta có thể đang sống bên trong một hố đen của một vũ trụ lớn hơn. Nhưng cho đến khi lý thuyết đó đưa ra được bằng chứng và dự đoán thuyết phục vượt xa hiểu biết vật lý hiện tại của chúng ta, chúng tôi khuyên bạn không nên vội vàng rơi vào khủng hoảng hiện sinh, cho dù bạn là một vật thể 3D trong không gian-thời gian thông thường hay một hình chiếu ba chiều từ một ranh giới 2D bên trong một vũ trụ lớn hơn.
Trong nỗ lực dung hòa một số nghịch lý được phát hiện khi nghiên cứu chúng, các nhà vật lý đã đề xuất những giả thuyết kỳ lạ hơn nữa, trong đó có một giả thuyết cho rằng chúng ngụ ý chúng ta đang sống trong một vũ trụ toàn ảnh , nơi tất cả những gì chúng ta nhìn thấy và cảm nhận thực chất được mã hóa tại ranh giới của vũ trụ chúng ta, một biểu diễn 3D (cộng thời gian) của một vũ trụ 2D (cộng thời gian). Hơn thế nữa, một số người cho rằng điều đó có thể ngụ ý rằng vũ trụ của chúng ta nằm trong một lỗ đen của một vũ trụ lớn hơn.
Một số nhà nghiên cứu thậm chí còn phát triển ý tưởng này xa hơn, cho rằng điều đó có thể có nghĩa là toàn bộ vũ trụ của chúng ta tồn tại bên trong một lỗ đen thuộc về một vũ trụ lớn hơn nhiều.
Lỗ đen, được hình thành khi các ngôi sao khổng lồ sụp đổ, là những vùng không gian nơi lực hấp dẫn mạnh đến mức ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát ra. Sự tồn tại của chúng đặt ra một vấn đề khi nghiên cứu chúng theo quan điểm nhiệt động lực học. Trạng thái cuối cùng của một lỗ đen, khi đạt đến trạng thái cân bằng, chỉ phụ thuộc vào ba tham số: khối lượng, động lượng góc và điện tích của nó.
"Trong thuyết tương đối rộng cổ điển, hố đen ngăn chặn mọi hạt hoặc dạng bức xạ thoát ra khỏi 'nhà tù' vũ trụ của nó," nhà vật lý thiên văn người Pháp Jean-Pierre Luminet giải thích trong một bài đánh giá năm 2016. "Đối với người quan sát bên ngoài, khi một vật thể vượt qua chân trời sự kiện, tất cả kiến thức về các thuộc tính vật chất của nó đều bị mất. Chỉ còn lại các giá trị mới của M [khối lượng], J [động lượng góc] và Q [điện tích]. Kết quả là, hố đen nuốt chửng một lượng thông tin khổng lồ."
Nghe có vẻ đơn giản phải không, hoặc ít nhất là đơn giản nhất có thể trong vật lý? Nhưng nếu một lỗ đen có khối lượng (và chúng có rất nhiều khối lượng) thì chúng phải có nhiệt độ theo định luật nhiệt động lực học thứ nhất, và phù hợp với định luật nhiệt động lực học thứ hai, chúng phải bức xạ nhiệt. Stephen Hawking đã chứng minh rằng các lỗ đen phải phát ra bức xạ – hiện được gọi là bức xạ Hawking – được hình thành tại ranh giới của lỗ đen.
"Sau đó, Hawking chỉ ra một nghịch lý. Nếu một lỗ đen có thể bốc hơi, một phần thông tin mà nó chứa sẽ bị mất vĩnh viễn," Luminet tiếp tục. "Thông tin chứa trong bức xạ nhiệt phát ra từ lỗ đen bị suy giảm; nó không tái hiện lại thông tin về vật chất đã bị lỗ đen nuốt chửng trước đó. Sự mất mát thông tin không thể phục hồi này mâu thuẫn với một trong những định đề cơ bản của cơ học lượng tử. Theo phương trình Schrödinger, các hệ vật lý thay đổi theo thời gian không thể tạo ra hoặc phá hủy thông tin, một thuộc tính được gọi là tính đơn nhất."
Đây được gọi là nghịch lý thông tin hố đen, và – do nó dường như vi phạm hiểu biết hiện tại của chúng ta về vũ trụ – nên nó đã trở thành chủ đề của rất nhiều nghiên cứu và tranh luận.
Một giải pháp được đề xuất, ở một mức độ nào đó, đã được tìm thấy bằng cách xem xét nhiệt động lực học của lỗ đen trong bối cảnh lý thuyết dây . Gerard 't Hooft đã chỉ ra rằng tổng số bậc tự do chứa bên trong một lỗ đen được xác định tỷ lệ thuận với diện tích bề mặt của chân trời sự kiện, chứ không phải thể tích của nó. Điều này cho phép xem xét entropy của một lỗ đen.
"Xét về mặt thông tin, mỗi bit dưới dạng 0 hoặc 1 tương ứng với bốn vùng Planck, cho phép tìm ra công thức Bekenstein-Hawking cho entropy," Luminet tiếp tục. "Đối với người quan sát bên ngoài, thông tin về entropy của lỗ đen, từng được mang bởi cấu trúc ba chiều của các vật thể đã vượt qua chân trời sự kiện, dường như bị mất. Nhưng theo quan điểm này, thông tin được mã hóa trên bề mặt hai chiều của lỗ đen, giống như một ảnh ba chiều. Do đó, 't Hooft kết luận, thông tin bị lỗ đen nuốt chửng có thể được khôi phục hoàn toàn trong quá trình bốc hơi lượng tử."
Mặc dù điều này có vẻ an tâm ở một khía cạnh nào đó (lỗ đen không vi phạm định luật thứ hai của nhiệt động lực học, thật tuyệt), nhưng nó dẫn đến một ý tưởng khá kỳ lạ rằng vật lý của một thể tích ba chiều có thể được mô tả tại ranh giới hai chiều của nó.
Mặc dù điều này không đúng với không gian bên ngoài hố đen, nhưng có những giả thuyết cho rằng chính vũ trụ có thể là một hố đen, nơi tất cả các quá trình diễn ra ở ranh giới và những gì chúng ta quan sát được xuất phát từ những tương tác này. Đó là một ý tưởng táo bạo, với những hàm ý còn táo bạo hơn. Ví dụ, người ta đã đề xuất rằng trọng lực có thể phát sinh như một lực mới nổi từ entropy vướng mắc ở ranh giới.
Lý thuyết này không phải là ý tưởng thuyết phục nhất để giải thích vũ trụ của chúng ta, bởi vật lý tiêu chuẩn vẫn mô tả tốt nhất vũ trụ mà chúng ta quan sát được. Nhưng vẫn có những lý do khiến mọi người coi trọng nó.
Thứ nhất, để mô hình hoạt động, bán kính Hubble của vũ trụ – bán kính của vũ trụ quan sát được – phải bằng bán kính Schwarzschild, hay kích thước của lỗ đen sẽ được tạo ra nếu tất cả vật chất bên trong nó được cô đọng lại thành một điểm duy nhất. Trên thực tế, hai con số này khá gần nhau một cách đáng ngạc nhiên, mặc dù điều này cũng có thể được giải thích là do sự trùng hợp ngẫu nhiên trong vũ trụ .
Còn có những lý do khác, chẳng hạn như biểu đồ tổng hợp này , cho thấy chúng ta có thể đang sống bên trong một hố đen của một vũ trụ lớn hơn. Nhưng cho đến khi lý thuyết đó đưa ra được bằng chứng và dự đoán thuyết phục vượt xa hiểu biết vật lý hiện tại của chúng ta, chúng tôi khuyên bạn không nên vội vàng rơi vào khủng hoảng hiện sinh, cho dù bạn là một vật thể 3D trong không gian-thời gian thông thường hay một hình chiếu ba chiều từ một ranh giới 2D bên trong một vũ trụ lớn hơn.
