"Đúng, Stephen Hawking đã nói dối chúng ta về lỗ đen"

(Lược dịch bài viết của nhà vật lý thiên văn Ethan Siegel đăng trên tờ Forbes.)

Niềm tin khoa học vĩ đại nhất trong sự nghiệp của Stephen Hawking đã cách mạng hóa cách chúng ta hiểu về lỗ đen. Ông cho rằng lỗ đen không hoàn toàn màu đen, cũng như đưa ra dự đoán vật thể đen được giải phóng khỏi lỗ đen thông qua lập luận lý thuyết Bức xạ Hawking.

Năm 1974, lý thuyết mà ông tạo ra trở thành một trong những mối liên kết sâu sắc nhất từ trước đến nay giữa thế giới lượng tử và thuyết hấp dẫn, chưa kể đến thuyết tương đối rộng của Einstein.

Trong cuốn sách nổi tiếng Lược sử thời gian xuất bản năm 1988, ông khắc hoạ nên bức tranh tổng thể về bức xạ của lỗ đen. Tuy nhiên, một số nội dung trong sách không thật sự chính xác.

Trong 32 năm, góc nhìn của ông về bức xạ khiến nhiều sinh viên vật lý, tín đồ khoa học, thậm chí cả các chuyên gia hiểu sai về vấn đề này.

Những gì Hawking muốn chúng ta tưởng tượng khá đơn giản. Lỗ đen là một vùng không gian với lượng lớn vật chất bị nén chặt đến mức tối đa. Bên trong lỗ đen, ánh sáng cũng không thể thoát ra.

Bất kỳ thứ gì mạo hiểm đến gần đều bị lỗ đen cuốn vào điểm kỳ dị trung tâm. Xung quanh lỗ đen là một mặt xác định bởi phương trình toán học gọi là chân trời sự kiện.

Không gian, về cơ bản, không bao giờ hoàn toàn trống rỗng. Luôn có những thực thể cấu tạo nên không gian trong vũ trụ, đó là các trường lượng tử.

Cũng giống như mọi thực thể lượng tử, năng lượng của một hạt tại vị trí bất kỳ sẽ dao động theo thời gian.

Trong lý thuyết trường lượng tử, trạng thái năng lượng thấp nhất tương ứng với không hạt nào tồn tại. Còn ở trạng thái kích thích, hay trạng thái năng lượng cao hơn, tương tứng với sự xuất hiện của hạt hoặc phản hạt.

Các mô phỏng được dùng để xây dựng nên không gian trống, thực sự trống rỗng, được tạo ra từ các cặp hạt - phản hạt (theo định luật bảo toàn năng lượng) song chỉ tồn tại trong thời gian ngắn.

Chính tại đây, sự mâu thuẫn trong góc nhìn của Hawking xuất hiện. Ông khẳng định, trên khắp không gian, những cặp hạt - phản hạt xuất hiện rồi biến mất, nhưng bên trong lỗ đen, cặp hạt này tự hủy và không có gì xảy ra.

Nhưng ngay gần chân trời sự kiện, một hạt có thể rơi vào lỗ đen, trong khi hạt còn lại thoát ra mang theo năng lượng. Đây là lý do các lỗ đen mất đi khối lượng, phân rã (hay còn gọi là sự bay hơi của lỗ đen) và tạo ra Bức xạ Hawking.

Nếu điều này là đúng, Bức xạ Hawking sẽ bao gồm hỗn hợp 50/50 hạt và phản hạt, loại nào rơi vào hay thoát ra đều sẽ là ngẫu nhiên. Ngoài ra, bức xạ làm cho các lỗ đen bay hơi sẽ được tạo ra từ đường chân trời sự kiện, và mọi bức xạ lượng tử phát ra phải có năng lượng cực lớn, đủ để thoát khỏi lực hút của lỗ đen.

Tuy nhiên, cả 3 ngoại suy trên đều sai.

Thực tế, Bức xạ Hawking chỉ tạo ra các photon, không phải hỗn hợp nào cả và nó phát ra từ các khu vực rộng lớn bên ngoài chân trời sự kiện, không phải bề mặt lỗ đen.

Ngoài ra, các hạt lượng tử riêng lẻ năng lượng ít sẽ phân bố ở những nơi ngẫu nhiên khác trong phạm vi lớn.

Đó là điểm mấu chốt đằng sau lý thuyết về Bức xạ Hawking mà chính ông, hơn ai hết biết rõ điều đó.

Điều đáng nói ở cách giải thích này là nó đã không được ông đề cập đến trong các bài báo khoa học về chủ đề liên quan. Hawking biết rằng sự thiếu sót trên sẽ dẫn đến việc các nhà vật lý hiểu sai về bức xạ Hawking, nhưng ông vẫn chọn trình bày nó trước công chúng dù không phải ai cũng đủ khả năng hiểu rõ các hiện tượng trên.

Tuy nhiên, những điều trên cũng chẳng thể phủ nhận thành tựu to lớn mà Hawking đã đóng góp cho vật lý thiên văn. Chính ông là người đã tìm ra mối liên hệ sâu sắc giữa nhiệt động lực học, entropy và nhiệt độ của lỗ đen. Cũng chính Hawking đã kết hợp lý thuyết trường lượng tử và sự bẻ cong không gian của lỗ đen, tìm ra các tính chất, phổ năng lượng bức xạ mà lỗ đen tạo ra.

Stephen Hawking biết các hố đen thực sự phân rã như thế nào, nhưng ông đã kể cho thế giới nghe một câu chuyện khác. Đây là lúc tất cả phải biết được sự thật.