Một mô hình mới về lỗ đen nhằm giải quyết nghịch lý thông tin

Theo lý thuyết của Einstein, khi một vật thể bị nén đến một mức độ nào đó thì nó biến thành lỗ đen; trường hấp dẫn của lỗ đen làm cong không gian nhiều đến nỗi không cho bất kỳ một vật gì có thể thoát ra ngoài, (thậm chí ánh sáng) nếu vật đó rơi vào sau chân trời sự cốcủa lỗ đen. Chân trời sự cố của lỗ đen là ranh giới có vào mà không có racủa lỗ đen.

Từ “lỗ đen” do John Wheeler đưa vào vật lý. Sự tồn tại của lỗ đen đã được tiên đoán bởi J.R.Oppenheimer và H. Snyder từ năm 1939 như một hệ quả kỳ lạ song tất yếu của lý thuyết hấp dẫn Einstein.

1.Quá trình hình thành lỗ đen [2]

Sau đây là bức tranh hình thành và tiến triển của lỗ đen. Các ngôi sao với khối lượng lớn hơn hai lần khối lượng của Mặt Trời, sau khi đã tiêu hao hết năng lượng hạt nhân của mình sẽ bắt đầu co lại dưới lực hấp dẫn lớn. quá trình co (collapse) xảy ra tương đối nhanh dẫn đến một lỗ đen.

Đó là một vật thể có mật độ vật chất cao và có bán kính bằng bán kính hấp dẫn Rg( bán kính hấp dẫn của Mặt Trời bằng 3 km). Lỗ đen được đặc trưng một cách đơn trị bởi khối lượng m, mômen xung lượng J và diện tích Q của nó. Lúc đầu người ta cho rằng phát hiện một vật thể “chết” như thế là một điều vô vọng, nhưng sau này người ta tìm thấy, nếu lỗ đen được bao quanh bởi một môi trường nào đó (khí vũ trụ chẳng hạn) thì nó hút môi trường này như một máy hút bụi khổng lồ và vật chất bị hút sẽ nóng lên và trở thành nguồn bức xạ tia X rất mạnh, rất đặc thù cho lỗ đen. Khi lỗ đen ở vùng lân cận của một sao khác và làm thành với sao này một hệ sao đôi thì nó hút vật chất của sao đó và ta có một nguồn bức xạ tia X biến đổi với chu kỳ bằng chu kỳ quay của lỗ đen quanh sao. Nhờ hiện tượng này người ta đã phát hiện ra lỗ đen.

Ngoài các lỗ đen hình thành trong quá trình co, có thể tồn tại những lỗ đen hình thành vì tính không đồng nhất của vật chất ở những giai đoạn sớm của vũ trụ. Những lỗ đen này, gọi là những lỗ đen sơcấp, có khối lượng nhỏ hơn khối lượng Mặt trời.

2. Bức xạ Hawking.

Năm 1975 Stephen Hawking, Đại học Cambridge chứng minh rằng hiện tượng sinh cặp có thể sảy ra với lỗ đen. Vì hiện tượng xảy ra trong một khoảng đồng dạng không gian tương đối lớn, cho nên có thể xảy ra tình huống trong đó một hạt sinh ra nằm dưới chân trời, hạt này có năng lượng âm và người quan sát bên ngoài không thấy được, hạt còn lại vượt tường rào thế và đi ra vô cực. Khi có hạt bay ra vô cực thì ta có hiện tượng bức xạ Hawking(xem hình 1). Vì bức xạ, lỗ đen tiêu hao khối lượng, vậy trọng trường nhỏ đi và nhiều hạt có cơ hội thoát khỏi lỗ đen.

Hawking chứng minh rằng lỗ đen nói chung có khả năng bức xạ photon, nơtrino, graviton giống như một vật đen bị đốt nóng đến nhiệt độ.

Trong quá trình bức xạ, khối lượng lỗ đen càng nhỏ di, đồng thời nhiệt độ hiệu dụng sẽ tăng lên và do đó bức xạ càng lớn. giai đoạn cuối cùng xảy ra dồn dập và dẫn đến một vụ nổ lượng tử.

Bức xạ lỗ đen dẫn đến một nghịch lý thông tin (information paradox). Trong khi lý thuyết tương đối dường như khẳng định rằng thông tin về số vật chất rơi vào lỗ đen sẽ bị mất thì lý thuyết lượng tử lại cho rằng thông tin có thể thoát ra ngoài. Trước đây bản thân Stephen Hawking cũng đưa ra ý tưởng là năng lượng có thể thoát khỏi lỗ đen (nhờ bức xạ Hawling). Song thông tin thì không! Nhưng trong mùa hè vừa rồi Hawking đã thay đổi ý kiến [3] có thể dưới ảnh hưởng của lý thuyết dây(tức lý thuyết lấy yếu tố cơ bản là những dây có kích thước vô cùng nhỏ thay vì các hạt điểm).

Vào khoảng giữa năm 1990 Andrew Strominger và Cumrun Vafa. Đại học Harvard nghiên cứu nghịch lý thông tin trong lỗ đen đã xây dựng tử dâynhững thực thể có thể đồng nhất với lỗ đen. Điều đó cho phép hai tác giả nói trên tính được số trạng thái vi mô và từ đó tính được entropy của lỗ đen. Kết quả tính toán của hai tác giả này trùng với các kết quả tính entropy của Hawking và Jacob Bekenstein thực hiện vào năm 1970. Như chúng ta biết entropy liên quan đén thông tin: entropy biểu diễn số cấu hình xếp đặt của một hệ.

3 . Mô hình quả bóng mờ.

Mô hình cũ và mới của lỗ đen

Trong mô hình của Samir Mathur các dây bện với nhau từ tâm dến biên thành một quả cầu mờ (Fuzzball) và không là một điểm kỳ dị với những ranh giới rõ ràng như trong mô hình cũ. Kích thước của quả cầu theo các kết quả tính toán của Mathur bằng đúng vùng không gian giới hạn bởi chân trời sự cố của mô hình cũ. Như vậy trong mô hình mới chân trời sự cố không còn là một ranh giới sắc nét rạch ròi nữa mà là một vùng mờ (xem hình 2 ). Điều gì sẽ xảy ra đố với thông tin của một hệ bị rơi vào lỗ đen. Samir Mathur giải thích như sau. Hãy tưởng tượng rằng chúng ta rót một hỗn hợp này rơi vào điểm kỳ dị và bị nuốt mất, trong mô hình mới hỗn hợp này rơi vào quả cầu mờ và các thông tin sẽ được mã hoá vào trong dao động của các dây. Bức xạ Hawking sẽ mang theo các thông tin chi tiết về các hạt cà phê và sữa. Vậy ở đây không còn nghịch lý thông tincủa lỗ đen (xem thêm [ 4] ).

CC. biết [1] Jr Minkel, New Scientist, 22/01/2005

[2] Cao Chi, Tổng quan về lỗ đen. Vật lý ngày nay, tháng 10/2004

[3] New Scientist 17/07/2004

[4] Cao Chi, Tia sáng, số 4, 20/02/2006. Những nghiên cứu gần đây cũng tiếp cận giải thích nghịch lý thông tin của lỗ đen bằng nguyên lý toàn ảnh (holographic ): lý thuyết lượng tử hấp dẫn ở vùng trong của không gian anti-de Sitter (AdS) là hoàn toàn tương đương với lý thuyết lượng tử (CFT) của các hạt nằm trên vùng mặt biên; Người ta còn gọi nguyên lý này là mối tương quan ADS / CFT

Nguồn: Vật lý ngày nay, tháng 10/2006.