Stephen Hawking tròn 70 tuổi

Tiểu sử Stephen Hawking được thế giới ngưỡng mộ nhiều nhờ những công trình khoa học độc đáo trong lĩnh vực vũ trụ học và hấp dẫn lượng tử nhất là lỗ đen cùng những sách phổ biến khoa học rất được đông đảo độc giả yêu chuộng.Stephen Hawking giữ ghế GS toán học Lucasian(1) tại đại học Cambridge trong 30 năm (1979-2009).Năm 21 tuổi Stephen Hawking bị mắc chứng ALS (Amyotrophic Lateral Scelerosis)-một chứng bệnh thần kinh vận động-càng ngày càng nặng dẫn ông đến trạng thái gần như tê liệt toàn phần (chân, tay và giọng nói), tuy nhiên trí tuệ ông vẫn minh mẫn. Ông phải giao tiếp với thế giới nhờ một máy tổng hợp tiếng nói (voice synthesizer).Về cuộc sống riêng: Jane Hawking (tên đẻ là Wilde), người vợ thứ nhất của Hawking, đã chăm sóc Hawking đến năm 1991 và họ đã chia tay. Đôi vợ chồng này có 3 đứa con: Robert (1967), Lucy (1969), và Timothy (1979). Sau đó Hawking lấy người vợ thứ hai vốn là cô y tá điều dưỡng của mình - cô Elaine Mason- vào năm 1995. Và tháng 10 năm 2006 Hawking ly dị cô vợ thứ hai.Sơ lược các công trình của Stephen HawkingNhững công trình nổi tiếng nhất của Hawking là những công trình về các điểm kỳ dị trong khuôn khổ lý thuyết tương đối tổng quát (chung với Penrose), về lỗ đen, nhiệt động học lỗ đen và bức xạ lỗ đen.

Lỗ đen và Nhiệt động học lỗ đenNhư chúng ta biết lỗ đen hình thành khi một số sao tiêu hao hết năng lượng hạt nhân của mình và co lại dưới tác động của lực hấp dẫn.Stephen Hawking chứng minh rằng ngoài các lỗ đen hình thành trong quá trình co hấp dẫn, có thể tồn tại những lỗ đen hình thành do tính không đồng nhất của vật chất ở những giai đoạn sớm của vũ trụ. Những lỗ đen này, gọi là những lỗ đen sơ cấp hay nguyên thủy, có khối lượng nhỏ hơn khối lượng Mặt Trời.Quá trình co hấp dẫn sớm hoặc muộn sẽ dẫn đến một điểm kỳ dị như R. Penrose đã chứng minh. Trong vùng kỳ dị các khái niệm thông thường về không-thời gian không còn đúng nữa. Muốn tránh sự xuất hiện những điểm kỳ dị có thể người ta phải tính đến các hiệu ứng lượng tử. Quanh lỗ đen có những vùng như sau: vùng tĩnh, vùng sản công và sau vùng sản công là biên chân trời (xem hình 1).Sở dĩ giới hạn ngoài được gọi là giới hạn tĩnh vì lọt vào giới hạn đó, vật thể không chuyển động ngược với chiều quay của lỗ đen mà bị cuốn theo chiều quay, do đó không đứng yên được. Trong trường hợp lỗ đen không có chuyển động quay thì chân trời và giới hạn tĩnh trùng nhau. Mọi vật rơi vào hình cầu sản công của lỗ đen có chuyển động quay sẽ quay theo lỗ đen. Hãy ném vào lỗ đen có chuyển động quay một vật thế nào cho vật này rơi vào hình cầu sản công và làm nổ vật đó thành hai mảnh. Ta chọn tham số gây nổ thế nào cho một mảnh thu được mômen xung lượng hướng ngược với chuyển động quay của lỗ đen còn mảnh kia bị bắn ra ngoài. Định luật bảo toàn năng lượng cho ta thấy mảnh bắn ra ngoài có năng lượng lớn hơn năng lượng của vật bị ném vào lỗ đen. S. Hawking và J. Bekenstein đã thiết lập được mối quan hệ giữa các đặc trưng của lỗ đen (khối lượng, diện tích, mômen xung lượng và diện tích chân trời) với các đại lượng nhiệt động học (nội năng, nhiệt năng, công năng và entropy) và như thế tìm ra “nhiệt động học lỗ đen”, một môn học mới về lỗ đen.

Từ đó ta có định lý quan trọng của Hawking: diện tích bề mặt lỗ đen A không thể giảm (tương tự như entropy nhiệt động S luôn luôn tăng).Bức xạ HawkingNăm 1974, Hawking đưa ra lý thuyết về bức xạ của lỗ đen: đó là bức xạ Hawking. Kết quả lý thuyết xuất sắc này đã đưa Stephen Hawking lên hàng những nhà vật lý lý thuyết lỗi lạc nhất của thời đại. Theo lý thuyết này, lỗ đen bức xạ giống như một hòn than nóng, với nhiệt độ tỷ lệ nghịch với khối lượng. Vì bức xạ mang theo năng lượng cho nên khối lượng của lỗ đen tiêu hao dần. Càng tiêu hao khối lượng thì nhiệt độ của lỗ đen càng lớn và bức xạ dồn dập. Khi khối lượng chỉ còn chừng 10 6 kg thì lỗ đen nổ trong vòng một giây để thoát một năng lượng bằng năng lượng của một triệu quả bom nguyên tử megaton. Thời gian để một lỗ đen bay hơi hết tỷ lệ với lập phương khối lượng, ví dụ đối với một lỗ đen với khối lượng 1012 kg mặt trời, thời gian bay hơi là khoảng 1010 năm, nhiều lỗ đen nguyên thuỷ đã bay hơi trong lịch sử của vũ trụ.Như chúng ta biết trong trường tĩnh điện mạnh người ta quan sát được hiện tượng sinh cặp (xem hình 2).Đường sóng biểu diễn trường ngoài, các điểm Ai là những điểm tại đó các cặp ảo tán xạ lên trường ngoài. Như thế trong trường hợp tĩnh điện mạnh, cặp hạt sinh ra một cách không định xứ trong một khoảng đồng dạng không gian tương đối lớn. Hiện tượng sinh cặp trong trường tĩnh điện ứng với hiện tượng sinh cặp trong trường hấp dẫn mạnh của lỗ đen. Hawking chứng minh rằng hiện tượng sinh cặp xảy ra với lỗ đen có và không có chuyển động quay.

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 hàng rào thế và đi ra vô cực. Khi có hạt bay ra vô cực thì ta có hiện tượng bức xạ Hawking. Vì bức xạ, lỗ đen tiêu hao khối lượng, vậy trọng trường nhỏ đi và nhiều hạt có cơ hội thoát khỏi lỗ đen (hình 3).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 t = hg/2   cK, K- hằng số Boltzmann.Trong quá trình bức xạ, khối lượng lỗ đen càng nhỏ đi, 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.Lỗ đen mini nguyên thủyNăm 1971 Stephen W. Hawking và Bernard J.Carr đã nghiên cứu sự hình thành những lỗ đen trong thời buổi sơ sinh của vũ trụ, những lỗ đen này gọi là những lỗ đen nguyên thuỷ. Khi vũ trụ hình thành, mật độ vật chất rất cao. Các định luật vật lý cho phép mật độ vật chất đạt đến trị số Planck 1097 kg/m3. Trong những điều kiện mật độ cao lý thuyết tương đối tổng quát cho phép hình thành những lỗ đen có bán kính 10-35 mét (kích thước này gọi là độ dài Planck) với khối lượng bằng 10-8 kg. Đây là những lỗ đen nặng hơn nhiều song nhỏ hơn nhiều so với các hạt cơ bản.Trong quá khứ để cho các lỗ đen nguyên thuỷ được hình thành, cần có sự thăng giáng vật chất tạo nên những vùng có mật độ vật chất cao so với chung quanh.Các lỗ đen sơ cấp (hay nguyên thủy) như trên đã nói là những lỗ đen phát sinh trong những giai đoạn sớm của quá trình phát triển của vũ trụ. Sự tồn tại những lỗ đen này chứng tỏ rằng trong những giai đoạn đó vũ trụ không đồng nhất. Có những vùng ở đấy vật chất co lại và những lỗ đen sơ cấp được hình thành (hình 4).Nếu những lỗ đen cơ bản này ổn định thì trong thời gian hiện tại ta phải quan sát được một số lượng đáng kể của chúng. Những lỗ đen tàn dư (nếu chúng tồn tại) là những vật thể vô nhị của thiên nhiên, trong đó tính vĩ mô và vi mô hòa làm một. Thực vậy, các lỗ đen tàn dư có một khối lượng vĩ mô cỡ 1015 g song lại có một kích thước vi mô cỡ 10-13 cm. Tính chất của các lỗ đen này phụ thuộc vào cấu trúc của không-thời gian ở những vùng rất nhỏ. Như vậy hiện nay trong vật lý thiên văn người ta phân biệt 3 loại lỗ đen: a) Lỗ đen sao - lỗ đen với khối lượng cỡ khối lượng các sao, những lỗ đen này phát sinh ở cuối đời các sao; b) Lỗ đen siêu nặng với khối lượng đến 109M   và hơn thế nữa, ở tâm các thiên hà; c) Lỗ đen sơ cấp hay nguyên thủy. Vấn đề thông tin liên quan đến lỗ đenThông tin từ lỗ đen và vật chất bị nó hút vào có biến mất vĩnh viễn hay không một khi lỗ đen bốc hơi? Câu hỏi này không những 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 từ lỗ đen đã phân chia các nhà vật lý thành hai phía trong vòng hơn 20 năm: phía thứ nhất với Stephen Hawking cho rằng thông tin nói trên sẽ bị mất vĩnh viễn, phía thứ hai với Leonard Susskind suy nghĩ ngược lại. Ai đúng ai sai?Như đã biết năm 1975, Stephen Hawking chứng minh rằng lỗ đen không hoàn toàn là đen: vì hiệu ứng lượng tử sinh cặp, một hạt có thể rơi vào lỗ đen còn hạt kia vượt được hàng rào thế và thoát ra ngoài vô cực và lỗ đen sẽ bức xạ nhiệt (rayonnement thermique), quá trình này dẫn đến lỗ đen sẽ bốc hơi theo thời gian. Đấy là bức xạ Hawking nổi tiếng đã nói ở trên. Song đi đôi với kết quả này là một câu hỏi sâu sắc và hóc búa nhất: liệu thông tin từ lỗ đen và vật chất bị lỗ đen hút vào có biến mất trong vũ trụ một khi lỗ đen bốc hơi? Câu hỏi này gọi là nghịch lý thông tin trong lỗ đen.

Thông tin về các đặc trưng (loại hạt, vị trí, phương thức chuyển động,...) của lỗ đen và vật chất rơi vào lỗ đen theo Hawking sẽ bị điểm kỳ dị của lỗ đen nuốt mất 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 toàn thông tin trong lý thuyết lượng tử (và trong vật lý nói chung), một thực thể xé nuốt thông tin (dévoreurs d’informations). Năm 1997 John Preskin (Viện công nghệ California) đánh cược với Hawking rằng thông tin không thể biến mất được trong quá trình bốc hơi của lỗ đen, trái với điều Hawking suy nghĩ.Nhiều nhà vật lý không đồng tình với quan điểm đó của Hawking. Leonard Susskind, một trong những cha đẻ của lý thuyết dây đã cho xuất bản tại 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 phía ông và phía Hawking chung quanh vấn đề thông tin liên quan đến 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 đo các đặc trưng của các hạt thứ cấp này bao giờ chúng ta cũng có thể khôi phục lại được các thông tin về hai hạt ban đầu. Như vậy thông tin không biến mất: đó là một định luật cơ bản quan trọng của thuyết lượng tử và nói chung của vật lý học.Thông tin có thể bị nhiễu loạn đến mức khó sử dụng được nhưng không biến mất. Gerard ‘ t Hooft và Leonard Susskind (đại học Utrecht) cho rằng lý thuyết lượng tử về thông tin vẫn đúng đối với những điểm tới hạn trong hấp dẫn. Theo nguyên lý toàn ảnh (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. Thông tin tưởng chừng bị biến mất song thực tế được lưu giữ lại trên chân trời của lỗ đen tức trên một mặt tương tự như trong vật lý toàn ảnh thông tin về một mặt 3D được lưu giữ trên một mặt 2D. Đây là biểu hiện của nguyên lý toàn ảnh (holographic principle) đề ra bởi Gerard’t Hooft năm 1993 và thực hiện bởi Maldacena năm 1997 (được viết ngắn gọn là ánh xạ AdS/CFT = anti de Sitter/Conform Field Theory)(2).Bề mặt chân trời 2D chứa mọi thông tin của lỗ đen và những thực thể bị nuốt vào lỗ đen. Do đó lúc lỗ đen bay hơi thì thông tin sẽ khuếch tán vào trong vũ trụ dưới dạng các photon. Các thông tin này có thể bị rối loạn song không biến mất.Những kết quả quan trọng trên đây đã làm nghiêng đòn 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 bay hơi của lỗ đen.

Tuy nhiên... Cuối cùng Hawking thú nhận mình thất bại: ông công nhận rằng thông tin không mất đi khi lỗ đen bay hơi như ông chủ trương lúc ban đầu. Tuy nhiên vấn đề thông tin liên quan đến lỗ đen vẫn còn đặt ra những vấn đề cần được nghiên cứu tiếp: 1/ Liệu lý thuyết dây (tuy là một lý thuyết tiên tiến nhất hiện nay song chưa có được một kiểm chứng thực nghiệm nào) có đủ là cơ sở để xây dựng một số minh họa và luận cứ sử dụng trên đây chưa?2/ Nhiều nhà vật lý nghĩ rằng tại những điểm kỳ dị trong hấp dẫn có thể tồn tại những lỗ sâu đục (hình 5) nối liền vũ trụ chúng ta với những vũ trụ khác và thông tin có thể xuyên qua đó thoát khỏi vũ trụ của chúng ta để đến một vũ trụ khác. Như vậy về toàn cục thông tin là bảo toàn song thông tin 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 thông tin đó nếu thông tin đó đã bị rối loạn, hoặc đã thất thoát vào một vũ trụ khác.Vấn đề thông tin liên quan đến lỗ đen là một vấn đề lớn bao trùm cả bài toán thống nhất lý thuyết hấp dẫn với lý thuyết lượng tử. Vấn đề hiện nay tuy đã có lời 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 đen cũng tồn tại nhiều câu hỏi hoặc về nguyên tắc hoặc về chi tiết cần được làm sáng tỏ. Các sách phổ biến khoa học nổi tiếng của Stephen HawkingStephen Hawking viết rất nhiều sách phổ biến sau đây chỉ nêu ra 2 cuốn best-seller gây nhiều ấn tượng và đặt ra nhiều vấn đề triết học lớn.Lược sử thời gian (A brief history of time)Hơn 20 năm trước Stephen Hawking đã viết cuốn best-seller Lược sử thời gian(3) (hình 6) để giải thích vũ trụ từ đâu đến và sẽ đi đâu. Song cuốn sách này chưa trả lời những câu hỏi sau:- tại sao tồn tại vũ trụ-tại sao có điều gì đó thay vì không có điều gì cả (why is there something rather than nothing)?- vì sao chúng ta tồn tại?- tại sao các định luật lại như thế?- vũ trụ có cần một đấng sáng tạo hay không?Bản thân Einstein cũng mơ ước xây dựng một lý thuyết thống nhất (TOE-Theory of Everything, Lý thuyết của tất cả), một đại thiết kế của vũ trụ. Song trong thời của Einsstein điều này không thực hiện được vì nhiều tương tác chưa được biết đến.Cuốn Lược sử thời gian đã phác họa một số điều cơ bản.Theo Hawking hiện nay sự xuất hiện lý thuyết M và nhiều dữ liệu quan sát từ các trạm thăm dò vũ trụ đã dẫn chúng ta đến gần hơn bao giờ hết một TOE (Theory of Everything-Lý thuyết của tất cả).Lý thuyết M dẫn đến sự tồn tại của đa vũ trụ, đa vũ trụ đã tự tạo một cách tự phát từ “chân không” (nothing)và mỗi vũ trụ có những định luật riêng. Chúng ta xuất hiện trong một vũ trụ từ những thăng giáng nguyên thuỷ của chân không. Trong cuốn Lược sử thời gian, Stephen Haxking viết: nếu chúng ta tìm ra một lý thuyết hoàn chỉnh đó sẽ là một thành tựu lớn của trí tuệ nhân loại – và như thế chúng ta sẽ biết được ý đồ của Chúa.Cuộc đại thiết kế (The grand design) Năm 2010 Stephen Hawking cùng với Leonard Mlodinow (Viện Công nghệ California) công bố cuốn sách The Grand Design (Cuộc đại thiết kế) (hình 6), nhằm trả lời những câu hỏi còn lại sau Lược sử thời gian, cuốn sách cũng nhanh chóng trở thành best-seller như cuốn Lược sử thời gian 20 năm trước đây.Trong cuốn The Grand Design, hai tác giả trên đã đưa ra những quan điểm gây nhiều tranh cãi: - Triết học đã chết vì không đều bước được với khoa học đặc biệt với vật lý học,- Vũ trụ hình thành không cần đến Chúa. Quan điểm này của Hawking & Mlodinow có phần khác so với quan điểm phát biểu trong Lược sử thời gian. Nếu muốn có thể gọi các định luật vật lý là “Chúa” song không tồn tại một Chúa bằng xương thịt mà chúng ta có thể gặp và đặt các câu hỏi. Lý thuyết M lên ngôi ứng viên số một của một lý thuyết tối hậu.Liệu Stephen Hawking có đoạt giải Nobel?Nhiều nhà khoa học cho rằng Stephen Hawking xứng đáng nhận giải Nobel Vật lý về những công trình về lỗ đen và bản thân Hawking dường như cũng hy vọng như vậy. Song tiếc thay nhiều kết quả đang chờ được kiểm nghiệm bằng thực nghiệm và như vậy thời cơ chưa đến với nhà vật lý lý thuyết lỗi lạc đương đại này.

Tài liệu tham khảo và chú thích

[1] Chức vụ GS Lucasian Toán học tại đại học Cambridge là một chức vụ GS thành lập bởi Luca năm 1663 và được vua Charles II chuẩn y vào năm 1664. Đây là một chức vụ hàn lâm danh giá nhất trên thể giới mà một nhà khoa học có thể mơ tưởng đến. Trước Stephen Hawking chức vụ này dược đảm nhiệm bởi Isaac Newton (từ 1669 đến 1702) và Paul Dirac (từ 1932 đến 1969).

[2] Không gian anti de Sitter (AdS) n chiều là không gian hyperbolic n chiều tương tự như không gian Lorentz có độ cong âm. Nhóm conform=nhóm đối xứng gồm các biến đổi kích thước không thời gian+biến đổi Lorentz.Không gian AdS và biến đổi conform xuất hiện trong ánh xạ AdS / CFT (Anti de Sitter / conform Field Theory). Xem thêm: Cao Chi, Vật lý hiện đại, những vấn đề thời sự từ Bigbounce đến vũ trụ toàn ảnh, NXB Tri thức,2011.

[3] Có bản dịch của Cao Chi và Phạm Văn Thiều, NXB Trẻ in lần thứ 10, 2012.