TẠI SAO STEPHEN HAWKING CHƯA CÓ ĐƯỢC GIẢI NOBEL

 

Tại sao Stephen Hawking chưa có được giải Nobel?

 

 

Nhiều nhà vật lý đặt câu hỏi: Stephen Hawking, tác giả cuốn best-seller “Lược sử thời gian”, nhà vật lý lý thuyết lỗi lạc của thế giới gắn liền tên tuổi với bức xạ Hawking có thể đang chờ đoạt giải Nobel trong tương lai?

Sự phát hiện bức xạ Hawking đã xếp Hawking vào những nhà vật lý lý thuyết hàng đầu của thế giới.Bức xạ Hawking một bức xạ rất cơ bản của vật lý lượng tử đóng vai trò quan trọng trong bức tranh hình thành vũ trụ . Song tiếc thay đến hiện nay bức xạ Hawking vẫn chưa được kiểm nghiệm bằng thực nghiệm.

Một tương tự (analogue) giữa VŨ TRỤ HỌC- VẬT LÝ MÔI TRƯỜNG ĐÔNG ĐẶC trình bày trong bài viết dưới đây hy vọng  cung cấp thông tin về cơ sở vật lý dẫn đến khả năng kiểm nghiệm bức xạ Hawking trong phạm vi phòng thí nghiệm. Diễn biến này có thể làm thay đổi tình huống có lợi cho Hawking. Bài viết dưới đây có thể mang tên là : Một tương tự  giữa Vũ trụ học  & Vật lý các môi trường đông đặc.

 

 

      

 

                   Hình 1. Stephen Hawking đã cùng với Roger Penrose nghiên cứu về các điểm kỳ dị trong lý thuyết tương đối tổng quát Einstein . Tác giả của bức xạ Hawking.Ông bị bệnh ALS (Amyotrophic Lateral Sclerosis-bệnh thần kinh vận động) chỉ giao lưu với xã hội nhờ một thiết bị tổng hợp tiếng nói.

 

Lỗ đen và bức xạ Hawking

 

Lỗ đen

 

Những punxa, quasa đã gây những chấn động lớn trong giới thiên văn học. Song thông báo về sự phát hiện ra lỗ đen năm 1973 còn gây những chấn động to lớn hơn trong những nhà vật lý nghiên cứu thiên văn và lý thuyết hấp dẫn. Hiện nay đa số những nhà vật lý nghiên cứu địa hạt này đều xem lỗ đen đầu tiên trong vũ trụ được phát hiện là lỗ đen trong chùm sao Thiên Nga  Cyg X-1.

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. 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, có bán kính bằng bán kính hấp dẫn R_g (bán kính hấp dẫn của Mặt Trời bằng 3 km). Một người quan sát đứng ở bên ngoài không thể nhận được thông tin về sự tồn tại của các trường vật lý trong lỗ đen, vì ở đấy trường hấp dẫn quá lớn nên mọi tín hiệu đều không thoát ra được. Lỗ đen được đặc trưng một cách đơn trị bởi khối lượng M, mômen xung lượng J và điện 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.

Ta có thể hiểu sự tồn tại của lỗ đen một cách cổ điển như sau (theo Laplace).

Xét một vật thể. Động năng của vật thể phải thắng thế năng thì vật mới thoát khỏi thiên thể:

 (1/2)mv²=GmM/R

m, M - khối lượng của vật thể và thiên thể.

Từ đó có:

 v = (2GM/R)^1/2

Đối với ánh sáng, ta có c = (2GM/R)^1/2, do đó bán kính tới hạn sẽ là:

                                                   R_g=2GM/c²

Đó là bán kính của lỗ đen.

Lỗ đen là những vật thể phát sinh trong quá trình co không xảy ngược lại được của sao. Đặc điểm chủ yếu của lỗ đen là trường hợp dẫn mạnh của nó, mạnh đến nỗi thậm chí ánh sáng phát ra từ bề mặt của lỗ đen cũng không thoát khỏi để đi xa ra ngoài vô tận.

 

     

 

                      Hình 2. Quá trình co của một sao thành lỗ đen

 

Hình vẽ 2  biểu diễn quá trình co của một sao có đối xứng cầu. Trục thời gian hướng từ dưới lên trên. Độ nghiêng của các nón ánh sáng địa phương xác định theo lý thuyết tương đối rộng. Bức tranh các nón ánh sáng cho ta thấy ánh sáng càng ngày càng khó rời khỏi bề mặt của sao và lúc bề mặt của sao trùng với bề mặt lỗ đen thì ánh sáng không thoát  ra vô cực được. Lúc này bán kính của sao bằng bán kính hấp dẫn R_g. Mặt các sóng ánh sáng phát ra lúc bề mặt của sao giao với bán kính hấp dẫn R_g gọi là chân trời biến cố. Chân trời biến cố chia không-thời gian thành hai miền; miền ngoài, tại đấy tín hiệu có thể đi ra vô cực, và miền trong, tại đấy tín hiệu không thoát ra vô cực được. Sau chân trời biến cố là lỗ đen. Một người quan sát từ bên ngoài không thể biết gì về những điều xảy ra sau chân trời biến cố. Chân trời biến cố giống như một màng mà năng lượng và thông tin có thể đi vào song không thể thoát ra được.

Quá trình co 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.

 

Bức xạ Hawking

 

Năm 1974, Hawking đưa ra lý thuyết về bức xạ của lỗ đen: đó là bức xạ Hawking. Theo lý thuyết này, lỗ đen bức xạ giống như một hòn than nóng , với nhiệt độ tỷ lệ nghịch với khối lượng. Ví dụ với một lỗ đen có khối lượng bằng 10 ¹² kg thì nhiệt độ tương ứng sẽ là 10 ¹² độ Kelvin  và lỗ đen sẽ bức xạ các hạt không có khối lượng như photon và các hạt có khối lượng như electron, proton .

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 xảy ra 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 3).

 

                Hình 3. Quá trình sinh cặp trong trường mạnh

 

 

Đường sóng biểu diễn trường ngoài, các điểm A_i 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 4. Chân trời lỗ đen và bức xạ Hawking

 

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

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.

 

Tương tự hiện tượng Hawking trong môi trường đông đặc

 

Sự bay hơi của lỗ đen là một tiên đoán của Hawking sử dụng LTLT (Lý thuyết  lượng tử) trong không gian cong đã gây nhiều ngạc nhiên và kích thích trí tưởng tượng của mọi người. Nhưng hiện tượng này chưa được quan sát thực nghiệm.

Chúng ta chưa có lý thuyết thống nhất hấp dẫn và lượng tử ta, song ta thấy rằng bức xạ nhiệt không phải là bức xạ riêng của lỗ đen mà đó còn là đặc trưng của nhiều hệ tương tự  lỗ đen. Ví dụ một lỗ âm thanh (dumb hole) hình thành khi vận tốc của một chất lỏng vượt qua vận tốc âm thanh tại một mặt kín . Mặt kín này làm thành chân trời âm thanh tương tự như chân trời lỗ đen. Năm 1981 Unruh (hình 5) đã chứng minh rằng sự lan truyền của sóng âm thanh trong một chất lỏng siêu âm (supersonic) hoàn toàn tương tự như sự lan truyền của một sóng vô hướng (scalar) trong không thời gian của một lỗ đen.

 

                  

Hình 5.   William George Unruh, nhà vật lý lý thuyết Canada
sinh năm 1945 tại Winnipeg, Manitoba, Canada, tác giả của hiệu ứng Unruh.

Hãy tưởng tượng bạn là một con cá  và đồng thời là một nhà vật lý sống trong một dòng sông. Trên một điểm của dòng sông có một cái thác dữ dội tại đó vận tốc nước vượt quá vận tốc âm thanh trong nước. Rõ ràng nếu bạn vượt qua điểm thác nước bạn sẽ kêu lên tiếng kêu tuyệt vọng song tiếng kêu đó lẽ dĩ nhiên không đến được tai ai đó ở vùng thượng lưu của thác. Tiếng kêu sẽ  lan truyền trong nước song nước sẽ xóa mất tiếng kêu tại điểm trên thác vì ở đấy vận tốc nước lớn hơn vận tốc âm thanh. Như vậy nếu bạn tiến đến bề mặt đặc thù đó (bề mặt chân trời) thì tiếng kêu phát ra từ các điểm càng gần bề mặt đó thì càng cần nhiều thời gian để thoát đến một điểm xa bề mặt đó. Đây là hiện tượng tương tự hiện tượng xảy ra trong một lỗ đen. Một vật gì rơi qua bề mặt chân trời của lỗ đen thì không thể phát ra được một tín hiệu có khả năng đi ra vũ trụ bên ngoài chân trời (hình 6).

Người ta không thể thấy được những vật đã rơi vào lỗ đen cũng như không thể nghe được điều gì từ mọi vật đã rơi vào một lỗ âm thanh (dumb hole- acoustic hole) tương tự .

                  

           

Hình 6 .  Một mô hình đơn giản mô tả chân trời âm thanh. Các véc-tơ

biểu diễn tốc độ dòng chảy,véc-tơ càng dài thì tốc độ càng lớn.Chân trời

sự cố âm thanh  ( tương tự của chân trời sự cố lỗ đen) xuất hiên khi tốc độ dòng chảy bằng tốc độ âm thanh.

 

Lý thuyết minh họa

 

Một lỗ âm thanh được hình thành khi vận tốc của chất lỏng vượt qua vận tốc âm thanh tại một mặt kín. Mặt kín này tạo thành chân trời âm thanh tương tự như chân trời lỗ đen.

Như trên đã nói năm 1981 Unruh [1] chứng minh  rằng  sự lan truyền sóng âm trong một chất lỏng siêu âm (supersonic) hoàn toàn giống sự lan truyền một sóng vô hướng trong không thời gian lỗ đen.

Như thế lỗ đen âm thanh  đã được tiên đoán từ năm 1981 song lỗ đen âm thanh mới chỉ được tạo ra trong phòng thí nghiệm trong những năm 2009-2010.

Theo Unruh những nhiễu loạn âm thanh  lan truyền trong một chất lỏng không đồng nhất đang chảy được mô tả bởi phương trình:

Bức xạ Hawking là một phát minh kỳ diệu của Hawking: năm 1974 Hawking chứng minh rằng lỗ đen không phải là đen tuyệt đối. Bức xạ này khó quan sát được vì quá bé so với bức xạ phông của vũ trụ.

 Nếu có được kiểm chứng thực nghiêm thì chắc chắn nhà vật lý lý thuyết vũ trụ học này sẽ được giải Nobel danh giá.

Song giờ đây cơ may đoạt giải Nobel của Hawking đã tăng lên nhiều do các  công trình của các nhà vật lý Ý  công bố trên Physical Review Letters. Trong các công trình này các tác giả mô tả thí nghiệm đầu tiên đo được bức xạ Hawking từ một “lỗ đen tương tự” trong phòng thí nghiệm.

Những thí nghiệm

Các nhà vật lý đã đưa ra nhiều ý tưởng thí nghiệm thực hiện tình huống tương tự lỗ đen tuân theo đúng những phương trình cơ bản trong các môi trường đông đặc: khí nguyên tử siêu lạnh, trong các sợi quang học hoặc đơn giản trong các dòng chảy của nước thông thường. Vì không thể trực tiếp quan sát được lỗ đen các nhà vật lý đã tìm nhưng hiện tượng tương tự có khả năng “bắt chước “ cách hành xử của các đối tượng vũ trụ học.

Tồn tại  một tập phong phú các hệ vật lý sở hữu hiện tượng tương tự hiện tượng Hawking bắt đầu từ một dòng nước chảy , một ngưng tụ (condensat) Bose-Einstein đến một nhiễu loạn của hệ số khúc xạ chuyển động RIP (relative index perturbation) trong  điện môi (dielectric).

Nội dung  phương pháp sau là sử dụng laser để tạo nên mặt chân trời.Ánh sáng mạnh có khả năng thay đổi hệ số khúc xạ của môi trường vốn điều khiển vận tốc lan truyền của ánh sáng.

Tia laser cực mạnh tạo nên một đỉnh (peak) của hệ số khúc xạ: những photon trước peak có thể tiếp tục chuyển động về phía trước song những photon sau peak bị hãm lại và bị bẫy như trong một lỗ đen.

Năm 1981 ý tưởng của William Unruh mới chỉ là một ý tưởng thực nghiệm tưởng tượng và bị bỏ quên bởi các nhà vật lý môi trường đông đặc, vật lý nguyên tử, quang học lượng tử. Mãi đến những năm  2009-2010 Daniele Faccio (Đại học Heriot-Watt, Edinbourg, Anh) cùng đồng nghiệp ở Đại học Insubria và Franco Belgiorno (Đại học Milan) đề xuất nhiều thí nghiệm  thực hiện sự tương tự hiệu ứng Hawking.  Xem một sơ đồ thí nghiệm ở hình 7.             

 

           

Hình 7.   Sơ đồ thực nghiệm ghi đo hiện tượng tương tự bức xạ Hawking.

Một xung laser được quy  tiêu điểm vào một khối FS (silica nóng chảy) nhờ thấu kính F. Một thấu kính I tập hợp các photon bức xạ ở góc 90 độ và hường bức xạ vào một phổ kế có kèm CCD (Charge-coupled Device).

 

Các nhà vật lý cho rằng họ đã tìm cách tạo nên bức xạ Hawking trong phòng thí nghiệm chứng minh được tiên đoán của Hawking.

Họ đã tạo ra một vùng không gian trong đó các cặp hạt-phản hạt liên tục sinh và hủy. Hiện tượng chân trời không chỉ tồn tại trong các lỗ đen. Bất cứ trong một môi trường trong đó có sóng lan truyền đều có thể tồn tại một chân trời sự cố và người ta có hy vọng quan sát được bức xạ Hawking.

Họ đã tạo ra bức xạ Hawking bằng cách dùng một xung laser cường độ cao xuyên qua một vật liệu  phi tuyến, tức là một vật liệu trong đó ánh sáng có thể làm thay đổi hệ số khúc xạ (refractive index) của môi trường.

Khi xung lượng chuyển động trong vật liệu làm thay đổi hệ số khúc xạ tạo nên một cung sóng trong đó hệ số khúc xạ lớn hơn rất nhiều so với  xung quanh. Việc tăng hệ số khúc xạ làm cho ánh sáng dừng lại không vào được vùng cung sóng. Điều này tạo nên một bề mặt chân trời mà ánh sáng không lọt vào được. Các nhà vật lý gọi đó là một lỗ trắng (đối tượng nghịch đảo của lỗ đen , lỗ trắng không cho phép ánh sáng đi vào).

Lỗ trắng không khác gì lỗ đen và ta không khó gì hình dung điều gì sẽ xảy ra cho một cặp hạt ảo ở chân trời lỗ trắng. Nếu một cặp hạt đi qua chân trời thì một hạt sẽ bị bẫy và hạt kia được tự do chuyển động và tạo nên những hạt lượng tử .

Họ đã quan sát được bức xạ Hawking dưới dạng  xung hồng ngoại với tần số 850 nm ở góc 90 độ so với xung vào ban đầu  có tần số 1055 nm (xem hình 7 ).Kết quả thu được cần kiểm nghiệm.  

Kết luận   

Bài này cung cấp thông tin đến bạn đọc về khả năng có được giải Nobel của nhà vật lý lý thuyết lỗi lạc Stephen Hawking và song song có đề cập đến một vấn đề lớn hơn: mối tương tự giữa vũ trụ học và vật lý các môi trường đông đặc.

Có thể nói giữa vũ trụ học  và vật lý các môi trường đông đặc có một mối tương tự  quan trọng cho phép chúng ta ánh xạ những hiện tượng vũ trụ đến các hiện tượng của môi trường đông đặc (ví như lỗ đen-black hole &  lỗ âm thanh-dumb hole, acoustic hole).

Chính bức tranh tương tự  này sẽ mở ra những mối liên hệ sâu kín giữa nhiều lĩnh vực của vật lý hiện đại và đồng thời làm tăng cơ may nhận được giải Nobel của Stephen Hawking nếu kết quả các thí nghiệm của những nhà vật lý  được khẳng định.

                                                                                                Cao Chi

Tài liệu tham khảo và chú thích

 

[1] "First Observation of Hawking Radiation" from the Technology Review

[2] Unruh W.G  1981 Experimental black-hole evaporation?. Phys. Rev. Lett.46, 1351–1353. doi:10.1103/PhysRevLett.46.1351. 

[3] M. Visser, “Acoustic black holes: Horizons, ergospheres,

and Hawking radiation,” Class. Quantum Grav. 15, 1767

(1998) [gr-qc/9712010];“Acoustic propagation in fluids: An unexpected exampleof Lorentzian geometry”, gr-qc/9311028;“Acoustic black holes”, gr-qc/9901047.