TƯỜNG LỬA QUANH LỖ ĐEN
Mô hình tường lửa quanh Lỗ đen
Để lý giải các nghịch lý entropy và
thông tin Joseph Polchinski (Đại học California) đã đưa ra mô hình tường lửa
quanh lỗ đen.Đó là một vành đai chứa những hạt cơ bản năng lượng cao có khả
năng làm gẫy đứt mối liên đới lượng tử của
hạt rơi vào và thoát ra khỏi lỗ đen.Tường lửa này đã hòa lẫn hấp dẫn và
lượng tử. Sau đây là bài viết của Polchinski đăng trên Scientific American số
tháng 4/2015
Joseph Polchinski
Theo GR (General
Relativity-Lý thuyết tương đối tổng quát) của Einstein thì không có dấu hiệu gì
đặc biệt đột biến khi một nhà du hành vượt qua đường chân trời sự cố(event
horizon)–tức ranh giới có đường vào mà không có lối ra của lỗ đen-xem hình 1.
Khi rơi vào lỗ đen ta chỉ cảm thấy một quá trình rơi, rơi và rơi vào một cái hố
đầy bóng tối.
Song tác giả Polchinski cùng
đồng nghiệp, khi xét lại vấn đề dưới ánh sáng của những phát hiện mới, thì nhận
được một bức tranh khác với bức tranh trên phác họa theo GR của Einstein. Nhà
du hành rơi vào lỗ đen sẽ gặp phải một bức tường lửa chết người gồm các hạt cơ
bản năng lượng cao tại đường chân trời sự cố.Bức tường đó rất có thể là chỗ kết
thúc của không gian.
Tác giả cùng đồng nghiệp đã
đi đến kết luận trên khi sử dụng LTD (Lý thuyết dây) và một lý luận sắc sảo của
Hawking năm 1970.Hawking đã lưu ý đến hai bức tranh đối ngược nhau của GR và CHLT (Cơ học lượng tử) tại những vùng
cực đoan như vậy. Theo lý luận của Hawking hoặc GR hoặc CHLT có chỗ sai sót.
Điểm kỳ dị
Theo GR nếu khối lượng một
thiên thể đủ lớn thì sẽ phát sinh sự co lại của thiên thể đó vì hấp dẫn và cuối
cùng ta có một lỗ đen.Sự co hấp dẫn này dẫn đến một điểm kỳ dị ở đấy không thời
gian đậm đặc và có độ cong vô cùng.
Một phi hành gia rơi vào lỗ
đen không thể thoát khỏi ra ngoài và bị kéo vào lỗ đen. Ngay cả ánh sáng khi
bước qua khỏi đường chân trời sự cố của lỗ đen cũng không thể thoát trở lại ra
ngoài được nữa.Theo GR một nhân vật rơi vào lỗ đen sẽ cảm thấy những định luật
vật lý giống như ở những nơi khác khi nhân vật đi qua đường chân trời sự cố.
Hình 1. Lúc ánh sáng ở ngoài vùng tĩnh thì tia sáng có quyền
đi theo hướng nào tùy thích. Khi lọt vào trong giới hạn tĩnh thì tia sáng còn
khả năng thoát khỏi lỗ đen song chỉ có thể thoát về phía hướng theo chiều quay
của lỗ đen. Càng xuống sâu đến vùng chân trời sự cố thì nón ánh sáng càng chúc xuống cho nên khả
năng thoát khỏi lỗ đen tuy vẫn còn nhưng giảm đi. Đến lúc lọt sâu sau chân trời
sự cố thì ánh sáng mất khả năng thoát khỏi lỗ đen.
Bức xạ lỗ đen
Năm 1974 Hawking đưa ra một
giả thuyết về bức xạ lỗ đen gây nhiều kinh ngạc trong giới vật lý .Nhiều cặp
hạt sinh và hủy liên tục trong vũ trụ và nếu hiện tượng đó xảy gần lỗ đen ngay
gần đường chân trời sự cố thì cặp hạt đó có thể tách rời nhau : một hạt rơi vào
điểm kỳ dị một hạt thoát ra ngoài mang theo một phần khối lượng và ta có bức xạ
Hawking. Nếu lỗ đen không cô lập thì khối lượng bù đắp từ bên ngoài là lớn hơn
so với khối lượng mất đi vì bức xạ. Nhưng nếu lỗ đen cô lập thì lỗ đen dần bốc
hơi. . Hiện tượng này dấy lên nhiều thách đố về các định luật vật lý trong lỗ
đen. Hawking đưa ra hai điểm mâu thuẫn giữa CHLT và GR.
Bài toán entropy
Phổ bức xạ Hawking gợi ý
rằng lỗ đen phải có nhiệt độ.Nhiệt độ là
do sự chuyển động các nguyên tử trong một vật thể nào đó. Nhiệt độ của lỗ đen
buộc rằng lỗ đen phải có một hạ cấu trúc
(substructure)-một tập các
blốc cơ bản (hay bit) cấu tạo
nên lỗ đen, tập này tự sắp xếp theo một cách nào đó. Jacob D.Bekenstein (Đại
học Hebrew, Jerusalem) cũng đã đi đến kết luận đó.Khả năng các kiểu sắp xếp
khác nhau dẫn đến số đo mất trật tự và đó
chính là entropy theo bức tranh CHLT của bức xạ Hawking.Entropy là thước đo của
mất trật tự, entropy tăng khi số trạng thái của vật tăng và như thế số cấu hình
sắp xếp các trạng thái tăng lên.Các công trình của Bekenstein và Hawking dẫn
đến những công thức cho số bit , số đo entropy của lỗ đen.
Song entropy cho lỗ đen lại
bị cấm bởi GR vì GR buộc rằng lỗ đen phải nhẵn hoàn toàn không có hạ cấu trúc
nào cả.GR mô tả lỗ đen như một hình học nhẵn đều và chỉ rằng mọi lỗ đen cùng
khối lượng, spin và điện tích phải trông giống nhau: và nói như Wheeler (Đại
học
(xem hình 2).
Nghịch lý thông tin
Theo CHLT thì thông tin được
bảo toàn (vì tính unitarity), không bao giờ bị biến mất .Song bức xạ Hawking
buộc rằng lỗ đen phá hủy thông tin của vật chất rơi vào lỗ đen vì các hạt thoát
ra ngoài hoàn toàn không phụ thuộc vào các tính chất của các nguyên tử ban đầu
rơi vào lỗ đen. Hawking gợi ý rằng CHLT phải được thay đổi để cho phép hiện
tượng mất thông tin trong lỗ đen có thể xảy ra.
Bức xạ Hawking gây nên một thách thức đối với CHLT. Ví dụ ta
gửi một thông điệp vào lỗ đen thì ta không thu lại được thông tin trong thông
điệp từ những hạt bay ra.Một thông điệp bay vào đường chân trời không thể ảnh
hưởng đến mọi điều bay ra sau, bởi vì không thông tin nào thoát ra ngoài từ lỗ
đen.
Trong CHLT mọi hệ được mô tả
bởi một hàm sóng.Trong thí nghiệm tưởng tượng của Hawking sự mất thông tin có
nghĩa rằng chúng ta không có cách gì để tiên đoán hàm sóng của bức xạ Hawking
dựa trên những tính chất của khối lượng đi vào lỗ đen. Song sự mất thông tin là
điều cấm đối với CHLT do đó Hawking kết luận rằng những định luật vật lý phải
thay đổi thế nào đó để chấp nhận hiện tượng mất thông tin này.
Ta có thể nghĩ rằng lỗ đen đã
phá hủy thông tin-lỗ đen phá hủy mọi vật đi vào lỗ đen.Bây giờ hãy so sánh với
ví dụ đốt một bức thư.Thông điệp trong bức thư bị phá hủy và thực tế khó lòng
khôi phục lại từ khói tàn dư.Song theo CHLT khói có thể mô tả bởi hàm sóng phụ
thuộc vào thông điệp ban đầu cho nên có thể khôi phục lại thông điệp từ hàm
sóng.Trong trường hợp lỗ đen ta không có được một hàm sóng nào cho bức xạ cuối
cùng.
Dựa theo ví dụ trên nhiều nhà
lý thuyết cho rằng Hawking sai vì ông nhầm việc thông tin bị trộn rối với việc
thông tin bị mất.
Một cách lý luận cho rằng lỗ
đen cuối cùng sẽ để lại một tàn dư vi mô trong đó có lưu trữ mọi thông tin ban
đầu.Song lý luận này dẫn đến một vật vi
mô lại chứa nhiều thông tin, như vậy sẽ mâu thuẫn với ý tưởng về entropy của
Bekenstein-Hawking .
Hình 2.Mâu thuẫn giữa GR
và CHLT
Hình 3. Mô hình tường lửa
Trong cố gắng lý giải những
nghịch lý trên các nhà vật lý tìm cách thống nhất GR và CHLT vào một lý thuyết
có khả năng mô tả lỗ đen.Một hướng đột phá là LTD cho rằng hạt là sự dao động
của dây.Dường như LTD đem đến hy vọng cho việc giải quyết bài toán entropy và
nghịch lý thông tin.
LTD dẫn đến một kết luận khá
ngạc nhiên: lỗ đen phải bị bao bọc bởi những tường lửa-tường của những hạt làm
nghẽn mọi vật gặp phải chúng.Các bức tường lửa làm tan vỡ các định luật vật lý tại
biên các lỗ đen và có thể dẫn đến những kết luận cực đoan , như tường lửa đánh
dấu sự kết thúc của không thời gian (xem
hình 3).
Ý tưởng của tác giả về tường lửa gặp phải thái độ nghi ngờ của
nhiều nhà vật lý. Tác giả Polchinski lại tin rằng ý tưởng đó sẽ dẫn đến một sự
hiểu biết đầy đủ hơn về GR & CHLT và cuối cùng giải thích được sự mâu thuẫn
biểu kiến giữa CHLT & GR.
Lỗ đen và màng (brane)
LTD có khả năng đề cập đến
những vấn đề khi CHLT và GR xung đột nhau như trong trường hợp lỗ đen. LTD được
sử dụng để loại bỏ một số khó khăn khi tổng hợp CHLT và GR.
Một đột phá xuất hiện năm 1995
khi các nhà vật lý nghiên cứu dây ở những không gian rất nhỏ.Họ thấy rằng trong
LTD tồn tại những đối tượng có số chiều lớn hơn 4 chiều gọi là những D-màng cuộn
(wrap) trong những chiều ẩn khó phát hiện. Năm sau Andrew Strominger và Cumrun
Vafa (Đại học Harvard) chứng minh rằng dây+D-màng tạo ra đúng số bit để tính
entropy của lỗ đen ít nhất với một số hình học của lỗ đen. Như vậy nghịch lý
được vén mở một phần.
Đối ngẫu AdS/CFT
Năm 1997 Juan Maldacena (Viện Princeton)
phát hiện một cách tiệp cận vấn đề này-được gọi là đối ngẫu Maldacena (còn gọi
là đối ngẫu AdS/CFT)-xem chú thích [1]. Maldacena chứng minh rằng CHLT+GR dựa
trên LTD trong một vùng tương đương với một lý thuyết trường nhất định trên
biên của vùng đó.Ở đây vật lý lượng tử
của lỗ đen tương đương với vật lý của một khí các hạt nóng. Giống như một không
gian 3-chiều chiếu xuống một hình cầu 2-chiều cơ bản hơn.
Maldacena (Đại học Harvard ) đưa ra kết
luận: vùng 3-chiều của vũ trụ chúng ta có thể mô tả nhờ thông tin mã hóa trên
biên 2-chiều, tương tự như ánh sáng laser có thể mã hóa không gian 3-chiều nhờ
một hologram 2-chiều. Nói cách khác Vũ trụ là hình chiếu của thông tin nằm trên
biên 2-chiều
Theo Maldacena thì vũ trụ 3-chiều chứa dây
và lỗ đen điều khiển bởi hấp dẫn có biên là mặt 2-chiều trên đó các hạt cơ bản
và trường tuân theo những định luật vật lý không có hấp dẫn . Maldacena đã tìm
thấy cuốn tự điển cho phép tra cứu các hiện tượng trong không gian 3-chiều diễn dịch sang không gian 2-chiều
và ngược lại.
Như thế sự bốc hơi của lỗ đen 3-D có thể mô tả bởi không
gian 2-D trong đó không có hấp dẫn chỉ còn CHLT mà CHLT không cho phép thông
tin mất đi (bảo toàn –do unitarity). Vậy nếu thông tin bảo toàn ở đấy thì trong
thế giới 3-chiều thông tin cũng phải bảo toàn và thoát ra khỏi lỗ đen.
Câu hỏi tiếp theo về sự mất
thông tin? Nếu Maldacena đúng thì thông tin không bị mất.Sau bốc hơi một lỗ đen
không để lại một tàn dư nào cả vậy thông tin sẽ thoát ra ngoài cùng với bức xạ
Hawking.Lý thuyết Maldacena là một tiếp cận với vấn đề thống nhất CHLT và GR và
việc hóa giải nghịch lý về entropy và việc mất thông tin.
Vì kết quả đó của Maldacena mà
Hawking (vốn chủ trương thông tin bị mất trong lỗ đen) tuyên bố thua cuộc trong
vụ đánh đố với nhà vật lý John Preskill (chủ trương thông tin bảo toàn) ở Hội
thảo về GR tại Dublin.
Song lý thuyết Maldacena cũng
chưa cho ta thấy rõ bằng cách nào thông tin thoát ra ngoại vùng từ nội vùng của
lỗ đen.
Sau gần 20 năm Leonard Susskind
(Đại học Stanford)và Gerard’t Hooft (Đại học
Tường lửa
Đối ngẫu Maldacena + nguyên
tắc bổ sung cho lỗ đen dường như xua tan được các nghịch lý song nhiều chi tiết
cần làm sáng tỏ.Ba năm sau nhóm AMPS (xem chú thích [2]) đưa ra mô hình dựa
trên ý tưởng của Samir D.Mathur (Đại học Ohio), Steven Giddings (U.C. Santa
Barbara), Samuel Braunstein (Đại học York).Trong quá trình cải tiến mô hình, nhóm AMPS chú ý đến
hiện tượng liên đới lượng tử (quantum entanglement). Hai hạt được gọi là liên đới lượng tử khi đo các đặc trưng
của hạt này ta biết được các đặc trưng của hạt kia.Song nếu hạt A liên đới với
hạt B thì không thể liên đới lượng tử với hạt C nào nữa (nói nôm na là có chế
độ một vợ một chồng trong liên đới lượng tử ).
Theo quan
điểm được nhiều người đồng thuận của Don Page và Leonard Susskin thì một hạt
bức xạ ra ngoài tại thời điểm t sẽ liên
đới lượng tử với tất cả bức xạ Hawking đã bắn ra trước đó < t.
Trong lỗ đen lấy một hạt
photon Hawking gọi nó là B và gọi hạt song hành bị rơi vào lỗ đen là A. A và B
liên đới lượng tử với nhau.Tiếp theo thông tin rơi vào lỗ đen được mã hóa trong
các hạt bức xạ Hawking. Bây giờ nếu thông tin không bị mất thì hạt photon thoát
ra phải kết thúc vào một trạng thái lượng tử
xác định cho nên B phải liên
đới với một hạt C nào khác đã bay ra ngoài (nếu không thì output không bảo toàn
thông tin). Như vậy ta có mâu thuẫn ( vì có hiện tượng đa thê thay vì chế độ một
vợ một chồng của liên đới lượng tử )
Hình 4. Muốn phá hủy liên
đới lượng tử cần một tường lửa
Để giải quyết mâu thuẫn trên cần
làm biến mất liên đới lượng tử giữa A và B. Sự mất liên đới lượng tử này đòi
hỏi phải có năng lượng giống như sự phá vỡ liên kết hóa học cần năng lượng (xem
hình 3). Phá vỡ liên đới lượng tử các cặp Hawking đòi hỏi sự có mặt của một bức
tường các hạt năng lượng cao mà chúng tôi gọi là tường lửa (firewall). Một du
hành vũ trụ khi cắt ngang đường chân trời sự cố không phải là cảm thấy mọi việc
trơn tru như GR giả định mà gặp phải một điều gì đó mang tính thảm họa: đó là
một tường lửa. Như vậy thay vì sử dụng nguyên tắc bổ sung tác giả đưa ra một
điều gì đó trái ngược với GR. Nhiều nhà vật lý tỏ thái độ nghi ngờ ý tưởng của nhóm
AMPS.
Sự kết thúc của không gian
Nếu tường lửa tồn tại thì đó
là gì? Một ý tưởng minh giải : đó là sự kết thúc của không gian.Có lẽ điều kiện
để hình thành không thời gian không tồn tại trong lỗ đen. Như Maroff nhận xét không
thời gian nội vùng có thể không hình thành vì bộ nhớ của lỗ đen đã đầy rồi. Nếu
không thời gian không thể tồn tại phía trong thì không gian đã kết thúc tại
đường chân trời và nhà du hành vũ trụ khi chạm đường chân trời đã biến thành
các bit lượng tử cư trú trên đường biên.
Kết luận
Mô hình tường lửa của nhóm
AMPS nhằm mục đích giải thích thông tin bảo toàn trong vấn đề lỗ đen. Mô hình
này cho phép lý giải được các nghịch lý
entropy và thông tin.Đây quả là một mô hình mang tính đột phá (nếu không nói là
duy nhất hiện nay-vì chưa có mô hình nào khác).Song cũng còn quá sớm để kết
luận rằng mô hình này đúng với thực tế.
CC.biên dịch và chú thích
Tài liệu tham khảo và chú thích
[1] Đối ngẫu AdS/CFT: một vũ trụ mô tả bởi lý thuyết siêu dây (như vậy có hấp dẫn) trong một không-thời
gian anti-de Sitter 5 chiều tương đương với một lý thuyết trường lượng tử
(không chứa hấp dẫn) CFT-conform field theory- trên mặt biên 4 chiều của
không-thời gian đó .
[2] Mô hình tường lửa được
xây dựng năm 2012 bởi Ahmed Almhein,
Donald Marof , Joseph Polchinski và James Sully (viết tắt là AMPS)
Nhận xét
Đăng nhận xét