Những thành tựu khoa học làm nên tên tuổi của stephen hawking

Untitled 52 Soá 4 naêm 2018 KH&CN nước ngoài Định lý kỳ dị Penrose Hawking Trong số những công trình nổi tiếng của Stephen Hawking, trước hết phải kể đến những công trình về kỳ dị (singularity) Đây là[.]

kh&cn nước KH&CN nước Những thành tựu khoa học làm nên tên tuổi Stephen Hawking Cao Chi Ngày 14/3/2018, thiên tài vật lý Stephen Hawking từ giã tuổi 76 Thế giới nhà vật lý lý thuyết đem lại cho loài người hiểu biết sâu sắc chất vật lý hình học vũ trụ Stephen Hawking tiếng khơng đóng góp lớn lao ơng vũ trụ học, mà cịn đời bi tráng - ơng vượt qua bao khó khăn để chiến thắng bệnh xơ cứng teo (ALS) đầy nghiệt ngã Theo nhà toán học Penrose: “Stephen Hawking biểu tượng chiến thắng ý chí vượt qua nghịch cảnh, người với niềm yêu mến sống lớn lao, người am hiểu hài hước, khẳng định lớn nhân cách, tinh thần tích cực tham gia hoạt động bất chấp bệnh tật” Những điều nhiều điều lý thú khác gia đình ơng, bạn đọc tìm thấy nhiều tài liệu Bài viết tập trung vào khía cạnh học thuật - phương diện thành tựu khoa học lớn làm cho tên tuổi Stephen Hawking trở thành huyền thoại Định lý kỳ dị Penrose-Hawking chứa điểm kỳ dị Trong số cơng trình tiếng Stephen Hawking, trước hết phải kể đến cơng trình kỳ dị (singularity) Đây cơng trình Hawking nghiên cứu với nhà toán học Roger Penrose Các định lý kỳ dị Penrose-Hawking nhằm mục đích trả lời câu hỏi: Khi lý thuyết hấp dẫn dẫn đến điểm kỳ dị? Điều kiện thứ ba có nghĩa đường trắc địa thông số không lấy tất trị số khoảng ( −∞, ∞ ) (vì gặp chướng ngại vật kỳ dị) Điều kiện thứ có dạng Tabu a u b ≥ u a ua g cb Tcb , Tab tensor xung lượng, ua vector đồng dạng thời gian Những định lý dẫn đến điểm sau đây: Nếu khơng - thời gian (M, gab) ta có: 1) Vật chất thỏa mãn điều kiện lượng; 2) hấp dẫn đủ mạnh vùng đó; 3) (M, gab) phải không thời gian không đầy đủ mặt trắc địa, (M, gab) 52 Số năm 2018 Định lý sở toán học để Hawking phát tính chất quan trọng lỗ đen, Big Bang vũ trụ Lỗ đen Stephen Hawking tìm tính chất quan trọng lỗ đen (đường chân trời, kỳ dị tâm ) KH&CN nước này, Stephen Hawking kết hợp lý thuyết tương đối tổng quát với thuyết lượng tử Lý thuyết đưa Stephen Hawking lên hàng nhà vật lý lý thuyết tài giới Theo lý thuyết này, lỗ đen xạ giống hịn than nóng, với nhiệt độ tỷ lệ nghịch với khối lượng Ví dụ với lỗ đen có khối lượng 1012 kg nhiệt độ tương ứng 1012 độ Kelvin lỗ đen xạ hạt khơng có khối lượng photon hạt có khối lượng electron, proton hình1 Biểu diễn q trình co có đối xứng cầu Trên hình 1, trục thời gian hướng từ lên Độ nghiêng nón ánh sáng địa phương xác định theo lý thuyết tương đối rộng Bức tranh nón ánh sáng cho ta thấy ánh sáng ngày khó rời khỏi bề mặt lúc bề mặt trùng với bề mặt lỗ đen ánh sáng khơng vơ cực Lúc bán kính bán kính hấp dẫn Rg Mặt sóng ánh sáng phát lúc bề mặt giao với bán kính hấp dẫn Rg gọi chân trời biến cố Chân trời biến cố chia không - thời gian thành hai miền: Miền ngồi (tín hiệu vơ cực) miền (tín hiệu khơng vơ cực được) Sau chân trời biến cố lỗ đen Một người quan sát từ bên ngồi khơng thể biết điều xảy sau chân trời biến cố Chân trời biến cố giống màng mà lượng thơng tin vào song khơng thể Q trình co sớm muộn dẫn đến điểm kỳ dị (dùng định lý kỳ dị Penrose-Hawking) Trong vùng kỳ dị khái niệm thơng thường khơng - thời gian khơng cịn Muốn tránh xuất điểm kỳ dị người ta phải tính đến hiệu ứng lượng tử Đối với lỗ đen đặc trưng vật chất cấu tạo đặc trưng nội khác bị chân trời che lấp Như lỗ đen đơn giản (ví dụ so với Mặt trời Trái đất) Các tác giả W Israel, B Carter, Meudon D.C Robinson chứng minh từ 1967 đến 1974 cần thông số đủ xác định lời giải phương trình Einstein cho lỗ đen: 1) M - khối lượng; 2) J - mômen xung lượng; 3) Q - tích điện từ A.J Wheeler phát biểu kết dạng: Lỗ đen tóc Bức xạ Hawking Năm 1974, Stephen Hawking đưa lý thuyết xạ lỗ đen, gọi xạ Hawking Trong lý thuyết Vì xạ mang theo lượng khối lượng lỗ đen tiêu hao dần Càng tiêu hao khối lượng nhiệt độ lỗ đen lớn xạ dồn dập Khi khối lượng chừng 106 kg lỗ đen nổ vịng giây để lượng lượng triệu bom nguyên tử megaton Thời gian để lỗ đen bay hết tỷ lệ với lập phương khối lượng Ví dụ, lỗ đen khối lượng 1012 khối lượng mặt trời, thời gian bay khoảng 1010 năm, nhiều lỗ đen nguyên thuỷ bay lịch sử vũ trụ Như biết trường tĩnh điện mạnh người ta quan sát tượng sinh cặp (hình 2) hình tượng sinh cặp trường tĩnh điện mạnh Đường sóng biểu diễn trường ngồi, điểm A1, A2 điểm cặp ảo tán xạ lên trường Như trường hợp tĩnh điện mạnh, cặp hạt sinh cách không định xứ khoảng đồng dạng không gian tương đối lớn Hiện tượng sinh cặp trường tĩnh điện ứng với tượng sinh cặp trường hấp dẫn mạnh lỗ đen Hawking chứng minh rằng, tượng sinh cặp xảy với lỗ đen có khơng có chuyển động quay Vì tượng xảy khoảng đồng dạng khơng gian tương đối lớn, xảy tình hạt sinh nằm chân trời, hạt có lượng âm người quan sát bên ngồi khơng thấy được, hạt lại vượt hàng rào vơ cực Khi có hạt bay vơ cực ta có tượng xạ Hawking Vì xạ, lỗ đen tiêu hao khối lượng, trọng trường nhỏ nhiều hạt có hội khỏi lỗ đen (hình 3) Số năm 2018 53 KH&CN nước ngồi Trên hình trục thời gian hướng từ lên Những vùng với mật độ vật chất cao ρ + δρ trình chuyển động dẫn đến hình thành lỗ đen sơ cấp Những sách phổ biến khoa học hình Các hạt ngồi lỗ đen Ngồi cơng trình khoa học nêu trên, Stephen Hawking cịn số cơng trình khác giá trị lý thuyết thống nhất, nghiên cứu vũ trụ học Bên bị đó, ơng cịn tiếng nhờ sách phổ cạnh g biến khoa học viết ngơn ngữ diễn cảm Trong Trongđóđó số Boltzmann n nhiệt độ q== K làKhằng số Boltzmann 2cK đôi lúc pha chút hài hước vấn đề lớn Trong trình xạ, khối lượng lỗ đen dần nhỏ đi, vũ trụ, như: “A brief history of time”, “The grand design”, rình xạ,đồng khốithời lượng đi, đồng nhiệt nhiệt lỗ độđen hiệu dần dụngnhỏ tăng lên, dothời xạ “The large structure of space-time”, “Black holes and lớn Giai đoạn cuối xảy dồn dập dẫn đến baby Universe”, “My brief history” Các sách vụ nổ lượng tử ông tuyệt phẩm “best seller” chứa nhiều nội dung vật lý cao cấp Trong đó, nhiều Nhiệt động học lỗ đen dịch tiếng Việt “Vũ trụ vỏ hạt dẻ”, “Lược sử Hawking Jacob Bekenstein thiết lập mối thời gian”, “Bản thiết kế vĩ đại” Riêng “Lược sử thời quan hệ đặc trưng lỗ đen với đại lượng gian” Cao Chi Phạm Văn Thiều dịch tái nhiệt động học Từ tìm “nhiệt động học lỗ đen”, đồng Việt Nam đến 18 lần thời mở lĩnh vực mới: Nhiệt động học lỗ đen Hawking chứng minh rằng, lỗ đen nói chung có khả xạ photon, nơtrino, graviton xạ photon, đến mộtnhiệt vật đen giống nơtrino, graviton vật đen bịgiống đốt nóng độ Định luật Số Số Số Nhiệt động học thông thường Mọi phần tử hệ trạng thái cân nhiệt có nhiệt độ T Nội năng, nhiệt công nối liền hệ thức dU = TdS - pdV Mọi điểm giới hạn chân trời có trọng lượng bề mặt g = c4/4GM Khối lượng, điện tích mơmen xung lượng nối liền hệ thức g dM = dA + W 8π A - diện tích lỗ đen (ở chân trời) g - gia tốc trọng trường bề mặt W - tốc độ góc Entropi khơng giảm theo thời gian t2 > Diện tích lỗ đen khơng giảm theo thời gian t2 > t1 → t1 → S (t2) ≥ S (t1) A(t2) ≥ A(t1) Lỗ đen sơ cấp Stephen Hawking người đưa khái niệm lỗ đen sơ cấp vật lý thiên văn người ta phân biệt loại lỗ đen: a) Lỗ đen - lỗ đen với khối lượng cỡ khối lượng sao, lỗ đen phát sinh cuối đời sao; b) Lỗ đen siêu nặng với khối lượng đến 109M nữa, tâm thiên hà; c) Lỗ đen sơ cấp hay ngun thủy hình mơ tả q trình hình thành lỗ đen sơ cấp 54 Cơng trình học thuật tiêu biểu Stephen Hawking Nhiệt động học lỗ đen Số năm 2018 S.W Hawking; R Penrose (1970), “The Singularities of Gravitational Collapse and Cosmology”, Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 314(1519), pp.529-548, Bibcode:1970RSPSa.314 529H, doi:10.1098/rspa.1970.0021 S Hawking (1971), “Gravitational Radiation from Colliding Black Holes”, Physical Review Letters, 26(21), pp.1344-1346, Bibcode:1971PhRvL 26.1344H, doi:10.1103/PhysRevLett.26.1344 S.W Hawking (1972), “Black holes in general relativity”, Communications in Mathematical Physics, 25(2), pp.152-166, Bibcode:1972CMaPh 25 152H, doi:10.1007/BF01877517 S.W Hawking (1974), “Black hole explosions?”, Nature, 248(5443), pp.3031, Bibcode:1974natur.248 30H, doi:10.1038/248030a0 S.W Hawking (1982), “The development of irregularities in a single bubble inflationary universe”, Physics Letters B, 115(4), pp.295-297, Bibcode:1982PhLB 115 295H, doi:10.1016/03702693(82)90373-2 J Hartle, S Hawking (1983), “Wave function of the universe”, Physical Review D, 28(12), pp.29602975, Bibcode:1983PhRvD 28.2960H, doi:10.1103/PhysRevD.28.2960 S Hawking (2005), “information loss in black holes”, Physical Review D, 72(8), Bibcode:2005PhRvD 72h4013H.arXiv:hep-th/0507171, doi:10.1103/PhysRevD.72.084013 Kết luận Có thể nói tóm lược cơng trình nghiên cứu lớn Stephen Hawking là: Định lý kỳ dị PenroseHawking, lỗ đen xét kỳ dị, xạ Hawking, nhiệt động học lỗ đen, lỗ đen sơ cấp nguyên thủy (không kể đến công trình khác) Riêng chừng thành tựu thơi đủ để vinh danh nhà khoa học, lại nhà khoa học bị bệnh hiểm nghèo ALS Chúng ta nghiêng trước thành tựu khoa học nhà vật lý lý thuyết vĩ đại Stephen Hawking ? ... thành tựu thơi đủ để vinh danh nhà khoa học, lại nhà khoa học bị bệnh hiểm nghèo ALS Chúng ta nghiêng trước thành tựu khoa học nhà vật lý lý thuyết vĩ đại Stephen Hawking ? ... lên Những vùng với mật độ vật chất cao ρ + δρ trình chuyển động dẫn đến hình thành lỗ đen sơ cấp Những sách phổ biến khoa học hình Các hạt ngồi lỗ đen Ngồi cơng trình khoa học nêu trên, Stephen. .. cứu lớn Stephen Hawking là: Định lý kỳ dị PenroseHawking, lỗ đen xét kỳ dị, xạ Hawking, nhiệt động học lỗ đen, lỗ đen sơ cấp nguyên thủy (không kể đến cơng trình khác) Riêng chừng thành tựu thơi