Hố đen kỳ bí - Phần 1 (Trần Văn Tính) pot

Hố đen kỳ bí Phần Hố đen, cịn gọi lỗ đen, vật thể có mật độ khối lượng lớn lực hấp dẫn làm cho vật thể khơng thể được, trừ việc xuyên qua đường hầm lượng tử Truờng hấp dẫn mà hố đen tạo lớn, vậy, vận tốc thoát vùng gần hố đen lớn vận tốc ánh sáng Điều dẫn đến việc khơng có vật thể nào, kể ánh sáng, hố đen Từ "hố đen" xuất phát từ nghĩa rộng, khơng dừng lại khái niệm "hố" mà cịn vùng khơng gian ảnh hưởng hố đen Lý thuyết hố đen số lý thuyết hoi vật lý bao trùm thang đo khoảng cách, từ kích thước cực nhỏ (thang Planck) đến kích thước quan sát vũ trụ, kiểm chứng lúc thuyết lượng tử (cho thang nhỏ) thuyết tương đối (cho thang lớn) Hố đen dự đoán lý thuyết tương đối rộng Theo mơ hình thuyết tương đối rộng cổ điển, không vật chất hay thông tin khỏi hố đen để tới tầm quan sát bên Tuy nhiên, hiệu ứng học lượng tử, khơng có thuyết tương đối rộng cổ điển, cho phép vật chất lượng xạ từ hố đen Một số lý thuyết cho chất tự nhiên xạ không phụ thuộc vào thứ rơi vào hố đen khứ, nói cách khác hố đen xóa thơng tin q khứ, nghịch lý thông tin hố đen Nghịch lý dường loại bỏ lý thuyết gần dường thông tin bảo toàn hố đen Sự tồn hố đen vũ trụ củng cố quan sát thiên văn, cụ thể việc nghiên cứu siêu xạ tia X từ lò hoạt động hạt nhân vũ trụ Lịch sử Khái niệm vật thể nặng đến độ ánh sáng khơng thể khỏi vật nhà khoa học người Anh John Michell đưa vào năm 1783 báo khoa học đăng tạp chí Viện hàn lâm Hồng gia Anh Quốc Lúc giờ, lý thuyết học cổ điển Isaac Newton hấp dẫn khái niệm vận tốc biết Michell tính rằng, vật thể có bán kính gấp 500 lần Mặt Trời có mật độ mật độ Mặt Trời vận tốc bề mặt vận tốc ánh sáng, khơng nhìn thấy Mặc dù ơng nghĩ điều khó xảy nghiên cứu khả nhiều vật thể quan sát vũ trụ Năm 1796, nhà toán học người Pháp Pierre-Simon Laplace đưa ý tưởng tương tự lần xuất thứ thứ hai sách ông, lần xuất sau khơng đưa vào Trong suốt kỷ thứ 19, ý tưởng khơng gây ý người ta cho ánh sáng sóng nên khơng có khối lượng, không bị ảnh hưởng lực hấp dẫn Năm 1915, Einstein đưa lý thuyết hấp dẫn gọi lý thuyết tương đối rộng Trước ơng cho thấy ánh sáng bị ảnh hưởng lực hấp dẫn Mấy tháng sau, Karl Schwarzschild đưa nghiệm cho trường hấp dẫn khối lượng điểm tiên đoán lý thuyết tồn vật thể mà ngày gọi hố đen Ngày nay, bán kính Schwarzschild coi bán kính hố đen không quay, vào lúc người ta khơng hiểu rõ Bản thân Schwarzschild nghĩ khơng có ý nghĩa vật lý Vào năm 1920, Subrahmanyan Chandrasekhar cho tính tốn vật thể khơng quay có khối lượng lớn giá trị định mà ngày biết giới hạn Chandrasekhar, suy sập lực hấp dẫn khơng có cản trở q trình diễn Tuy nhiên, nhà vật lý khác Arthur Eddington chống lại giả thuyết cho chắn có xảy để khơng cho vật chất suy sụp đến mật độ vô hạn Năm 1939, Robert Oppenheimer H Snyder tiên đốn ngơi nặng phải chịu trình suy sập hấp dẫn Các hố đen hình thành tự nhiên Trong thời gian, người ta gọi vật thể "ngơi bị đóng băng" suy sập bị chậm cách nhanh chóng ngơi trở nên đỏ đạt đến gần giới hạn Schwarzschild Tuy vậy, vật thể nặng không quan tâm cuối năm 1960 Phần lớn nhà vật lý, vào lúc đó, tin hố đen nghiệm đối xứng cao đặc biệt Schwarzschild tìm ra, vật thể bị suy sập tự nhiên không tạo nên hố đen Việc nghiên cứu hố đen trở nên sôi vào năm 1967 tiến lý thuyết thực nghiệm Stephen Hawking Roger Penrose chứng minh hố đen nghiệm tổng quát lý thuyết hấp dẫn Einstein, suy sập để tạo nên hố đen, số trường hợp, tránh Sự quan tâm đến lĩnh vực cịn khởi phát từ việc tìm pulsar Ngay sau đó, nhà vật lý John Wheeler sử dụng từ "hố đen" để vật thể sau bị suy sập đến mật độ vô hạn trước thời gian, từ "ngơi đen" sử dụng Các khái niệm Nghiên cứu hố đen yêu cầu kiến thức lý thuyết tương đối rộng khơng-thời gian cong: tính chất đặc biệt biến dạng khôngthời gian xung quanh hố đen Chân trời kiện "Bề mặt" hố đen gọi chân trời kiện, bề mặt ảo xung quanh hố đen Stephen Hawking sử dụng định lý Gauss-Bonnet để chứng minh hình học tơ-pơ chân trời kiện hố đen (bốn chiều) hình cầu Tại chân trời kiện, vận tốc vận tốc ánh sáng Do đó, vật gì, kể quang tử bên chân trời kiện khơng thể khỏi chân trời kiện trường hấp dẫn q mạnh hố đen Các hạt bị rơi vào hố đen thoát Theo lý thuyết tương đối rộng cổ điển, hố đen hồn tồn đặc trưng ba thông số: khối lượng, mô men động lượng điện tích Nguyên lý John Wheeler tóm tắt câu nói "hố đen khơng có tóc" Các vật thể chuyển động trường hấp dẫn thời gian bị chậm gọi giãn nở thời gian Điều chứng minh thực nghiệm thí nghiệm phóng tên lửa thám vào năm 1976 [1], tính đến Hệ thống định vị tồn cầu (GPS) Gần chân trời kiện, giãn nở thời gian xảy nhanh Đối với người quan sát từ bên ngồi họ đợi khoảng thời gian vô tận để quan sát vật thể vật thể đến gần chân trời kiện ánh sáng từ vật thể bị dịch chuyển vô hạn phía đỏ Điểm kỳ dị Tại tâm hố đen, bên chân trời kiện, lý thuyết tương đối rộng tiên đốn có điểm kỳ dị (singularity), độ cong khơng thời gian trở nên vơ hạn lực hấp dẫn mạnh vô hạn Không-thời gian bên chân trời kiện đặc biệt, tất chuyển động vào tâm mà cưỡng lại (Penrose Hawking [2]) Điều có nghĩa tồn sai lầm khái niệm hố đen mà John Michell đề xuất trước Theo lý thuyết Michell, vận tốc vận tốc ánh sáng, vậy, cịn xác suất lý thuyết để vật thể giống kéo vật thể ngồi sợi dây Lý thuyết tương đối rộng loại bỏ kẽ hở (loophole) vật thể nằm chân trời kiện thời gian tuyến có điểm kết cho thân thời gian, khơng thể có vũ trụ tuyến mà khỏi hố đen Người ta tin tiến triển khái quát hóa lý thuyết tương đối rộng tương lai (đặc biệt hấp dẫn lượng tử) làm thay đổi suy nghĩ phần bên hố đen Phần lớn nhà lý thuyết giải thích điểm kỳ dị tốn học phương trình dấu hiệu cho thấy lý thuyết hành khơng hồn thiện, tượng phát ta tiến gần đến điểm kỳ dị Câu hỏi hàn lâm giả thuyết giám sát vũ trụ địi hỏi khơng thể có mặt điểm kỳ dị trần trụi lý thuyết tương đối rộng: điểm kỳ dị phải nấp sau chân trời kiện bị khám phá Một trường phái tư tưởng khác cho chẳng có điểm kỳ dị cả, vì, lực giống lực gây thủy triều làm giảm mật độ vật chất xuyên qua chân trời kiện Nếu nhà du hành vũ trụ lỡ để chân rơi vào hố đen lực thủy triều dọc theo bán kính kéo đầu chân theo hai hướng ngược đó, làm giảm mật độ (tức tăng thể tích) lực thủy triều bán kính khơng đổi có xu hướng kéo hai tay lại với bán kính hội tụ, làm gia tăng mật độ (giảm thể tích) Tuy nhiên, chân trời kiện, bán kính lại song song với giản đồ nhúng (giản đồ để hình dung nghiệm Schwarzschild khơng gian Euclide), khơng hội tụ, đó, mật độ vật chất giảm làm dừng trình suy sập hấp dẫn Đi vào hố đen Ảnh hưởng trường hấp dẫn hố đen xác định từ lý thuyết tương đối Khi vật thể tiến lại gần tâm hố đen không quay (hố đen Schwarzschild) người quan sát từ xa thấy vật thể tiến đến chân trời kiện cách chậm dần quang tử từ vật thể phải thời gian lâu để thoát khỏi ảnh hưởng hố đen người quan sát biết số phận vật thể Đối với thân vật thể, qua chân trời kiện đến điểm kỳ dị, vào tâm hố đen khoảng thời gian hữu hạn Khi qua chân trời kiện ánh sáng khơng thể khỏi hố đen nên người quan sát ngồi hố đen khơng cịn biết thơng tin vật thể Khi vật thể tiến gần đến điểm kỳ dị, bị kéo dài phần vật thể gần hố đen nhất bị dịch chuyển đỏ tất phần biến Gần điểm kỳ dị, sai khác trường hấp dẫn điểm gần điểm xa vật thể lớn, điều tạo nên lực thủy triều làm cho vật thể bị kéo bị xé ra, điều gọi trình "tạo mì ống" (spaghettification) Hố đen quay Về lý thuyết, chân trời kiện hố đen khơng quay hình cầu, điểm kỳ dị điểm Nếu hố đen có mơ men góc (thừa hưởng từ ngơi quay trước bị suy sập thành hố đen) kéo theo khơng-thời gian xung quanh chân trời kiện Vùng không gian xung quanh chân trời kiện gọi hình cầu cơng có dạng hình e-líp Vì hình cầu cơng định vị bên ngồi chân trời kiện nên vật thể tồn bên hình cầu công mà không bị rơi vào hố đen Tuy nhiên, thân khơng-thời gian chuyển động bên hình cầu cơng nên vật thể khơng thể có vị trí cố định Các vật thể trượt hình cầu cơng vài lần bị văng với vận tốc lớn giải lượng (và mơ men góc) khỏi hố đen có tên "hình cầu cơng" có khả tạo cơng học Entropy xạ Hawking Năm 1971, Stephen Hawking chứng minh diện tích chân trời kiện hố đen cố điển không giảm Điều tương tự định luật thứ hai nhiệt động lực học, vai trị diện tích chân trời kiện tương ứng với entropy Người ta vi phạm nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học việc vật chất vũ trụ vào hố đen làm giảm entropy tồn vũ trụ Chính mà Jacob Bekenstein giả thiết hố đen có entropy entropy tỷ lệ với diện tích chân trời kiện Tuy nhiên, 1974, Hawking áp dụng lý thuyết trường lượng tử cho không-thời gian cong xung quanh chân trời kiện hố đen phát hố đen phát xạ nhiệt xạ mà hố đen phát gọi xạ Hawking Sử dụng định luật thứ học hố đen người ta thấy entropy hố đen phần tư diện tích chân trời kiện Đây kết phổ quát, áp dụng cho chân trời vũ trụ không-thời gian de Sitter Sau đó, người ta cịn cho rằng, hố đen vật thể có entropy cực đại, tức là, vùng khơng-thời gian đó, entropy cực đại entropy hố đen chiếm vùng khơng thời gian Điều dẫn đến nguyên lý ảnh ba chiều (còn gọi nguyên lý ảnh đa chiều) Bức xạ Hawking xuất phát từ bên chân trời kiện, người ta hiểu khơng mang thơng tin từ bên hố đen xạ nhiệt Tuy nhiên, điều có nghĩa hố đen khơng phải hoàn toàn đen: hiệu ứng ngụ ý khối lượng hố đen giảm theo thời gian Mặc dù hiệu ứng nhỏ người nghiên cứu hố đen, đáng kể hố đen siêu nhỏ tiên đốn lý thuyết, mà đó, học lượng tử có tác động Thực ra, tính tốn cho thấy hố đen nhỏ bị bay cuối biến đợt vùng phát xạ Do đó, hố đen mà khơng có nguồn bổ sung cho khối lượng chúng có thời gian sống hữu hạn, thời gian liên hệ với khối lượng chúng Vào ngày 21 tháng năm 2004 Stephen Hawking tuyên bố cuối hố đen giải phóng thông tin mà chúng nuốt [3], đảo ngược lại quan điểm mà ơng đưa trước thơng tin bị biến Ông cho rằng, nhiễu loạn lượng tử chân trời kiện cho phép thơng tin từ hố đen ảnh hưởng đến xạ Hawking [4] Lý thuyết chưa nhà khoa học phản biện, chấp nhận dường giải nghịch lý thông tin hố đen  ... cho không-thời gian cong xung quanh chân trời kiện hố đen phát hố đen phát xạ nhiệt xạ mà hố đen phát gọi xạ Hawking Sử dụng định luật thứ học hố đen người ta thấy entropy hố đen phần tư diện... từ bên hố đen xạ nhiệt Tuy nhiên, điều có nghĩa hố đen khơng phải hồn tồn đen: hiệu ứng ngụ ý khối lượng hố đen giảm theo thời gian Mặc dù hiệu ứng nhỏ người nghiên cứu hố đen, đáng kể hố đen siêu... (spaghettification) Hố đen quay Về lý thuyết, chân trời kiện hố đen khơng quay hình cầu, điểm kỳ dị điểm Nếu hố đen có mơ men góc (thừa hưởng từ ngơi quay trước bị suy sập thành hố đen) kéo theo không-thời