Laplace cho rằng nếu chúng ta biết được vị trí và tọa độ của tất cả các hạt trong vũ trụ tại một thời điểm thì các định luật vật lý sẽ cho phép chúng ta đoán được trạng thái của vũ trụ[r]
(1)CHƯƠNG 4
TIÊN ĐOÁN TƯƠNG LAI
(2)(3)T I Ê N Đ O Á N T Ư Ơ N G L A I
(Hình 4.1)
Một người quan sát trái đất (màu xanh) chuyển động quĩ đạo xung quanh mặt trời thấy Hỏa (màu đỏ) in vòng cầu
Chuyển động biểu kiến phức tạp hành tinh giải thích định luật New-ton khơng có ảnh hưởng đến số phận người
Nhân loại mong muốn điều khiển tương lai,
là đốn trước điều xảy Đó lý ngành chiêm tinh học lại phổ biến đến Chiêm tinh học cho kiện xảy trái đất liên quan đến chuyển động hành tinh bầu trời Đây giả thiết kiểm chứng cách khoa học, khơng, giả thiết kiểm chứng cách khoa học nhà chiêm tinh dám mạo hiểm nói dự đốn chắn mà kiểm tra Tuy nhiên, họ đủ thơng minh để nói dự đốn mơ hồ với kết Những phát biểu kiểu “Các mối quan hệ cá nhân trở lên mãnh liệt hơn” “Bạn có may tài chính” không bị chứng minh sai
Nhưng lý mà phần đông nhà khoa học không tin vào chiêm tinh học chứng phi khoa học thiếu chứng khoa học mà khơng phù hợp với lý thuyết khác kiểm chứng thực nghiệm Khi Copernicus Galileo phát hành tinh quay quanh mặt trời quay quanh trái đất, Newton tìm định luật hấp dẫn điều khiển chuyển động hành tinh chiêm tinh học trở lên đáng ngờ Tại vị trí hành tinh khác trời chúng nhìn từ trái đất lại có mối tương quan với đại phân tử tự gọi sinh vật có trí tuệ sống tiểu hành tinh (hình 4.1)? Chiêm tinh học cịn phải làm cho tin vào tương quan Các lý thuyết trình bày sách khơng chiêm tinh học chỗ khơng có thêm
“Tháng Hỏa chiếm cung Nhân mã, thời gian tốt để bạn tự học Sao Hỏa yêu cầu bạn sống sống theo cách bạn cho thường người khác cho sai Và điều xảy ra.
(4)V Ũ T R ụ T R O N G M ộ T V ỏ H ạ T
các chứng thực nghiệm để củng cố lý thuyết đó, ta tin lý thuyết phù hợp với lý thuyết kiểm chứng
Sự thành công định luật Newton lý thuyết vật lý khác dẫn đến ý tưởng định luận khoa học (scientific determinism) Ý tưởng nhà khoa học người Pháp tên Marquis de Laplace đưa lần vào đầu kỷ thứ mười chín Laplace cho biết vị trí tọa độ tất hạt vũ trụ thời điểm định luật vật lý cho phép đoán trạng thái vũ trụ thời điểm khác khứ tương lai (hình 4.2)
Nói cách khác, định luận khoa học mà đốn trước tương lai không cần đến chiêm tinh học Tất nhiên thực tế đơn giản định luật hấp dẫn Newton dẫn đến phương trình mà khơng thể giải cách xác cho hệ có nhiều hai hạt Hơn nữa, phương trình thường có tính chất biết hỗn loạn, đó, thay đổi nhỏ vị trí vận tốc thời điểm dẫn đến tính chất hoàn toàn khác thời điểm Những người xem phim Công viên kỷ Jura (Jurassic Park, hình 4.3) biết, xáo trộn nhỏ nơi gây thay đổi lớn nơi khác Một bướm vỗ cánh Tokyo gây mưa cơng viên trung tâm New York (hình 4.3) Điều phiền phức chuỗi kiện khơng có tính lặp (Hình 4.2)
Nếu bạn biết vị trí tốc độ bóng mà bạn ném đi, bạn tính đến đâu
(5)T I Ê N Đ O Á N T Ư Ơ N G L A I
lại Lần sau bướm vỗ cánh, loạt kiện khác khác kiện ảnh hưởng đến thời tiết Đó lý dự báo thời tiết không đáng tin cậy
Do vậy, nguyên lý định luật điện động lực học lượng tử cho phép tính tốn tất thứ hóa học sinh học, khơng có nhiều thành cơng việc đoán trước hành vi người từ phương trình tốn học Tuy nhiên, gặp phải khó khăn
trên thực tiễn thế, nguyên tắc, phần lớn nhà khoa học an ủi với ý tưởng cho tương lai dự báo
Thoạt nhìn định luận khoa học bị nguyên lý bất định đe dọa Nguyên lý bất định nói khơng thể đo xác vị trí vận tốc
của hạt thời điểm Chúng ta đo ví trí xác xác định vận tốc xác nhiêu, ngược lại Lối giải thích định luận khoa học Laplace cho biết vị trí vận tốc hạt thời điểm xác định vị trí vận tốc chúng thời điểm khứ tương lai Nhưng làm mà làm điều từ đầu nguyên lý bất định không cho biết vị trí vận tốc thời điểm? Dù máy tính tốt nữa, cung cấp liệu đầu vào sai
ĐẦU VÀO
(6)V Ũ T R ụ T R O N G M ộ T V ỏ H ạ T
sẽ nhận dự đoán sai lầm
Tuy vậy, định luận khôi phục dạng khác lý thuyết gọi học lượng tử, tương thích với nguyên lý bất định Trong học lượng tử, nói cách gần đúng, ta dự đốn cách xác nửa điều mà ta mong muốn thực quan điểm Laplace cổ điển Trong học lượng tử, hạt khơng có vị trí vận tốc xác định trạng thái hạt biểu diễn gọi hàm sóng (hình 4.4)
Tại vị trí khơng gian, hàm sóng số cho biết xác xuất mà hạt tìm thấy vị trí Tốc độ thay đổi hàm sóng từ điểm đến điểm khác cho biết khả để hạt có vận tốc khác Một số hàm sóng có đỉnh nhọn (Hình 4.4)
Hàm sóng xác định xác suất mà hạt có vị trí vận tốc khác theo cách mà chúng phải tuân theo nguyên lý bất định HÀM SÓNG Ψ NHỌN
PHÂN BỐ XÁC SUẤT VẬN TỐC CỦA HẠT
SÓNG CÁC HÀM SÓNG Ψ
PHÂN BỐ XÁC SUẤT VẬN TỐC CỦA HẠT
Vị trí
Vị trí Vận tốc
(7)T I Ê N Đ O Á N T Ư Ơ N G L A I
tại điểm cụ thể không gian Trong trường hợp này, độ bất định vị trí hạt nhỏ Trên giản đồ ta thấy trường hợp đó, hàm sóng thay đổi nhanh gần đỉnh sóng, hàm sóng tăng nhanh sườn giảm nhanh phía sườn Điều có nghĩa phân bố xác suất vận tốc trải vùng giá trị lớn Hay nói cách khác, độ bất định vận tốc lớn Mặt khác, xem hàm sóng thoai thoải độ bất định vị trí lớn độ bất định vận tốc lại nhỏ Vậy nên, việc mơ tả hạt hàm sóng khơng cho ta vị trí vận tốc xác Giờ ta thấy hàm sóng tất mà ta xác định Thậm chí khơng thể cho Chúa biết vị trí vận tốc hạt giấu không cho biết Các lý thuyết “biến số ẩn” (hidden variable) không phù hợp với quan sát thực nghiệm Hơn nữa, Chúa bị giới hạn nguyên lý bất định khơng thể biết vị trí vận tốc hạt; Chúa biết hàm sóng hạt mà thơi
Tốc độ thay đổi hàm sóng theo thời gian cho Vị trí
Vận tốc (Hình 4.5) PHƯƠNG TRÌNH
SCHRO-DINGER
(8)V Ũ T R ụ T R O N G M ộ T V ỏ H ạ T
phương trình gọi phương trình Schrodinger (hình 4.5) Nếu ta biết hàm sóng thời điểm dùng phương trình Schrodinger để tính hàm sóng thời điểm khác khứ tương lai Vậy nên, định luận khoa học lý thuyết lượng tử với mức độ thấp Thay cho khả đoán trước vị trí vận tốc, biết hàm sóng Hàm sóng cho biết xác vị trí vận tốc khơng thể biết hai Do đó, học lượng tử, khả tiên đốn xác nửa khả tiên đoán giới quan Laplace cổ điển Với ý nghĩa giới hạn này, ta nói định luận khoa học
Tuy nhiên, việc dùng phương trình Schrodinger tính hàm sóng theo thời gian (tức dự đoán điều xảy tương lai) hiển nhiên thừa nhận thời gian trôi cách trơn tru mãi khắp điểm không gian Điều rõ ràng vật lý Newton Thời gian cho tuyệt đối, tức kiện lịch sử vũ trụ đánh dấu số gọi thời gian chuỗi số trơi cách trơn tru từ vơ hạn q khứ đến vơ hạn tương lai Đó nói cảm nhận chung thời gian cách nhìn mà phần đơng người chí phần đông nhà vật lý tâm niệm Tuy nhiên vào năm 1905, thấy, thuyết tương đối hẹp vứt bỏ khái niệm thời gian tuyệt đối, đó, thời gian tự khơng cịn đại lượng độc lập (Hình 4.6)
(9)T I Ê N Đ O Á N T Ư Ơ N G L A I
của thể liên tục bốn chiều gọi không thời gian Trong thuyết tương đối hẹp, nhà quan sát khác chuyển động với vận tốc khác không thời gian theo hướng khác Mỗi nhà quan sát có phép đo thời gian riêng cô ta dọc theo hướng mà anh cô ta chuyển động Và nhà quan sát khác đo khoảng thời gian khác kiện (hình 4.6)
Do đó, thuyết tương đối hẹp, khơng có thời gian tuyệt đối để đánh dấu kiện Tuy nhiên không thời gian thuyết tương đối hẹp lại phẳng Điều có nghĩa là, thuyết tương đối hẹp, thời gian đo nhà quan sát chuyển động tự tăng cách trơn tru không thời gian từ âm vô khứ vô đến dương vơ tương lai vơ Chúng ta dùng phép đo thời gian phương trình Schrodinger để tính phụ thuộc hàm sóng vào thời gian Vậy nên, thuyết tương đối hẹp, có kiểu định luận lượng tử
Trong thuyết tương đối rộng tình lại khác khơng thời gian khơng cịn phẳng mà bị bẻ cong vật chất lượng Trong hệ mặt trời chúng ta, nấc thang vĩ mô, độ cong khơng thời gian nhỏ khơng ảnh hưởng đến quan niệm chung thời gian Trong trường hợp đó, dùng thời gian phương trình Schrodinger để biết phụ thuộc hàm sóng vào thời gian Tuy nhiên, cho phép khơng thời gian bị cong khả năng, khơng thời gian có cấu trúc khơng cho phép thời gian tăng cách trơn tru nhà quan sát trơng đợi, xảy Ví dụ, khơng thời gian giống
(Hình 4.7) THỜI GIAN DỪNG Một phép đo thời gian thiết phải có điểm dừng mà quai cầm cốc tiếp xúc với phần trụ chính: điểm đó, thời gian dừng Tại điểm thế, thời gian không tăng theo hướng Do đó, ta dùng phương trình Schrodinger để tiên đốn hàm sóng tương lai
Thời gian Không gian Thời gian Không gian
(10)V Ũ T R ụ T R O N G M ộ T V ỏ H ạ T
như hình trụ thẳng đứng (hình 4.7)
Chiều cao hình trụ phép đo thời gian, thời gian tăng người quan sát chạy từ âm vô đến dương vô Tuy nhiên, tưởng tượng rằng, thay cho hình trụ hình trụ với quai (hoặc “hố giun” (wormhole)) tách rời khỏi hình trụ sau lại nhập lại Do đó, phép đo thời gian có điểm dừng nơi mà quai nhập vào hình trụ chính: điểm mà thời gian dừng lại Tại điểm thời gian không tăng người quan sát Trong không thời gian dùng phương trình Schrodinger để biết phụ thuộc hàm sóng vào thời gian Hãy cẩn thận với hố giun: bạn khơng biết chui từ
(11)T I Ê N Đ O Á N T Ư Ơ N G L A I
HỐ ĐEN SCHWARZSCHILD
Năm 1916, nhà thiên văn học người Đức Karl Schwarzschild tìm thấy nghiệm từ lý thuyết tương đối Einstein đại diện cho hố đen hình cầu Cơng trình Schwar-zschild tiếp lộ bí ẩn bất ngờ thuyết tương đối Ông chứng minh bị cô đặc vùng đủ nhỏ trường hấp dẫn bề mặt trở lên mạnh đến mức ánh sáng khơng thể Ngày gọi hố đen, vùng không thời gian bị bao gọi chân trời kiện, giới hạn vùng không gian mà tất thứ, ánh sáng khơng thể để đến với
người quan sát
Trong thời kỳ dài, nhà vật lý, Einstein nghi ngờ hình thể cực đoan vật chất xuất vũ trụ thực Tuy nhiên, ngày hiểu không quay, đủ nặng, sau đốt hết nhiên liệu hạt nhân phải suy sụp thành hố đen hình cầu hồn hảo Schwarzschild Đường kính (R) chân trời kiện hố đen phụ thuộc vào khối lượng nó, cho công thức:
R = 2MG/c2
Trong công thức này, c vận tốc ánh sáng,
G số Newton, M khối lượng
hố đen Một hố đen có khối lượng khối lượng mặt trời có bán kính hai dặm
trị vào khoảng 618 km/giây
Cả hai vận tốc lớn nhiều vận tốc viên đạn đại bác lại nhỏ vận tốc ánh sáng (vào khoảng 300.000 km/giây) Vậy nên ánh sáng khỏi trái đất mặt trời cách khơng khó khăn Nhưng Michell lại lý luận có ngơi lớn nhiều lần mặt trời có vận tốc lớn vận tốc ánh sáng (hình 4.9) Chúng ta khơng thể nhìn thấy ngơi tia sáng phóng bị lực hấp dẫn kéo trở lại
Ý tưởng tối Michell dựa vật lý Newton, thời gian tuyệt đối thời gian không đếm xỉa đến kiện xảy Vậy nên, tranh vật lý cổ điển Newton, đen khơng ảnh hưởng đến khả tiên đốn tương lai Nhưng thuyết tương đối rộng, vật thể khổng lồ làm cong không thời gian tình lại khác hẳn
(12)V Ũ T R ụ T R O N G M ộ T V ỏ H ạ T
(Hình 4.10)
Quasar 3C273, nguồn phát sóng vơ tuyến giả phát hiện, phát lượng lớn vùng nhỏ Cơ chế để giải thích tượng độ sáng cao vật chất rơi vào hố đen
JOHN WHEELER
John Chibald Wheeler sinh năm 1911 Jackson-ville, Florida, Hoa Kỳ Ông lấy tiến sỹ tán xạ ánh sáng lên nguyên tử Helium đại học John Hopkins năm 1933 Năm 1938 ông làm việc nhà vật lý Đan Mạch Niels Bohr để phát triển lý thuyết phân hạch Sau thời gian, ơng làm việc với sinh viên ông Richard Feyn-man, tập trung nghiên cứu nhiệt động học; sau Hoa Kỳ tham gia đại chiến giới 2, hai đóng góp vào án Mahattan
Vào năm đầu thập kỷ 50, lấy cảm hứng từ cơng trình suy sụp hấp dẫn nặng Robert Oppenheimer vào năm 1039, Wheeler chuyển sang thuyết tương đối rộng
Einstein Vào thời gian đó, phần lớn nhà vật lý nghiên cứu vật lý hạt nhân thuyết tương đối rộng không thực coi phù hợp với giới vật lý Nhưng gần Wheeler đơn thương độc mã làm thay đổi lĩnh vực nghiên cứu thông qua cơng trình ơng thơng qua việc giảng dạy khóa học thuyết tương đối đại học Princeton
(13)T I Ê N Đ O Á N T Ư Ơ N G L A I không nhận tầm quan trọng điều mà Schwarzschild
đã tìm Bản thân Einstein không tin vào hố đen quan điểm ông phần lớn nhà khoa học có uy tín thuyết tương đối chia sẻ Tơi cịn nhớ chuyến Paris để trình bày báo cáo phát tơi cho thuyết lượng tử ngụ ý hố đen khơng hồn tồn đen Báo cáo tơi tẻ nhạt vào lúc gần khơng có Paris tin vào hố đen Người Pháp còn cảm thấy tên trou noir (lỗ đen) mà họ dịch tiếng Pháp có nghĩa tục tĩu nên thay tên astre occlu tức “ngôi ẩn” (hidden star) Tuy vậy, dù ẩn tên khác khơng nhận nhìn nhận cơng chúng bằng tên hố đen Đây tên Archibald Wheeler đưa Ông nhà vật lý Mỹ, người gây nhiều cảm hứng cho công trình lĩnh vực
Sự phát quasar vào năm 1963 gây bùng phát nghiên cứu lý thuyết hố đen nỗ lực quan sát để nhìn thấy chúng (hình 4.10) Đây tranh ghép lại Hãy xem xét điều tin lịch sử ngơi có khối lượng lớn gấp hai mươi lần khối lượng mặt trời Các hình thành từ đám mây khí tinh vân Thiên Lang (Orion, hình 4.11) Khi đám mây khí co lại lực hấp dẫn thân chúng, khí nung nóng chí trở nên đủ nóng để khởi động phản ứng nhiệt hạch biến hydro thành helium Nhiệt tạo trình gây nên áp suất giúp chống trọi lại lực hấp dẫn làm cho ngơi khơng bị co thêm Ngôi trạng thái thời gian dài, đốt cháy hydro xạ ánh sáng vào không gian
Trường hấp dẫn ảnh hưởng đến đường truyền chùm sáng phát từ ngơi Ta vẽ giản đồ với thời gian trục thẳng đứng, khoảng cách từ tâm trục nằm ngang (hình 4.12) Trong giản đồ này, bề mặt biểu diễn hai đường thẳng đứng nằm hai bên tâm Ta đo thời gian giây khoảng cách “giây ánh sáng” – khoảng cách mà ánh sáng giây Khi ta dùng đơn vị tốc độ ánh sáng 1; tức là, tốc độ ánh sáng giây ánh sáng giây Giản đồ ngụ ý rằng, phía xa ngơi sao, xa trường hấp dẫn đường truyền tia sáng giản đồ đường thẳng tạo với trục thẳng đứng góc 45 độ Tuy nhiên, gần ngơi độ cong không thời gian khối lượng gây làm thay đổi đường truyền tia sáng làm cho chúng tạo với phương thẳng đứng góc
(Hình 4.11)
(14)V Ũ T R ụ T R O N G M ộ T V ỏ H ạ T
hẹp
Các nặng đốt cháy hydro thành helium nhanh mặt trời nhiều Điều có nghĩa chúng cạn kiệt hydro thời gian ngắn khoảng vài trăm triệu năm Sau đó, ngơi đối mặt với khủng hoảng Chúng đốt helium thành nguyên tố nặng carbon oxygen, phản ứng hạt nhân không giải nhiều lượng, ngơi nhiệt áp suất nhiệt giúp chống lại lực hấp dẫn Do ngơi trở nên nhỏ Nếu khối lượng chúng lớn hai lần khối lượng mặt trời áp suất không đủ để ngăn chặn trình co lại Chúng suy sụp thành điểm với mật độ vô hạn tạo nên gọi điểm kỳ dị (hình 4.13) Trong giản đồ thời gian theo khoảng cách từ tâm sao, co lại đường truyền tia sáng (Hình 4.12) Khơng thời gian xung
quanh ngơi khơng bị suy sập Ánh sáng từ bệ mặt (đường thẳng đứng màu đỏ) Ở xa sao, ánh sáng tạo với phương thẳng đứng góc 45 độ, gần ngơi sao, khối lượng làm cong không thời gian làm cho tia sáng làm góc nhỏ với phương thẳng đứng
(Hình 4.13) Nếu suy sập (đường màu đỏ cắt điểm) không thời gian bị bẻ cong ánh sáng gần bề mặt bị hướng vào Một hố đen hình thành, vùng khơng thời gian mà ánh sáng từ khơng thể
Hình 4.12 Hình 4.13
Ngơi Ngơi
Tia sáng Tia sáng
Chân trời
Kỳ dị
Không gian
Không gian Thời gian
(15)T I Ê N Đ O Á N T Ư Ơ N G L A I
từ bề mặt tạo với đường thẳng đứng góc nhỏ nhỏ Khi ngơi đạt đến bán kính tới hạn xác định đường truyền tia sáng đường thẳng đứng giản đồ, tức ánh sáng khoảng cố định với tâm mà khơng Đường truyền tới hạn tia sáng lướt bề mặt gọi chân trời kiện (event horizon) phân cách vùng không thời gian mà ánh sáng khỏi ngơi vùng khơng thời gian mà ánh sáng khơng thể Bất kỳ tia sáng phát sau qua chân trời kiện bị bẻ cong trở lại độ cong không thời gian Ngôi trở thành đen Michell, ngày nói, hố đen
Chân trời vùng biên giới hố đen hình thành tia sáng chớm khơng khỏi hố đen giữ khoảng cách không đổi với tâm hố đen
Nón ánh sáng
Tia sáng trước chân trời kiện hình thành Nón ánh sáng bị ảnh hưởng trường hấp dẫn
Nón ánh sáng bị bẫy
Tia sáng thời điểm chân trời kiện hình thành Kỳ dị
Tia sáng thoát sau chân trời kiện hình thành
Khởi đầu chân trời kiện
KHÔNG GIAN
(16)V Ũ T R ụ T R O N G M ộ T V ỏ H ạ T
Làm để ghi nhận hố đen khơng tia sáng khỏi nó? Câu trả lời hố đen tạo lực hút hấp dẫn không đổi lên vật thể lân cận bị suy sụp Nếu mặt trời hố đen trở thành hố đen mà không khối lượng thì hành tinh quay chúng quay
Có cách để tìm kiếm hố đen tìm kiếm vật chất quay xung quanh vật thể khổng lồ, đặc khơng nhìn thấy Người ta quan sát nhiều hệ Có lẽ ấn tượng hố đen khổng lồ xuất tâm thiên hà quasar (hình 4.15)
Các tính chất hố đen thảo luận không gây nên vấn đề lớn cho định luận Thời gian kết thúc nhà du hành vũ trụ rơi vào hố đen chạm vào điểm kỳ dị Tuy nhiên, thuyết tương đối, người ta hoàn toàn tự đo thời gian với tốc độ khác địa điểm khác Do đó, người ta tăng tốc đồng hồ nhà du hành vũ trụ cô ta tiến đến gần điểm kỳ dị, nên, người ta ghi nhận khoảng thời gian vô tận Trên giản đồ thời gian – khoảng cách (hình 4.14), mặt phẳng mà thời gian số (mặt đẳng thời gian) dày đặc trung tâm – bên điểm mà kỳ dị xuất Nhưng mặt phẳng lại phù hợp với phép đo thời gian thông thường vùng không thời gian gần phẳng cách xa hố đen
Ta dùng thời gian vùng không thời gian gần phẳng cho phương trình Schrodinger tình hàm sóng thời điểm sau ta biết thời gian trước Do đó, ta có định luận Tuy vậy, đáng lưu ý rằng, thời điểm sau, phần (Hình 4.15) MỘT HỐ ĐEN Ở
TÂM THIÊN HÀ
Trái: Phát thiên hà NGC 4151 từ ống kính thiên hà trường rộng
Giữa: Đường nằm ngang hình ánh sáng phát từ hố đen tâm thiên hà 4151 Phải: Hình cho thấy tốc độ phát oxygen Tất chứng cho thấy NGC 4151 có chứa hố đen có khối lượng trăm triệu lần khối lượng mặt trời
(17)T I Ê N Đ O Á N T Ư Ơ N G L A I
Hình minh họa nhà du hành hạ cách xuống suy sập vào hồi 11 59 phút 57 giây chạm vào co lại tới bán kính tới hạn mà hấp dẫn mạnh khơng tín hiệu Nhà du hành gửi tín hiệu từ đồng hồ phi thuyền quay cách quanh khoảng cách
tương đối lớn
Một nhìn ngơi từ phía xa khơng nhìn thấy qua đường chân trời vào hố đen Thay vào đó, ngơi lượn lờ bên ngồi kích thước tới hạn đồng hồ bề mặt chậm dần tắt hẳn
Nhà du hành vũ trụ gửi tín hiệu vào hồi
1:59:
57
Nhà du hành vũ trụ gửi tín hiệu thứ hai vào hồi
1:59:
58
Nhà du hành vũ trụ gửi tín hiệu thứ hai vào hồi
1:59:
59
Tín hiệu từ nhà du hành vũ trụ vào hồi 12:00:00
KHÔNG GIAN
(18)V Ũ T R ụ T R O N G M ộ T V ỏ H ạ T
hàm sóng lại bên hố đen – nơi mà khơng bên ngồi quan sát thấy hàm sóng Vì thế, người quan sát – người đủ nhạy cảm để không bị rơi vào hố đen, khơng thể chạy ngược phương trình Schrodinger để tính hàm sóng thời điểm trước Để làm điều đó, ta cần biết phần hàm sóng nằm bên hố đen Phần hàm sóng có chứa thơng tin rơi vào hố đen Rất có khả lượng lớn thơng tin hố đen với khối lượng tốc độ quay cho tạo thành từ nhiều tập hợp hạt khác nhau; hố đen không phụ thuộc vào chất vật thể suy sụp để tạo nên John Wheeler gọi kết “hố đen khơng có tóc” Đối với người Pháp, điều khẳng định mối nghi ngờ họ
Khó khăn cho định luận xuất thấy hố đen khơng phải hồn tồn đen Như ta thấy chương 2, thuyết lượng tử ngụ ý trường khơng hồn tồn không mà ta gọi chân khơng Nếu chúng khơng chúng có vị trí điểm khơng tốc độ thay đổi hay cịn gọi vận tốc khơng Điều ngày vi phạm nguyên lý bất định nói người ta khơng thể xác định xác vận tốc vị trí Thay vào đó, tất trường cần phải có gọi thăng giáng chân không định (tương tự lắc chương phải có thăng giáng điểm khơng) Thăng giáng chân khơng giải thích theo vài cách khác thực tế chúng tương đương với mặt toán học Trên quan điểm thực chứng, ta khơng bị bó buộc sử dụng mơ hình hiệu cho toán đặt Trong trường hợp này, có ích coi thăng giáng chân khơng cặp hạt ảo xuất điểm không thời gian, chuyển động xa quay trở lại với hủy lẫn “Ảo” có nghĩa hạt khơng thể quan sát cách trực tiếp, ta đo hiệu ứng gián tiếp, phép đo phù hợp với tiên đoán lý thuyết với độ xác đáng kể (hình 4.16)
Nếu hố đen diện thành phần cặp hạt bị rơi vào hố đen để lại thành phần tự vào vơ tận (hình 4.17) Đối với người phía xa hố đen hạt dường phát xạ từ hố đen Ta trông đợi phổ hố đen phổ vật nóng với nhiệt độ tỷ lệ với trường hấp dẫn chân trời kiện – biên giới hố đen Nói cách khác, nhiệt độ hố đen phụ thuộc vào kích thước
Một hố đen có khối lượng gấp vài lần khối lượng mặt trời có nhiệt độ khoảng phần triệu độ không độ tuyệt đối, NHIỆT ĐỘ CỦA HỐ ĐEN
Hố đen phát xạ giống vật nóng có nhiệt độ (T)
chỉ phụ thuộc vào khối lượng Nói xác nhiệt độ cho cơng thức sau:
T = hc3/8πkGM
Trong công thức (c)
vận tốc ánh sáng, (h) số Plank, (G) số hấp dẫn Newton, (k) số Boltzman
Cuối (M) khối lượng hố đen, đó, hố đen nhỏ nhiệt độ cao Cơng thức cho thấy rằng, nhiệt độ hố đen có khối lượng vài lần khối lượng mặt trời có nhiệt độ khoảng phần triệu độ không độ tuyệt đối
(19)T I Ê N Đ O Á N T Ư Ơ N G L A I
(Hình 4.16, bên trái)
Trong không gian trống rỗng, cặp hạt xuất khoảnh khắc hủy lẫn
(Hình 4.17, bên trên)
Các hạt ảo xuất hủy lẫn gần chân trời kiện hố đen
(20)V Ũ T R ụ T R O N G M ộ T V ỏ H ạ T
hố đen lớn lại có nhiệt độ thấp Do vậy, xạ lượng tử từ hố đen bị chìm hồn tồn xạ 2,7 độ cịn sót lại từ vụ nổ lớn – xạ phông vũ trụ mà ta thảo luận chương Ta ghi xạ từ hố đen nhỏ nóng hơn, dường khơng có nhiều hố đen Thật đáng tiếc! Nếu người ta phát hố đen tơi giải Nobel Tuy nhiên có chứng khả quan gián tiếp xạ này, chứng đến từ vũ trụ sơ khai Như mô tả chương 3, người ta cho vào giai đoạn sớm lịch sử, vũ trụ trải qua thời kỳ lạm phát, vũ trụ giãn nở với tốc độ chưa có Q trình giãn nở thời kỳ nhanh số vật thể xa ánh Các kiện mà người quan sát khơng nhìn thấy
(Hình 4.18)
Nghiệm “de Sitter” phương trình trường thuyết tương đối biểu diễn vũ trụ giãn nở theo kiểu lạm phát Trên giản đồ, thời gian hướng lên kích thước vũ trụ theo phương nằm ngang Khoảng cách không gian tăng nhanh đến mức ánh sáng từ thiên hà xa xơi khơng đến với chúng ta, đó, có chân trời kiện giống chân trời kiện hố đen, biên giới ngăn cách vùng vũ trụ ta quan sát
Chân trời kiện người quan sát
Chân trời kiện