Một bản cập nhật lý thuyết nổi tiếng của Stephen Hawking về hố đen tiết lộ mọi thứ trong vũ trụ cuối cùng đều sẽ bốc hơi.
Năm 1974, Hawking đề xuất rằng các hố đen cuối cùng sẽ bốc hơi thông qua hiện tượng được gọi là bức xạ Hawking - một quá trình dần dần mất năng lượng dưới dạng các hạt ánh sáng xung quanh trường hấp dẫn vô cùng mạnh của các hố đen.
Giờ đây, một bản cập nhật mới cho lý thuyết đó đã gợi ý rằng bức xạ Hawking không chỉ được tạo ra thông qua quá trình mất đi năng lượng của các hố đen, mà từ tất cả các vật thể có khối lượng đủ lớn.
Nếu lý thuyết này đúng, điều đó có nghĩa là mọi thứ trong vũ trụ cuối cùng sẽ biến mất, năng lượng của chúng dần dần thoát ra dưới dạng ánh sáng.
Tác giả chính Heino Falcke, giáo sư vật lý thiên văn tại Đại học Radboud, Hà Lan, cho biết trong một tuyên bố: "Điều đó có nghĩa là các vật thể không có chân trời sự kiện [giới hạn mà lực hấp dẫn lớn đến mức không thứ gì, kể cả ánh sáng, có thể thoát khỏi hố đen], chẳng hạn như tàn dư của các ngôi sao đã chết và các vật thể lớn khác trong vũ trụ, cũng có loại bức xạ này”.
Falcke nói thêm: “Và, sau một thời gian rất dài, điều đó khiến mọi thứ trong vũ trụ cuối cùng sẽ bốc hơi, giống như hố đen. Phát hiện mới không chỉ thay đổi hiểu biết của chúng ta về bức xạ Hawking mà còn cả quan điểm của chúng ta về vũ trụ và tương lai của nó”.
Số phận của vũ trụ
Theo lý thuyết trường lượng tử, không có cái gọi là chân không trống rỗng. Thay vào đó, không gian chứa đầy những rung động cực nhỏ. Nếu được cung cấp đủ năng lượng, các rung động đó sẽ ngẫu nhiên nổ thành các hạt ảo, tạo ra các gói ánh sáng hoặc photon năng lượng rất thấp.
Trong một bài báo mang tính bước ngoặt xuất bản năm 1974, Hawking đã đưa ra tiên đoán nổi tiếng rằng lực hấp dẫn cực lớn ở chân trời sự kiện của hố đen sẽ tạo ra các photon tồn tại theo cách nói trên.
Theo thuyết tương đối rộng của Einstein, lực hấp dẫn, thứ làm biến dạng không-thời gian, sẽ khiến các trường lượng tử ngày càng bị bóp méo khi chúng tiến gần đến điểm kỳ dị của hố đen.
Do tính bất định kỳ lạ trong cơ học lượng tử, Hawking cho biết việc biến dạng này tạo ra các “túi” không đồng đều có thời gian chuyển động khác nhau và các xung năng lượng tương ứng trên khắp trường không thời gian. Sự không khớp về năng lượng này làm cho các photon xuất hiện trong không gian bị bóp méo xung quanh các hố đen, hút năng lượng từ trường của hố đen để chúng có thể nổ xuất ra. Nếu các hạt sau đó thoát ra khỏi hố đen, thì vụ trộm năng lượng này đã khiến Hawking kết luận rằng — trong một khoảng thời gian dài hơn nhiều so với tuổi hiện tại của vũ trụ — các hố đen cuối cùng sẽ mất hết năng lượng và biến mất hoàn toàn.
Nhưng nếu trường hấp dẫn là tất cả những gì cần thiết để tạo ra thăng giáng lượng tử và photon, thì điều gì ngăn cản một vật thể bất kỳ có khối lượng làm biến dạng không-thời gian tạo ra bức xạ Hawking? Bức xạ Hawking có cần điều kiện đặc biệt là chân trời sự kiện của hố đen hay nó có thể được tạo ra ở bất kỳ đâu trong không gian? Để tìm hiểu về những vấn đề này, các tác giả của nghiên cứu mới đã phân tích bức xạ Hawking thông qua quá trình được dự đoán từ lâu gọi là hiệu ứng Schwinger, trong đó vật chất về mặt lý thuyết có thể được tạo ra từ những biến dạng mạnh do trường điện từ gây ra.
Bằng cách áp dụng khuôn khổ của hiệu ứng Schwinger cho lý thuyết của Hawking, các nhà vật lý lý thuyết đã tạo ra một mô hình toán học tái tạo bức xạ Hawking trong không gian có một loạt cường độ trường hấp dẫn khác nhau. Theo lý thuyết mới của họ, một chân trời sự kiện không phải là điều kiện tiên quyết để năng lượng rò rỉ từ từ từ một vật thể nặng dưới dạng ánh sáng; trường hấp dẫn của vật thể đó là đủ.
Tác giả thứ hai Walter van Suijlekom, giáo sư toán học tại Đại học Radboud, cho biết: “Chúng tôi chỉ ra rằng ngoài hố đen, độ cong của không-thời gian đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra bức xạ. Các hạt đã được tách ra ở đó [bên ngoài hố đen] bởi lực thủy triều của trường hấp dẫn”.
Tuy nhiên, tất cả chỉ là những suy đoán đang chờ xác nhận. Để tìm hiểu xem đó có phải là dự đoán đúng về số phận cuối cùng của vũ trụ chúng ta hay không, các nhà vật lý sẽ cần phát hiện ra một số bức xạ Hawking được tạo ra xung quanh các vật thể có lực hấp dẫn lớn — cả xung quanh hố đen và các hành tinh, ngôi sao hoặc sao neutron. Nếu mọi thứ đều được định sẵn là biến mất trong sáng mát mẻ, thì sẽ có rất nhiều nơi để tìm kiếm.
Nghiên cứu đã công bố trên tạp chí Physical Review Letters.
Theo Livescience
Văn Thiện biên dịch
