Sóng hấp dẫn xác nhận định luật lỗ đen do Stephen Hawking dự đoán
Tác giả: Emily Conover[1]
“Luật diện tích” nói rằng diện tích bề mặt của lỗ đen không thể giảm theo thời gian
Sóng hấp dẫn từ hai lỗ đen hợp nhất (được hiển thị trong một mô phỏng), được phát hiện vào năm 2015, tiết lộ rằng tổng diện tích bề mặt của các lỗ đen không giảm khi chúng hợp nhất.
Mô phóng Dự án EXTREME SPACETIMES
Mặc dù bản chất bí ẩn của chúng, các lỗ đen (black hole) [2] được cho là tuân theo những quy tắc đơn giản nhất định. Giờ đây, một trong những định luật về lỗ đen nổi tiếng nhất, do nhà vật lý Stephen Hawking [3] dự đoán, đã được xác nhận với sóng hấp dẫn.
Nhà bác học Albert Einstein (15/3/1879 – 18/4/1955)
Theo định lý diện tích lỗ đen, được Hawking phát triển vào đầu những năm 1970, các lỗ đen không thể giảm diện tích bề mặt theo thời gian. Định lý diện tích thu hút các nhà vật lý bởi vì nó phản ánh một quy tắc vật lý nổi tiếng rằng sự rối loạn, hay còn gọi là entropi, không thể giảm theo thời gian. Thay vào đó, entropi tăng liên tục ( SN: 7/10/15 ).
Nhà bác học Stephen Hawking (8/1/1942 – 14/3/2018)
Đó là “một gợi ý thú vị rằng các khu vực lỗ đen là một cái gì đó cơ bản và quan trọng,” nhà vật lý thiên văn Will Farr của Đại học Stony Brook ở New York và Viện Flatiron ở Thành phố New York cho biết.
Diện tích bề mặt của một lỗ đen đơn độc sẽ không thay đổi – xét cho cùng, không gì có thể thoát ra từ bên trong. Tuy nhiên, nếu bạn ném thứ gì đó vào lỗ đen, nó sẽ tăng thêm khối lượng, làm tăng diện tích bề mặt của nó. Nhưng vật thể tới cũng có thể làm cho lỗ đen quay, làm giảm diện tích bề mặt. Định luật diện tích nói rằng sự gia tăng diện tích bề mặt do khối lượng bổ sung sẽ luôn lớn hơn sự giảm diện tích bề mặt do thêm spin.
Để kiểm tra quy luật khu vực này, nhà vật lý thiên văn MIT Maximiliano Isi, Farr và những người khác đã sử dụng các gợn sóng trong không thời gian bị khuấy động bởi hai lỗ đen xoắn ốc vào trong và hợp nhất thành một lỗ đen lớn hơn. Diện tích bề mặt của lỗ đen được xác định bởi chân trời sự kiện của nó – ranh giới mà từ đó nó không thể thoát ra được. Theo định lý diện tích, diện tích chân trời sự kiện của lỗ đen mới hình thành ít nhất phải lớn bằng diện tích chân trời sự kiện của hai lỗ đen ban đầu cộng lại.
Nhóm nghiên cứu đã phân tích dữ liệu từ các sóng hấp dẫn đầu tiên từng được phát hiện , được phát hiện bởi Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser tiên tiến, LIGO, vào năm 2015 ( SN: 2/11/16 ). Các nhà nghiên cứu đã chia dữ liệu sóng hấp dẫn thành hai phân đoạn thời gian, trước và sau khi hợp nhất, đồng thời tính toán diện tích bề mặt của các lỗ đen trong từng thời kỳ. Diện tích bề mặt của lỗ đen mới hình thành lớn hơn diện tích của hai lỗ đen ban đầu cộng lại, tuân theo quy luật diện tích với độ tin cậy 95% , nhóm nghiên cứu báo cáo trong một bài báo xuất hiện trên tạp chí Physical Review Letters .
Isi nói: “Đây là lần đầu tiên chúng tôi có thể đưa ra một con số về vấn đề này.”
Định lý diện tích là kết quả của lý thuyết tương đối rộng, mô tả vật lý của lỗ đen và sóng hấp dẫn. Các phân tích trước đây về sóng hấp dẫn đã đồng ý với các dự đoán của thuyết tương đối rộng, và do đó đã gợi ý rằng định luật diện tích không thể bị tắt một cách quá đáng. Nhưng nghiên cứu mới “là một xác nhận rõ ràng hơn,” về luật khu vực, nhà vật lý Cecilia Chirenti của Đại học Maryland ở College Park, người không tham gia nghiên cứu, cho biết.
Cho đến nay, thuyết tương đối rộng mô tả tốt về các lỗ đen. Nhưng các nhà khoa học không hiểu đầy đủ điều gì xảy ra khi thuyết tương đối rộng – thường áp dụng cho các vật thể lớn như lỗ đen – gặp cơ học lượng tử, mô tả những thứ nhỏ như nguyên tử và hạt hạ nguyên tử. Trong cõi lượng tử đó, những điều kỳ lạ có thể xảy ra.
Ví dụ, lỗ đen có thể giải phóng một lớp sương mờ của các hạt được gọi là bức xạ Hawking, một ý tưởng khác được Hawking phát triển vào những năm 1970. Hiệu ứng đó có thể cho phép các lỗ đen co lại, vi phạm luật diện tích, nhưng chỉ trong thời gian cực kỳ dài, vì vậy nó sẽ không ảnh hưởng đến sự hợp nhất tương đối nhanh chóng của các lỗ đen mà LIGO đã nhìn thấy.
Các nhà vật lý đang tìm kiếm một lý thuyết cải tiến sẽ kết hợp hai lĩnh vực này thành một lý thuyết mới, cải tiến về lực hấp dẫn lượng tử. Bất kỳ sự thất bại nào của các lỗ đen trong việc tuân thủ các quy tắc của thuyết tương đối rộng đều có thể hướng các nhà vật lý đi đúng hướng để tìm ra lý thuyết mới đó.
Vì vậy, các nhà vật lý có xu hướng khó chịu về sự thành công lâu dài của thuyết tương đối rộng, Farr nói. “Chúng tôi giống như, ‘ồ, nó đã đúng một lần nữa.'”
Hạnh Thục (chuyển ngữ và chú giải)
Chú thích:
[1 ] Emily Conover : Nhà văn vật lý Emily Conover có bằng Tiến sĩ về vật lý của Đại học Chicago. Bà là người hai lần giành được giải thưởng Bản tin vắn tắt của Hiệp hội Nhà văn Khoa học DC.
[2] Albert Einstein (15/3/1879 – 18/4/1955) là người đầu tiên tiên đoán về các lỗ đen năm 1916 với thuyết tương đối tổng quát. Thuật ngữ “lỗ đen” được đặt ra năm 1967 bởi nhà thiên văn học người Mỹ John Wheeler, và lỗ đen đầu tiên được phát hiện năm 1971.
[3] Stephen Hawking (8/1/1942 – 14/3/2018) là một nhà vật lý lý thuyết, nhà vũ trụ học, là tác giả của nhiều công trình khoa học về vũ trụ nổi tiếng. Ông là người đưa ra dự đoán rằng các lỗ đen (black hole) sẽ phát ra bức xạ (thường được gọi là bức xạ Hawking). Các tập sách phổ biến khoa học nổi tiếng của ông: A Brief History of Time (Lược sử thời gian – 1995), The Universes in a Nutshell (Vũ trụ trong vỏ hạt dẻ -2001)…
