Jinu
Intern Writer
Hố đen - những thực thể bí ẩn và cực đoan nhất vũ trụ - luôn khiến chúng ta phải kinh ngạc. Tưởng chừng như những định luật vật lý đã phần nào "thuần hóa" được chúng, nhưng hóa ra, chúng ta vẫn đang tìm kiếm một bộ quy tắc hoàn chỉnh hơn, đặc biệt là khi hố đen không ngừng biến đổi.
Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã dựa vào những định luật cơ học hố đen của Stephen Hawking để hiểu về những "quái vật" vũ trụ này. Những định luật ấy đã tạo ra một cầu nối tuyệt vời giữa vật lý cực đoan của hố đen và vật lý thông thường, giống như cách chúng ta hiểu về nhiệt lượng, năng lượng và sự hỗn loạn (entropy) trong một ấm nước đang sôi.
Tuy nhiên, như Giáo sư Abhay Ashtekar từ Đại học bang Pennsylvania, trưởng nhóm nghiên cứu, đã chỉ ra, khung lý thuyết của Hawking có một hạn chế lớn. Các định luật này được xây dựng cho những hố đen ở trạng thái cân bằng, tức là không thay đổi theo thời gian. Nhưng trên thực tế, hố đen luôn năng động: chúng hình thành, sáp nhập và cuối cùng là bốc hơi. Nhóm nghiên cứu mong muốn tìm ra cách để mở rộng các định luật này cho những hố đen không ở trạng thái cân bằng.
Hố đen ngoài đời thực hiếm khi tĩnh lặng. Chúng liên tục tích tụ vật chất, va chạm với các hố đen khác và dần mất năng lượng thông qua các quá trình lượng tử. Vì vậy, việc áp dụng các định luật truyền thống cho chúng là một thách thức lớn.
Một nghiên cứu mới, do Giáo sư Ashtekar dẫn đầu và được đăng trên tạp chí *Physical Review Letters* (được chọn là "Editor's Suggestion"), đã đề xuất một phương pháp khác để tính toán entropy của hố đen. Entropy, thường được hiểu là thước đo mức độ hỗn loạn, theo định luật thứ hai của nhiệt động lực học, sẽ không bao giờ giảm.
Định nghĩa mới này liên kết entropy trực tiếp hơn với năng lượng và độ tự quay của hố đen. Các nhà nghiên cứu tin rằng cách tiếp cận này sẽ mở ra con đường thực tế hơn để nghiên cứu sự tiến hóa, sự bốc hơi hay quá trình sáp nhập của hố đen.
Ban đầu, hố đen dường như không tương thích với nhiệt động lực học. Daniel E. Palaia, nghiên cứu sinh vật lý tại Đại học bang Pennsylvania và là một trong những tác giả của bài báo, giải thích rằng các định luật cơ học hố đen bắt nguồn trực tiếp từ phương trình của Einstein. Vì không thể quan sát bên trong hố đen, người ta từng cho rằng có vô số cách để tạo ra chúng, dẫn đến entropy của chúng là vô hạn. Cũng có ý kiến cho rằng hố đen chỉ hấp thụ năng lượng mà không bức xạ, nên nhiệt độ của chúng bằng 0.
Quan điểm này thay đổi khi Stephen Hawking sử dụng cơ học lượng tử để chứng minh rằng hố đen có thể phát ra hạt và năng lượng. Hiện tượng này, được gọi là bức xạ Hawking, cho thấy hố đen có thể có nhiệt độ và dần mất khối lượng.
Theo Palaia, điều này đã thay đổi cách chúng ta nhìn nhận các đặc tính nhiệt động lực học của hố đen – từ một khái niệm toán học thuần túy thành một thực thể vật lý hơn. Nó mở ra cánh cửa để tìm kiếm sự tương đồng giữa entropy và nhiệt độ trong nhiệt động lực học với hố đen.
Hawking đã đề xuất rằng entropy của hố đen tỷ lệ thuận với diện tích chân trời sự kiện của nó. Chân trời sự kiện là ranh giới xung quanh hố đen mà một khi vượt qua, lực hấp dẫn sẽ ngăn cản mọi thứ, kể cả ánh sáng, thoát ra ngoài. Ông cũng cho rằng nhiệt độ của hố đen tỷ lệ nghịch với một sự kết hợp nào đó giữa khối lượng và độ tự quay của nó.
Tuy nhiên, khung lý thuyết này hoạt động tốt với các hố đen ổn định, nhưng lại khó áp dụng khi hố đen thay đổi.
Jonathan Shu, một nghiên cứu sinh vật lý khác tại Đại học bang Pennsylvania và đồng tác giả của bài báo, chỉ ra vấn đề: những sự tương đồng này chỉ thực sự hiệu quả với các hố đen ở trạng thái cân bằng. Trong các tình huống động, chân trời sự kiện có thể hình thành và mở rộng ở những vùng không gian-thời gian mà ban đầu không có hoạt động nào. Điều này khiến chúng có đặc tính "mục đích luận" – tức là các đặc tính của chúng không chỉ được xác định bởi vật lý cục bộ của hố đen mà còn phụ thuộc vào dự đoán về các sự kiện có thể xảy ra hoặc không xảy ra trong tương lai. Do đó, diện tích chân trời sự kiện không thể là thước đo entropy vật lý cho các hố đen động. Nếu chúng ta muốn hiểu các hố đen đang phát triển, bốc hơi và sáp nhập, chúng ta cần một giải pháp thay thế khả thi.
Nói cách khác, vị trí của chân trời sự kiện không chỉ được xác định bởi những gì đang xảy ra xung quanh hố đen tại một thời điểm nhất định. Vị trí của nó có thể phụ thuộc vào các sự kiện sẽ xảy ra sau đó. Đặc tính "nhìn về phía trước" này khiến việc sử dụng chân trời sự kiện làm thước đo vật lý trực tiếp cho entropy trong các hố đen đang tiến hóa trở nên khó khăn.
Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đề xuất thay thế chân trời sự kiện bằng cái gọi là chân trời động lực (dynamic horizon), một khái niệm đã được sử dụng rộng rãi trong các mô phỏng máy tính về hố đen.
Không giống như chân trời sự kiện, chân trời động lực có thể được định nghĩa bằng cách sử dụng các đặc tính vật lý của hố đen tại một thời điểm cụ thể. Điều này giúp tránh được vấn đề mục đích luận và có thể cung cấp một phương pháp thực tế hơn để theo dõi entropy trong quá trình hố đen thay đổi.
Giáo sư Ashtekar chia sẻ rằng điều này cho phép chúng ta mở rộng định luật nhiệt động lực học thứ nhất và thứ hai cho các hố đen không ở trạng thái cân bằng, vượt qua những hạn chế của mô hình đã được sử dụng trong hơn nửa thế kỷ. Chúng ta có thể áp dụng các định luật tổng quát này để hiểu rõ hơn về các hố đen bốc hơi trong lý thuyết lượng tử, cũng như các sự kiện sáp nhập hố đen mà các nhóm hợp tác như LIGO-Virgo-KAGRA đã phát hiện bằng sóng hấp dẫn.
Khung lý thuyết mở rộng này có thể giúp các nhà vật lý giải thích các hiện tượng sáp nhập hố đen được quan sát qua sóng hấp dẫn và nghiên cứu quá trình bốc hơi hố đen trong lý thuyết lượng tử – một quá trình vẫn còn nhiều bí ẩn.
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Dự án Giáo sư Atherton của Đại học bang Pennsylvania và Trường Cao đẳng Khoa học Eberly của Đại học bang Pennsylvania.
Theo Penn State.
Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã dựa vào những định luật cơ học hố đen của Stephen Hawking để hiểu về những "quái vật" vũ trụ này. Những định luật ấy đã tạo ra một cầu nối tuyệt vời giữa vật lý cực đoan của hố đen và vật lý thông thường, giống như cách chúng ta hiểu về nhiệt lượng, năng lượng và sự hỗn loạn (entropy) trong một ấm nước đang sôi.
Tuy nhiên, như Giáo sư Abhay Ashtekar từ Đại học bang Pennsylvania, trưởng nhóm nghiên cứu, đã chỉ ra, khung lý thuyết của Hawking có một hạn chế lớn. Các định luật này được xây dựng cho những hố đen ở trạng thái cân bằng, tức là không thay đổi theo thời gian. Nhưng trên thực tế, hố đen luôn năng động: chúng hình thành, sáp nhập và cuối cùng là bốc hơi. Nhóm nghiên cứu mong muốn tìm ra cách để mở rộng các định luật này cho những hố đen không ở trạng thái cân bằng.
Hố đen ngoài đời thực hiếm khi tĩnh lặng. Chúng liên tục tích tụ vật chất, va chạm với các hố đen khác và dần mất năng lượng thông qua các quá trình lượng tử. Vì vậy, việc áp dụng các định luật truyền thống cho chúng là một thách thức lớn.
Một nghiên cứu mới, do Giáo sư Ashtekar dẫn đầu và được đăng trên tạp chí *Physical Review Letters* (được chọn là "Editor's Suggestion"), đã đề xuất một phương pháp khác để tính toán entropy của hố đen. Entropy, thường được hiểu là thước đo mức độ hỗn loạn, theo định luật thứ hai của nhiệt động lực học, sẽ không bao giờ giảm.
Định nghĩa mới này liên kết entropy trực tiếp hơn với năng lượng và độ tự quay của hố đen. Các nhà nghiên cứu tin rằng cách tiếp cận này sẽ mở ra con đường thực tế hơn để nghiên cứu sự tiến hóa, sự bốc hơi hay quá trình sáp nhập của hố đen.
Ban đầu, hố đen dường như không tương thích với nhiệt động lực học. Daniel E. Palaia, nghiên cứu sinh vật lý tại Đại học bang Pennsylvania và là một trong những tác giả của bài báo, giải thích rằng các định luật cơ học hố đen bắt nguồn trực tiếp từ phương trình của Einstein. Vì không thể quan sát bên trong hố đen, người ta từng cho rằng có vô số cách để tạo ra chúng, dẫn đến entropy của chúng là vô hạn. Cũng có ý kiến cho rằng hố đen chỉ hấp thụ năng lượng mà không bức xạ, nên nhiệt độ của chúng bằng 0.
Quan điểm này thay đổi khi Stephen Hawking sử dụng cơ học lượng tử để chứng minh rằng hố đen có thể phát ra hạt và năng lượng. Hiện tượng này, được gọi là bức xạ Hawking, cho thấy hố đen có thể có nhiệt độ và dần mất khối lượng.
Theo Palaia, điều này đã thay đổi cách chúng ta nhìn nhận các đặc tính nhiệt động lực học của hố đen – từ một khái niệm toán học thuần túy thành một thực thể vật lý hơn. Nó mở ra cánh cửa để tìm kiếm sự tương đồng giữa entropy và nhiệt độ trong nhiệt động lực học với hố đen.
Hawking đã đề xuất rằng entropy của hố đen tỷ lệ thuận với diện tích chân trời sự kiện của nó. Chân trời sự kiện là ranh giới xung quanh hố đen mà một khi vượt qua, lực hấp dẫn sẽ ngăn cản mọi thứ, kể cả ánh sáng, thoát ra ngoài. Ông cũng cho rằng nhiệt độ của hố đen tỷ lệ nghịch với một sự kết hợp nào đó giữa khối lượng và độ tự quay của nó.
Tuy nhiên, khung lý thuyết này hoạt động tốt với các hố đen ổn định, nhưng lại khó áp dụng khi hố đen thay đổi.
Jonathan Shu, một nghiên cứu sinh vật lý khác tại Đại học bang Pennsylvania và đồng tác giả của bài báo, chỉ ra vấn đề: những sự tương đồng này chỉ thực sự hiệu quả với các hố đen ở trạng thái cân bằng. Trong các tình huống động, chân trời sự kiện có thể hình thành và mở rộng ở những vùng không gian-thời gian mà ban đầu không có hoạt động nào. Điều này khiến chúng có đặc tính "mục đích luận" – tức là các đặc tính của chúng không chỉ được xác định bởi vật lý cục bộ của hố đen mà còn phụ thuộc vào dự đoán về các sự kiện có thể xảy ra hoặc không xảy ra trong tương lai. Do đó, diện tích chân trời sự kiện không thể là thước đo entropy vật lý cho các hố đen động. Nếu chúng ta muốn hiểu các hố đen đang phát triển, bốc hơi và sáp nhập, chúng ta cần một giải pháp thay thế khả thi.
Nói cách khác, vị trí của chân trời sự kiện không chỉ được xác định bởi những gì đang xảy ra xung quanh hố đen tại một thời điểm nhất định. Vị trí của nó có thể phụ thuộc vào các sự kiện sẽ xảy ra sau đó. Đặc tính "nhìn về phía trước" này khiến việc sử dụng chân trời sự kiện làm thước đo vật lý trực tiếp cho entropy trong các hố đen đang tiến hóa trở nên khó khăn.
Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đề xuất thay thế chân trời sự kiện bằng cái gọi là chân trời động lực (dynamic horizon), một khái niệm đã được sử dụng rộng rãi trong các mô phỏng máy tính về hố đen.
Không giống như chân trời sự kiện, chân trời động lực có thể được định nghĩa bằng cách sử dụng các đặc tính vật lý của hố đen tại một thời điểm cụ thể. Điều này giúp tránh được vấn đề mục đích luận và có thể cung cấp một phương pháp thực tế hơn để theo dõi entropy trong quá trình hố đen thay đổi.
Giáo sư Ashtekar chia sẻ rằng điều này cho phép chúng ta mở rộng định luật nhiệt động lực học thứ nhất và thứ hai cho các hố đen không ở trạng thái cân bằng, vượt qua những hạn chế của mô hình đã được sử dụng trong hơn nửa thế kỷ. Chúng ta có thể áp dụng các định luật tổng quát này để hiểu rõ hơn về các hố đen bốc hơi trong lý thuyết lượng tử, cũng như các sự kiện sáp nhập hố đen mà các nhóm hợp tác như LIGO-Virgo-KAGRA đã phát hiện bằng sóng hấp dẫn.
Khung lý thuyết mở rộng này có thể giúp các nhà vật lý giải thích các hiện tượng sáp nhập hố đen được quan sát qua sóng hấp dẫn và nghiên cứu quá trình bốc hơi hố đen trong lý thuyết lượng tử – một quá trình vẫn còn nhiều bí ẩn.
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Dự án Giáo sư Atherton của Đại học bang Pennsylvania và Trường Cao đẳng Khoa học Eberly của Đại học bang Pennsylvania.
Theo Penn State.
