Hố đen kỳ bí
Phần 1

Hố đen, còn gọi là lỗ đen, là một vật thể có mật độ khối lượng lớn
đến nỗi lực hấp dẫn làm cho mọi vật thể không thể nào thoát ra được, trừ
việc xuyên qua đường hầm lượng tử. Truờng hấp dẫn mà hố đen tạo ra rất
lớn, vì vậy, vận tốc thoát ở vùng gần hố đen lớn hơn vận tốc ánh sáng. Điều
này dẫn đến việc không có vật thể nào, kể cả ánh sáng, có thể thoát ra ngoài
hố đen.
Từ "hố đen" xuất phát từ một nghĩa rộng, nó không chỉ dừng lại ở
khái niệm "hố" mà còn là một vùng không gian ảnh hưởng bởi hố đen. Lý
thuyết về hố đen là một trong số các lý thuyết hiếm hoi trong vật lý bao trùm
mọi thang đo khoảng cách, từ kích thước cực nhỏ (thang Planck) đến kích
thước quan sát vũ trụ, do vậy có thể kiểm chứng cùng lúc thuyết lượng tử
(cho thang nhỏ) và thuyết tương đối (cho thang lớn).
Hố đen được dự đoán bởi lý thuyết tương đối rộng. Theo mô hình
thuyết tương đối rộng cổ điển, không một vật chất hay thông tin nào có thể
thoát ra khỏi hố đen để tới tầm quan sát bên ngoài được. Tuy nhiên, các hiệu
ứng của cơ học lượng tử, không có trong thuyết tương đối rộng cổ điển, có
thể cho phép vật chất và năng lượng bức xạ từ các hố đen. Một số lý thuyết
cho rằng bản chất tự nhiên của bức xạ không phụ thuộc vào những thứ đã rơi
vào trong hố đen trong quá khứ, nói cách khác hố đen xóa sạch mọi thông
tin quá khứ, đây là nghịch lý thông tin hố đen. Nghịch lý này dường như đã
được loại bỏ bởi lý thuyết gần đây và dường như thông tin vẫn được bảo
toàn trong hố đen.
Sự tồn tại của các hố đen trong vũ trụ được củng cố bởi các quan sát
thiên văn, cụ thể là việc nghiên cứu về các sao siêu mới và các bức xạ tia X
từ các lò hoạt động hạt nhân vũ trụ
Lịch sử
Khái niệm một vật thể nặng đến độ ngay cả ánh sáng cũng không thể
thoát khỏi vật đó đã được một nhà khoa học người Anh John Michell đưa ra

sao nặng sẽ phải chịu quá trình suy sập do hấp dẫn. Các hố đen có thể hình
thành trong tự nhiên. Trong một thời gian, người ta gọi các vật thể như vậy
là các "ngôi sao bị đóng băng" vì sự suy sập sẽ bị chậm đi một cách nhanh
chóng và ngôi sao sẽ trở nên rất đỏ khi đạt đến gần giới hạn Schwarzschild.
Tuy vậy, các vật thể nặng như thế không được quan tâm lắm cho đến cuối
những năm 1960. Phần lớn các nhà vật lý, vào lúc đó, tin rằng hố đen là một
nghiệm đối xứng cao đặc biệt do Schwarzschild tìm ra, và các vật thể bị suy
sập trong tự nhiên sẽ không tạo nên các hố đen.
Việc nghiên cứu về hố đen trở nên sôi nổi vào năm 1967 do sự tiến bộ
của lý thuyết và thực nghiệm. Stephen Hawking và Roger Penrose đã chứng
minh rằng các hố đen là các nghiệm tổng quát của lý thuyết hấp dẫn của
Einstein, và sự suy sập để tạo nên hố đen, trong một số trường hợp, là không
thể tránh được. Sự quan tâm đến lĩnh vực này còn được khởi phát từ việc tìm
ra sao pulsar. Ngay sau đó, nhà vật lý John Wheeler đã sử dụng từ "hố đen"
để chỉ các vật thể sau khi bị suy sập đến mật độ vô hạn mặc dù trước đó một
thời gian, từ "ngôi sao đen" thỉnh thoảng được sử dụng.
Các khái niệm
Nghiên cứu hố đen yêu cầu các kiến thức về lý thuyết tương đối rộng
của không-thời gian cong: tính chất đặc biệt nhất là sự biến dạng của không-
thời gian xung quanh các hố đen.
Chân trời sự kiện
"Bề mặt" của hố đen được gọi là chân trời sự kiện, đó là một bề mặt
ảo xung quanh hố đen. Stephen Hawking đã sử dụng định lý Gauss-Bonnet
để chứng minh rằng hình học tô-pô của chân trời sự kiện của một hố đen
(bốn chiều) là một hình cầu. Tại chân trời sự kiện, vận tốc thoát chính bằng
vận tốc ánh sáng. Do đó, bất kỳ vật gì, kể cả quang tử bên trong chân trời sự
kiện đều không thể thoát khỏi chân trời sự kiện đó vì trường hấp dẫn quá
mạnh của hố đen. Các hạt bị rơi vào hố đen sẽ không thể thoát ra được.
Theo lý thuyết tương đối rộng cổ điển, các hố đen có thể hoàn toàn
được đặc trưng bởi ba thông số: khối lượng, mô men động lượng và điện

trần trụi trong lý thuyết tương đối rộng: mỗi điểm kỳ dị phải nấp sau chân
trời sự kiện và không thể bị khám phá.
Một trường phái tư tưởng khác cho rằng chẳng có điểm kỳ dị nào cả,
bởi vì, các lực giống như lực gây ra thủy triều sẽ làm giảm mật độ vật chất
khi nó đi xuyên qua chân trời sự kiện. Nếu một nhà du hành vũ trụ lỡ để
chân của anh ta rơi vào hố đen thì các lực thủy triều dọc theo bán kính sẽ
kéo đầu và chân của anh ta theo hai hướng ngược nhau và do đó, sẽ làm
giảm mật độ (tức là tăng thể tích) trong khi đó thì lực thủy triều tại một bán
kính không đổi có xu hướng kéo hai tay anh ta lại với nhau khi bán kính hội
tụ, làm gia tăng mật độ (giảm thể tích). Tuy nhiên, tại chân trời sự kiện, bán
kính đó lại song song với nhau trong giản đồ nhúng (giản đồ để hình dung
nghiệm Schwarzschild trong không gian Euclide), không hội tụ, do đó, mật
độ vật chất sẽ giảm và làm dừng quá trình suy sập hấp dẫn.
Đi vào một hố đen
Ảnh hưởng của trường hấp dẫn của hố đen có thể xác định từ lý thuyết
tương đối. Khi một vật thể tiến lại gần tâm của hố đen không quay (hố đen
Schwarzschild) thì người quan sát từ xa sẽ thấy vật thể đó tiến đến chân trời
sự kiện một cách chậm dần vì một quang tử từ vật thể đó phải mất một thời
gian lâu hơn để thoát ra khỏi ảnh hưởng của hố đen để cho người quan sát
biết số phận của vật thể đó.
Đối với bản thân vật thể, nó sẽ đi qua chân trời sự kiện và đến điểm
kỳ dị, hoặc vào tâm của hố đen trong một khoảng thời gian hữu hạn. Khi nó
đi qua chân trời sự kiện thì ánh sáng không thể thoát khỏi hố đen được nữa
nên người quan sát ở ngoài hố đen sẽ không còn có thể biết thông tin của vật
thể. Khi vật thể tiến gần hơn nữa đến điểm kỳ dị, nó sẽ bị kéo dài ra và phần
vật thể gần hố đen nhất nhất sẽ bị dịch chuyển đỏ cho đến khi tất cả các phần
biến mất. Gần điểm kỳ dị, sự sai khác của trường hấp dẫn giữa điểm gần và
điểm xa trên vật thể rất lớn, điều này sẽ tạo nên một lực thủy triều làm cho
vật thể bị kéo và bị xé ra, điều này được gọi là quá trình "tạo mì ống"
(spaghettification).

chiếm vùng không thời gian đó. Điều này dẫn đến nguyên lý ảnh ba chiều
(còn gọi là nguyên lý ảnh đa chiều).
Bức xạ Hawking xuất phát từ ngay bên ngoài chân trời sự kiện, và cho
tới nay người ta vẫn hiểu là nó không mang thông tin từ bên trong hố đen vì
đó là bức xạ nhiệt. Tuy nhiên, điều này có nghĩa là các hố đen không phải là
hoàn toàn đen: hiệu ứng này ngụ ý rằng khối lượng của một hố đen sẽ dần
dần giảm theo thời gian. Mặc dù hiệu ứng này rất nhỏ đối với người nghiên
cứu hố đen, nó chỉ đáng kể đối với các hố đen siêu nhỏ được tiên đoán lý
thuyết, mà ở đó, cơ học lượng tử có tác động chính. Thực ra, các tính toán
cho thấy rằng các hố đen nhỏ có thể bị bay hơi và cuối cùng sẽ biến mất
trong một đợt vùng phát bức xạ. Do đó, các hố đen mà không có nguồn bổ
sung cho khối lượng của chúng đều có một thời gian sống hữu hạn, và thời
gian đó liên hệ với khối lượng của chúng.
Vào ngày 21 tháng 7 năm 2004 Stephen Hawking tuyên bố rằng cuối
cùng thì các hố đen sẽ giải phóng các thông tin mà chúng nuốt [3], đảo
ngược lại quan điểm mà ông đưa ra trước đó là thông tin sẽ bị biến mất. Ông
cho rằng, nhiễu loạn lượng tử của chân trời sự kiện có thể cho phép thông tin
thoát ra từ một hố đen và ảnh hưởng đến bức xạ Hawking [4]. Lý thuyết vẫn
chưa được các nhà khoa học phản biện, nhưng nếu nó được chấp nhận thì
dường như chúng ta đã giải quyết được nghịch lý về thông tin hố đen.