Hố đen kỳ bí
Sao - Tinh vân
Tác giả: Trần Văn Tính
11/09/2007
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 vào năm 1783 trên một bài báo khoa học đăng
trên tạp chí của Viện hàn lâm Hoàng gia Anh Quốc. Lúc bấy giờ, lý thuyết cơ học cổ điển của
Isaac Newton về hấp dẫn và khái niệm vận tốc thoát đã được biết. Michell đã tính rằng, một vật
thể có bán kính gấp 500 lần Mặt Trời và có mật độ bằng mật độ Mặt Trời thì vận tốc thoát ở bề

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 tích. Nguyên lý này đã được John Wheeler tóm tắt
trong câu nói "hố đen không có tóc".
Các vật thể chuyển động trong trường hấp dẫn thì thời gian sẽ bị chậm đi được gọi là sự giãn nở
của thời gian. Điều này đã được chứng minh bằng thực nghiệm trong một thí nghiệm phóng tên
lửa do thám vào năm 1976 [1], và được tính đến trong Hệ thống định vị toàn cầu (GPS). Gần chân
trời sự kiện, sự giãn nở thời gian xảy ra rất nhanh. Đối với một người quan sát từ bên ngoài thì họ
sẽ đợi một khoảng thời gian vô tận để quan sát vật thể khi vật thể đến gần chân trời sự kiện vì ánh
sáng từ vật thể bị dịch chuyển vô hạn về phía đỏ.
Điểm kỳ dị
Tại tâm của hố đen, bên trong chân trời sự kiện, lý thuyết tương đối rộng tiên đoán có một điểm kỳ
dị (singularity), tại đó độ cong của không thời gian trở nên vô hạn và lực hấp dẫn cũng mạnh vô
hạn. Không-thời gian bên trong chân trời sự kiện rất đặc biệt, trong đó tất cả các đều chuyển động
vào tâm mà không thể cưỡng lại được (Penrose và Hawking [2]). Điều này có nghĩa là tồn tại một
sai lầm về khái niệm về hố đen mà John Michell đề xuất trước đây. Theo lý thuyết của Michell, vận
tốc thoát bằng vận tốc ánh sáng, tuy vậy, vẫn còn một xác suất lý thuyết để vật thể có thể thoát ra
giống như kéo vật thể ra ngoài bằng một sợi dây. Lý thuyết tương đối rộng loại bỏ những kẽ hở
(loophole) như thế này vì vật thể nằm trong chân trời sự kiện thì thời gian tuyến sẽ có một điểm

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).
Hố đen quay
Về lý thuyết, chân trời sự kiện của một hố đen không quay là một hình cầu, và điểm kỳ dị của nó là
một điểm. Nếu hố đen có mô men góc (thừa hưởng từ ngôi sao quay trước khi bị suy sập thành hố
đen) thì nó sẽ kéo theo cả không-thời gian xung quanh chân trời sự kiện. Vùng không gian xung
quanh chân trời sự kiện được gọi là hình cầu cơ công và có dạng một hình e-líp. Vì hình cầu cơ
công định vị bên ngoài chân trời sự kiện nên các vật thể có thể tồn tại bên trong hình cầu cơ công
mà không bị rơi vào hố đen. Tuy nhiên, vì bản thân không-thời gian chuyển động bên trong hình
cầu cơ công nên các vật thể không thể có một vị trí cố định. Các vật thể trượt trên hình cầu cơ
công vài lần có thể bị văng ra ngoài với vận tốc rất lớn và giải thoát năng lượng (và mô men góc)
khỏi hố đen -- do đó mới có tên "hình cầu cơ công" vì nó có khả năng tạo ra công cơ học.
Entropy và bức xạ Hawking
Năm 1971, Stephen Hawking chứng minh rằng diện tích của chân trời sự kiện của bất kỳ hố đen
cố điển đều không bao giờ giảm. Điều này tương tự như định luật thứ hai của nhiệt động lực học,
trong đó vai trò của diện tích của chân trời sự kiện tương ứng với entropy. Người ta có thể vi phạm
nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học bằng việc vật chất trong vũ trụ của chúng ta đi vào hố
đen và do đó làm giảm entropy của toàn vũ trụ. Chính vì vậy mà Jacob Bekenstein giả thiết rằng
hố đen cũng có entropy và entropy của nó tỷ lệ với diện tích của chân trời sự kiện. Tuy nhiên,
1974, Hawking áp dụng lý thuyết trường lượng tử cho không-thời gian cong xung quanh chân trời
sự kiện của hố đen và phát hiện ra rằng các hố đen có thể phát xạ nhiệt -- bức xạ mà hố đen phát
ra được gọi là bức xạ Hawking. Sử dụng định luật thứ nhất của cơ học hố đen người ta thấy rằng
entropy của hố đen bằng một phần tư diện tích của chân trời sự kiện. Đây là một kết quả phổ quát,
có thể áp dụng cho chân trời vũ trụ trong không-thời gian de Sitter. Sau đó, người ta còn cho rằng,
hố đen là các vật thể có entropy cực đại, tức là, trong vùng không-thời gian nào đó, entropy cực
đại chính là entropy của hố đen 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