Bức xạ Hawking (Hawking radiation)

Cơ chế:

Theo lý thuyết trường lượng tử trong không thời gian cong, sự biến động lượng tử liên tục tạo ra các cặp hạt-phản hạt ảo. Thông thường, các cặp này tự hủy lẫn nhau gần như ngay lập tức. Tuy nhiên, ở gần chân trời sự kiện của một lỗ đen, đôi khi một hạt trong cặp có thể rơi vào lỗ đen trong khi hạt kia thoát ra ngoài. Hạt thoát ra ngoài này được quan sát dưới dạng bức xạ Hawking. Vì năng lượng cần thiết để tạo ra cặp hạt-phản hạt này được “mượn” từ trường hấp dẫn của lỗ đen, nên lỗ đen mất dần khối lượng khi phát ra bức xạ Hawking. Hiện tượng này được gọi là sự bay hơi lỗ đen. Quá trình này cực kỳ chậm đối với các lỗ đen có khối lượng sao hoặc lớn hơn, nhưng đối với các lỗ đen nhỏ hơn, hiệu ứng này trở nên đáng kể hơn, và về mặt lý thuyết, một lỗ đen đủ nhỏ có thể “bay hơi” hoàn toàn trong một khoảng thời gian hữu hạn. Nhiệt độ của bức xạ Hawking tỷ lệ nghịch với khối lượng của lỗ đen, nghĩa là các lỗ đen nhỏ hơn sẽ nóng hơn và phát ra bức xạ mạnh hơn.

Đặc điểm

• Nhiệt độ: Bức xạ Hawking có phổ nhiệt. Nhiệt độ của nó (T) tỷ lệ nghịch với khối lượng (M) của lỗ đen:

$T = \frac{\hbar c^3}{8\pi G k_B M}$

trong đó:

• $\hbar$ là hằng số Planck rút gọn
• $c$ là tốc độ ánh sáng
• $G$ là hằng số hấp dẫn
• $k_B$ là hằng số Boltzmann

Công thức này cho thấy lỗ đen càng nhỏ thì nhiệt độ càng cao và do đó phát ra bức xạ Hawking mạnh hơn.

• Công suất bức xạ: Công suất bức xạ của lỗ đen (P) tỷ lệ nghịch với bình phương khối lượng của nó:

$P \propto \frac{1}{M^2}$

• Thành phần: Bức xạ Hawking được dự đoán chứa tất cả các loại hạt cơ bản, bao gồm photon, neutrino và các hạt khác.

Ý nghĩa

Bức xạ Hawking có ý nghĩa quan trọng trong vật lý lý thuyết vì nó kết nối ba lĩnh vực quan trọng: thuyết tương đối rộng, cơ học lượng tử và nhiệt động lực học. Nó cũng đưa ra những thách thức đối với sự hiểu biết của chúng ta về thông tin trong lỗ đen và nguyên lý toàn vẹn thông tin. Việc lỗ đen có phát ra bức xạ và mất dần khối lượng đặt ra câu hỏi về điều gì xảy ra với thông tin bị hút vào lỗ đen, một vấn đề vẫn đang được tranh luận sôi nổi trong cộng đồng vật lý.

Thí nghiệm

Việc quan sát trực tiếp bức xạ Hawking từ lỗ đen thiên văn là cực kỳ khó khăn do nhiệt độ của chúng quá thấp so với nhiễu nền vũ trụ. Tuy nhiên, các nhà khoa học đang nghiên cứu các hệ thống tương tự trong phòng thí nghiệm, chẳng hạn như sử dụng chất ngưng tụ Bose-Einstein hoặc xung laser, để mô phỏng các khía cạnh của bức xạ Hawking và kiểm tra các dự đoán lý thuyết. Những thí nghiệm này không tạo ra lỗ đen thực sự, mà tạo ra các điều kiện tương tự cho phép nghiên cứu các hiệu ứng tương tự như bức xạ Hawking. Mặc dù chưa có bằng chứng thực nghiệm trực tiếp về bức xạ Hawking từ lỗ đen thiên văn, các thí nghiệm này cung cấp những hiểu biết giá trị về hiện tượng này.

Vấn đề thông tin nghịch lý

Sự bay hơi lỗ đen do bức xạ Hawking dẫn đến một nghịch lý quan trọng được gọi là nghịch lý thông tin. Theo cơ học lượng tử, thông tin không thể bị hủy diệt. Tuy nhiên, nếu một lỗ đen bay hơi hoàn toàn, thông tin về vật chất đã rơi vào nó dường như biến mất, mâu thuẫn với nguyên lý toàn vẹn thông tin. Vấn đề nằm ở chỗ bức xạ Hawking dường như chỉ mang thông tin về nhiệt độ của lỗ đen, chứ không phải về các vật chất đã tạo nên nó. Vẫn chưa có lời giải quyết dứt khoát cho nghịch lý này, và nó vẫn là một chủ đề nghiên cứu tích cực. Một số giả thuyết cho rằng thông tin có thể được mã hóa trong các tương quan tinh tế của bức xạ Hawking, hoặc rằng thông tin có thể được lưu trữ trong một tàn dư nào đó sau khi lỗ đen bay hơi.

Lỗ đen nguyên thủy

Bức xạ Hawking có ảnh hưởng đặc biệt quan trọng đối với các lỗ đen nguyên thủy, được cho là đã hình thành trong vũ trụ sơ khai. Do khối lượng nhỏ, các lỗ đen nguyên thủy có nhiệt độ cao hơn và do đó phát ra bức xạ Hawking mạnh hơn so với các lỗ đen sao. Nếu các lỗ đen nguyên thủy tồn tại, chúng có thể bay hơi hoàn toàn, tạo ra một vụ nổ năng lượng. Việc tìm kiếm các vụ nổ như vậy là một trong những cách để kiểm tra sự tồn tại của lỗ đen nguyên thủy. Tuy nhiên, cho đến nay, vẫn chưa có bằng chứng quan sát nào về sự tồn tại của lỗ đen nguyên thủy.

Mô phỏng bức xạ Hawking

Do khó khăn trong việc quan sát trực tiếp bức xạ Hawking từ lỗ đen thiên văn, các nhà khoa học đã phát triển các hệ thống tương tự trong phòng thí nghiệm để mô phỏng các khía cạnh của nó. Một số ví dụ bao gồm:

• Chất ngưng tụ Bose-Einstein: Trong các chất ngưng tụ Bose-Einstein, âm thanh không thể thoát ra khỏi một vùng nhất định, tương tự như cách ánh sáng không thể thoát ra khỏi lỗ đen. Các nhà nghiên cứu đã quan sát thấy một hiện tượng tương tự bức xạ Hawking trong các hệ thống này, trong đó các phonon (lượng tử âm thanh) bị tách ra tại ranh giới của vùng “lỗ đen âm thanh”.
• Xung laser: Bằng cách sử dụng xung laser cường độ cao, các nhà khoa học có thể tạo ra chân trời sự kiện nhân tạo và nghiên cứu sự phát xạ của các photon tương tự bức xạ Hawking. Ví dụ, việc chiếu laser cường độ cao vào plasma có thể tạo ra một vùng mà ánh sáng không thể thoát ra, và sự phát xạ từ ranh giới của vùng này có thể mang đặc điểm tương tự bức xạ Hawking.

Các thí nghiệm này cung cấp những hiểu biết quý giá về bức xạ Hawking và giúp kiểm tra các dự đoán lý thuyết.

Tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu về bức xạ Hawking vẫn đang tiếp tục phát triển. Các hướng nghiên cứu trong tương lai bao gồm:

• Cải thiện các mô phỏng trong phòng thí nghiệm để tái tạo chính xác hơn bức xạ Hawking.
• Phát triển các kỹ thuật mới để tìm kiếm các dấu hiệu gián tiếp của bức xạ Hawking từ lỗ đen thiên văn.
• Tiếp tục nghiên cứu lý thuyết để giải quyết nghịch lý thông tin và hiểu rõ hơn về mối liên hệ giữa trọng lực lượng tử, nhiệt động lực học và thông tin.

• Hawking, S. W. (1974). Black hole explosions?. Nature, 248(5444), 30-31.
• Hawking, S. W. (1975). Particle creation by black holes. Communications in Mathematical Physics, 43(3), 199-220.
• Wald, R. M. (1994). Quantum field theory in curved spacetime and black hole thermodynamics. University of Chicago press.
• Jacobson, T. (2003). Introduction to quantum fields in curved spacetime and the Hawking effect. arXiv preprint gr-qc/0308048.

Câu hỏi và Giải đáp

Nếu bức xạ Hawking làm lỗ đen mất khối lượng, tại sao chúng ta không quan sát thấy lỗ đen đang co lại đáng kể?

Trả lời: Đối với hầu hết lỗ đen thiên văn, tốc độ mất khối lượng do bức xạ Hawking cực kỳ chậm. Nhiệt độ của một lỗ đen có khối lượng bằng Mặt Trời chỉ khoảng 60 nanokelvin, thấp hơn nhiều so với nhiệt độ bức xạ nền vũ trụ (2.7 Kelvin). Do đó, lỗ đen hấp thụ nhiều năng lượng từ bức xạ nền hơn là mất đi do bức xạ Hawking. Chỉ những lỗ đen nguyên thủy rất nhỏ mới có thể bay hơi đáng kể trong tuổi đời của vũ trụ.

Bức xạ Hawking có phổ nhiệt. Vậy phổ này có đặc điểm gì?

Trả lời: Phổ bức xạ Hawking xấp xỉ với phổ bức xạ vật đen, có nghĩa là nó phát ra bức xạ ở tất cả các tần số, với cường độ phân bố theo định luật Planck. Nhiệt độ của vật đen này được xác định bởi công thức $T = \frac{\hbar c^3}{8\pi G k_B M}$.

Nghịch lý thông tin liên quan đến bức xạ Hawking là gì?

Trả lời: Nghịch lý thông tin phát sinh do sự mâu thuẫn giữa cơ học lượng tử, cho rằng thông tin không thể bị hủy diệt, và bức xạ Hawking. Nếu lỗ đen bay hơi hoàn toàn, thông tin về vật chất đã rơi vào nó dường như biến mất. Điều này mâu thuẫn với nguyên lý unitarity trong cơ học lượng tử.

Làm thế nào các nhà khoa học có thể mô phỏng bức xạ Hawking trong phòng thí nghiệm?

Trả lời: Các nhà khoa học sử dụng các hệ thống tương tự, chẳng hạn như chất ngưng tụ Bose-Einstein và xung laser, để tạo ra “chân trời sự kiện” nhân tạo. Trong chất ngưng tụ Bose-Einstein, âm thanh không thể thoát ra khỏi một vùng nhất định, tương tự như ánh sáng không thể thoát khỏi lỗ đen. Với xung laser, người ta có thể tạo ra các điều kiện tương tự chân trời sự kiện bằng cách thay đổi chiết suất của môi trường. Trong cả hai trường hợp, người ta đã quan sát thấy hiện tượng tương tự bức xạ Hawking.

Bức xạ Hawking có ý nghĩa gì đối với sự hiểu biết của chúng ta về vũ trụ?

Trả lời: Bức xạ Hawking có ý nghĩa quan trọng vì nó kết nối thuyết tương đối rộng, cơ học lượng tử và nhiệt động lực học. Nó cung cấp cái nhìn sâu sắc về vật lý của lỗ đen, sự tiến hóa của vũ trụ và có thể là chìa khóa để phát triển lý thuyết trọng lực lượng tử. Nó cũng đặt ra những câu hỏi cơ bản về bản chất của thông tin và số phận cuối cùng của lỗ đen.