span.fullpost {display:none;}

2004/12/26

Hawking bóp chết nghịch lý của ông

Lược dịch: Dạ Trạch
Theo C. Seife, Science, 305 (2004) 586, và 934


Trong một buổi xuất hiện trước báo chí tại Dublin, Hawking đã thu hút được sự chú í của công chúng khi ông tuyên bố rằng ông đã giải quyết được một trong các vấn đề quan trọng nhất của vật lí đó là các hố đen có phá hủy thông tin mà nó nuốt hay không. Phát biểu trong một buổi họi thảo chật ních các nhà vật lí và nhà báo, giáo sư đại học Cambridge này đã đảo ngược quan điểm mà ông theo đuổi bấy lâu nay và cho rằng thông tin vẫn tồn tại. Và ông thừa nhận đã thua vụ cá cược vật lí và phải mất một cuốn từ điển bách khoa cho người thắng cuộc.

Hawking nói trong một bài phát biểu: “thật tuyệt vời khi tôi giải quyết được vấn đề đã làm tôi đau đầu trong gần ba mươi năm”. Tuy nhiên, các nhà vật lí khác vẫn nghi ngờ việc ông đã giải quyết được bài toán bí ẩn đó.

Câu hỏi điều gì sẽ xảy ra khi thông tin rơi vào hố đen là tâm điểm của ‎các tư tưởng vật lí hiện đại. Các nhà khoa học thế kỷ 19 đã chỉ ra rằng năng lượng không thể tự nhiên sinh ra và cũng không tự nhiên mất đi và các nhà khoa học thế kỷ 20 kết luận rằng thông tin vẫn được bảo toàn. Nếu đúng thế thì bảo toàn thông tin là nguyên lí quan trọng nhất của khoa học, có khi còn quan trọng hơn cả định luật bảo toàn năng lượng và khối lượng. Tuy nhiên, vẫn có một trở ngại lớn: đó là các hố đen.

Hố đen là một ngôi sao bị suy sập, một con quái vật khổng lồ, nó hút và bẫy tất cả các vật thể quanh nó bằng lực hấp dẫn của nó. Trái đất cũng hút chúng ta, nhưng chúng ta có thể thoát khỏi lưc hút của trái đất bằng một tên lửa với vận tốc lớn hơn vận tốc thoát của trái đất vào khoảng 11 km/giây. Với các hố đen thì vận tốc thoát còn lớn hơn vận tốc ánh sáng, mà theo thuyết tương đối thì không có gì có thể chuyển động nhanh hơn ánh sáng nên tất cả mọi vật, kể cả ánh sáng cũng không thể thoát được khỏi hố đen nếu chúng bay gần hố đen. Có một gianh giới mà nếu bạn vượt qua nó thì bạn không thể nào thoát ra được, đó là chân trời sự kiện.

Khi một vật thể rơi vào hố đen, năng lượng và khối lượng của nó để lại dấu tích có thể quan sát được đó là khối lượng của hố đen tăng lên. Tuy vậy, theo thuyết tương đối, các thông tin mà vật thể có sẽ bị mất đi không thể vãn hồi: người quan sát bên ngoài hố đen không thể biết là hố đen đã nuốt một tấn chì, một tấn da thú hay một tấn xe hơi. Nếu các hố đen phá hủy các thông tin này thì định luật bảo toàn thông tin không phải là một định luật phổ quát.

Việc tranh luận diễn ra ác liệt về việc có phải các hố đen là những trường hợp ngoại lệ cá biệt hay không, người thắng cuộc sẽ được một cuốn từ điển bách khoa toàn thư như í.

Tại hội thảo ở Dublin, Hawking đã thừa nhận thua cuộc. Sử dụng một công cụ toán học được biết với cái tên là phương pháp tích phân đường Euclide (Euclidean path integral Method), Hawking tự chứng minh rằng thông tin không bị phá hủy khi rơi vào hố đen. Ông nói: “nếu bạn nhảy vào hố đen thì khối lượng và năng lượng của bạn sẽ trở về với vũ trụ. Nhưng các thông tin về bạn như thế rất khó được nhận ra vì chúng bị biến dạng nhiều. Điều đó có nghĩa là các hố đen không phải là một cánh cửa để bước sang một vũ trụ khác, một khả dĩ khác. Tôi rất lấy làm tiếc cho những người hâm mộ chuyện khoa học viễn tưởng”.

Một người thắng cuộc là Preskill nhận cuốn từ điển về bóng chày còn người kia là Thorne thì từ chối thắng cuộc, ông nói “tôi từ chối là vì tôi cần phải xem kĩ hơn, nhưng tôi nghĩ rằng Stephen dường như đúng”.

Những người khác thì lưỡng lự hơn. Một trong số đó là Friedman, ông nghi ngờ phương pháp toán học của Hawking. Các nhà lí thuyết trường lượng tử rất thích dùng phương pháp tích phân đường Euclide để giải các bài toán gồm hạt và trường nhưng phần lớn các nhà lí thuyết hấp dẫn không dùng phương pháp đó vì nó sẽ dẫn đến các phương trình với những điểm vô hạn khó có thể xử lí được. Các nhà lí thuyết hấp dẫn thích phương pháp Lorentz dễ hiểu hơn. Chưa ai chứng minh được hai phương pháp này luôn cho các kết quả giống nhau. Tôi vẫn chưa chắc là phương pháp tích phân đường Euclide có thể biểu diễn cho tiến hóa của không thời gian khi mà không thời gian lại có tính Lorentz. Điểm đáng ngờ thứ hai đó là Hawking lấy tổng theo tất cả các vị trí của hố đen lí tưởng khả dĩ và tất cả các nhà quan sát trong vũ trụ, nhưng hình như kết quả không áp dụng được đối với một hố đen và một người quan sát cụ thể.

Vì dùng phương pháp Euclide nên Hawking không thể thấy được các thông tin được lưu trữ bên trong hố đen và được giải thoát như thế nào – các thông tin bị dồn nén rồi được giải thoát cùng một lúc hay thông tin được phát ra liên quan đến các bức xạ phát ra từ hố đen. Friedman còn nói rằng ông muốn các luận cứ của Hawking có í nghĩa vật lí hơn và được trình bày bằng những thuật ngữ toán học thông thường hơn. Ông nói thêm: “nếu người ta có thể rút ra những lí giải từ các tính toán trên và được lặp lại bằng cách tính toán Lorentz thuần túy thì điều đó sẽ giúp ích rất nhiều”.

Bốn bài học vàng

STEVEN WEINBERG
Giáo sư ĐH Texas tại Austin
Nature, Vol. 426 (27 Nov. 2003), p. 389
Người dịch: Dạ Trạch

Khi tôi tốt nghiệp ĐH - khoảng một trăm năm trước đây – đối với tôi, vật lý có vẻ như rộng lớn, giống như một đại dương chưa được khám phá, tôi cần phải nghiên cứu tất cả trước khi đi sâu vào một lĩnh vực nào đó của vật lý. Làm thế nào có thể biết hết tất cả mọi thứ đã được nghiên cứu? May mắn thay, năm đầu cao học, tôi được làm việc cùng với các nhà vật lý đàn anh. Họ đã cố thuyết phục rằng tôi cần phải tiến hành nghiên cứu và sẽ tìm hiểu những thứ cần thiết trong quá trình nghiên cứu. Đúng là nhất sống nhì chết. Thật đáng ngạc nhiên, tôi thấy cách làm việc đó thật hiệu quả. Tôi cố gắng nhanh chóng lấy bằng tiến sỹ, mặc dù khi tôi nhận bằng, tôi hầu như không biết nhiều về vật lý. Nhưng tôi học được một điều rất quan trọng: không ai biết tất cả và bạn cũng không cần phải biết tất cả.

Một bài học nữa mà tôi học được, tiếp tục dùng phép ẩn dụ hải dương học mà tôi nói trước đây, là khi bạn đang bơi trên đại dương và không bị chìm thì bạn nên hướng đến nơi có con nước lớn. Khi tôi dạy tại viện công nghệ Massachusetts (MIT) vào cuối những năm 1960, một sinh viên nói với tôi rằng anh ta thích nghiên cứu về thuyết tương đối rộng hơn là nghiên cứu về vật lý hạt cơ bản – lĩnh vực tôi đang nghiên cứu, vì đối với anh ta, các nguyên lý của thuyết tương đối đã được nghiên cứu rất kĩ trong khi vật lý hạt lúc bấy giờ thật là một mớ hỗn độn. Điều này làm cho tôi tỉnh ra rằng, anh ta đã đưa ra một lý do tuyệt vời nhưng hoàn toàn ngược. Vật lý hạt là lĩnh vực mà các công trình sáng tạo có thể được thực hiện. Vào những năm 1960, nó là một mớ hỗn độn, nhưng kể từ lúc đó các công trình của rất nhiều nhà vật lý lý thuyết và thực nghiệm đã xắp xếp lại nó, và đặt tất cả (gần như tất cả) cùng nhau trong một lý thuyết tuyệt vời được biết đến với cái tên mô hình chuẩn. Lời khuyên của tôi là hãy tiến vào những nơi chưa biết – đó là nơi để hành động.

Lời khuyên thứ ba của tôi có lẽ khó thực hiện nhất. Nó tha thứ cho bạn vì đã lãng phí thời gian. Các giáo sư chỉ yêu cầu các sinh viên giải các bài toán, với các bài toán này, các giáo sư đã có lời giải. Hơn nữa, các bài toán có ý nghĩa khoa học hay không cũng không thành vấn đề - các bài toán cần được giải để qua kì thi. Nhưng trong thế giới thực, rất khó có thể biết bài toán nào là quan trọng và bạn cũng bao giờ biết được tại một thời điểm nào đó trong lịch sử một bài toán có giải được hay không. Vào đầu thế kỉ 20, một số các nhà vật lý hàng đầu, trong đó có cả Lorentz và Abraham đã cố tìm ra lý thuyết cho các điện tử. Điều đó một phần là để hiểu tại sao tất cả các cố gắng để thu nhận hiệu ứng chuyển động của trái đất trong ê-te đều thất bại. Chúng ta biết rằng họ đã làm việc với một bài toán sai. Vào lúc đó, chưa một ai có thể phát triển lý thuyết cho các điện tử vì cơ học lượng tử chưa được đưa ra. Điều này làm cho thiên tài Albert Einstein, vào năm 1905, nhận thấy rằng bài toán đúng cần phải giải đó là hiệu ứng chuyển động về đo đạc không gian và thời gian. Điều này dẫn ông đến thuyết tương đối hẹp. Vì bạn không bao giờ chắc chắn bài toán đúng cần phải giải, nên phần lớn thời gian mà bạn dùng trong phòng thí nghiệm hoặc trên bàn làm việc sẽ bị lãng phí. Nếu bạn muốn trở nên sáng tạo, bạn sẽ phải làm quen với việc dùng hầu hết thời gian của bạn không sáng tạo vào việc nghiên cứu các phần của đại dương kiến thức khoa học.

Cuối cùng, là học về lịch sử khoa học, hoặc chí ít cũng phải học về lịch sử phân ngành khoa học của bạn. Lí do kém quan trọng nhất của lời khuyên này là lịch sử có thể có ích đối với công việc nghiên cứu của bạn. Ví dụ, các nhà khoa học bị cản trở vì tin vào một trong những mô hình khoa học quá đơn giản đã được các nhà triết học từ Francis Bacon tới Thomas Kuhn và Karl Popper đưa ra. Thuốc giải độc cho triết học của khoa học đó là một kiến thức lịch sử khoa học.

Quan trọng hơn, lịch sử khoa học có thể làm cho công việc của bạn có vẻ đáng giá hơn đối với bạn. Là một nhà khoa học, có thể bạn không giàu. Bạn bè và họ hàng của bạn sẽ không hiểu bạn đang làm gì. Và nếu bạn làm trong lĩnh vực vật lí hạt cơ bản, thậm chí bạn sẽ không thỏa mãn khi làm việc với một cái gì đấy có hiệu quả ngay lập tức. Nhưng bạn sẽ rất thỏa mãn khi nhận thấy rằng, công việc nghiên cứu khoa học của bạn là một phần của lịch sử.

Hãy nhìn lại một trăm năm trước đây, năm 1903. Đối với bạn bây giờ thì ngài thủ tướng Anh hoặc tổng thống Hoa Kì năm 1903 có quan trọng không? Điều gì nổi bật bằng việc ngài Ernest Rutherford ở ĐH McGill tìm ra bản chất của chất phóng xạ. Tất nhiên, điều này có các ứng dụng thực tế, nhưng điều quan trọng hơn nhiều đó là nó mang ý nghĩa văn hóa. Hiểu được tính phóng xạ cho phép các nhà vật lý giải thích tại sao mặt trời và lõi trái đất có thể nóng hàng triệu năm. Theo cách này, nó bác bỏ các chống đối khoa học cuối cùng mà nhiều nhà địa chất và cổ sinh vật đã từng nghĩ về tuổi của trái đất và mặt trời. Sau đó, những người theo đạo cơ đốc và do thái phải từ bỏ niềm tin vào tính xác thực của kinh thánh hoặc phải tin theo những điều không hợp lý của trí tuệ. Đây chỉ là một bước trong một chuỗi các bước tiến từ Galileo tới Newton và từ Darwin tới nay, không biết bao lần khoa học thức tỉnh chủ nghĩa giáo điều tôn giáo. Đọc bất kì từ báo nào hôm nay cũng đủ để cho bạn thấy rằng khoa học chưa hoàn thiện. Nhưng đó là các công trình khai sáng mà các nhà khoa học có thể cảm thấy tự hào.