Vào năm 1974, Stephen Hawking đã đưa ra một trong những dự đoán nổi tiếng nhất của ông: các lỗ đen cuối cùng sẽ bốc hơi hoàn toàn.
Theo lí thuyết của Hawking, các lỗ đen không hoàn toàn “đen” mà thay vậy, chúng thật sự phát ra các hạt. Theo Hawking, sự phát bức xạ này cuối cùng có thể tuồn đủ năng lượng và vật chất ra khỏi lỗ đen và làm chúng biến mất. Lí thuyết của ông được đông đảo mọi người giả định là đúng, song người ta nghĩ hầu như không thể nào chứng minh được.
Tuy nhiên, lần đầu tiên nay các nhà vật lí đã có thể chỉ ra sự phát bức xạ Hawking này – chí ít là trong phòng thí nghiệm. Mặc dù bức xạ Hawking quá yếu để phát hiện trong không gan bởi các thiết bị hiện nay của chúng ta, nhưng nay các nhà vật lí đã nhìn thấy sự phát bức xạ này ở một tương đương lỗ đen được tạo ra bằng sóng âm và một số vật chất lạnh nhất, lạ lùng nhất trong vũ trụ.
Các cặp hạt
Các lỗ đen tác dụng một lực hấp dẫn vô cùng mạnh đến mức kể cả photon, hạt chuyển động ở tốc độ ánh sáng, cũng không thể thoát ra. Trong khi chân không của không gian thường được xem là trống rỗng, thì sự bất định của cơ học lượng tử nói rằng chân không tràn ngập những hạt ảo thoắt ẩn thoắt hiện dưới dạng các hạt vật chất-phản vật chất. (Các hạt phản vật chất có khối lượng y hệt như đối hạt vật chất, nhưng có điện tích ngược dấu).
Thông thường, sau khi một cặp hạt ảo xuất hiện, chúng lập tức hủy lẫn nhau. Tuy nhiên, ở gần một lỗ đen thì lực hấp dẫn cực mạnh sẽ hút cặp hạt ra xa nhau, với một hạt bị lỗ đen hấp thụ còn hạt kia bay vọt vào không gian. Hạt bị hấp thụ có năng lượng âm, thành ra làm giảm năng lượng và khối lượng của lỗ đen. Nuốt đủ những cặp hạt ảo này thì lỗ đen cuối cùng sẽ bốc hơi. Hạt thoát ra được gọi là bức xạ Hawking.
Bức xạ này quá yếu nên hiện nay chúng ta không thể quan sát nó trong không gian, nhưng các nhà vật lí vừa nghĩ ra những cách rất sáng tạo để đo nó trong phòng thí nghiệm.
Thác chân trời sự kiện
Nhà vật lí Jeff Steinhauer và các đồng sự tại Technion – Viện Công nghệ Israel ở Haifa vừa sử dụng một chất khí cực lạnh gọi là ngưng tụ Bose-Einstein để mô phỏng chân trời sự kiện của một lỗ đen, ranh giới vô hình mà vượt quá đó thì chẳng gì có thể thoát ra. Trên dòng chảy của chất khí này, họ đặt một vách thẳng đứng, tạo ra một cái “thác” chất khí; khi chất khí chảy qua thác, nó biến đủ thế năng thành động năng để chảy nhanh hơn tốc độ âm thanh.
Thay cho các cặp vật chất và phản vật chất, các nhà nghiên cứu sử dụng các cặp phonon, hay các sóng âm lượng tử, trong dòng chất khí. Phonon ở phía chậm có thể truyền ngược dòng chất khí, ra xa cái thác, còn phonon ở phía nhanh thì không thể, nó bị giữ lại bởi “lỗ đen” chất khí siêu thanh.
“Nó tựa như việc bạn đang cố bơi ngược dòng chảy đang trôi nhanh hơn tốc độ bạn có thể bơi,” Steinhauer nói. “Bạn cảm thấy như mình đang đi về phía trước, nhưng thật ra bạn đang trôi lùi. Và đó là cái tương tự với một phonon trong một lỗ đen đang cố thoát ra khỏi lỗ đen nhưng bị lực hấp dẫn hút ngược trở lại.”
Hawking dự đoán rằng bức xạ gồm các hạt phát ra sẽ rơi vào một phổ liên tục bước sóng và năng lượng. Ông còn nói rằng nó có thể được mô tả bằng một nhiệt độ chỉ phụ thuộc vào khối lượng của lỗ đen mà thôi. Thí nghiệm mới đây xác thực của hai dự đoán này ở lỗ đen siêu thanh.
“Các thí nghiệm này đúng là một thành tựu,” phát biểu của Renaud Parentani, một nhà vật lí lí thuyết tại Phòng thí nghiệm Vật lí Lí thuyết thuộc Đại học Paris-Sud. Parentani cũng nghiên cứu các tương đương lỗ đen nhưng từ một góc độ lí thuyết; ông không tham gia trong nghiên cứu mới này. “Đó là một thí nghiệm rất chính xác. Nhìn từ mặt thực nghiệm, Jeff hiện nay đúng là chuyên gia hàng đầu thế giới về việc sử dụng các nguyên tử lạnh để khảo sát vật lí học lỗ đen.”
Tuy nhiên, Parentani nhấn mạnh rằng nghiên cứu này mới là “một bước thôi trên một quá trình lâu dài”. Đặc biệt, nghiên cứu này không chỉ ra được các cặp phonon có tương liên ở cấp độ lượng tử hay không, đó là một khía cạnh quan trọng khác của các dự đoán của Hawking.
“Câu chuyện sẽ còn tiếp tục,” Parentani nói. “Mọi thứ chưa dừng lại ở đây đâu.”
Nguồn: Live Science
