Công bố nghiên cứu mới về sự kết thúc của vũ trụ

Lý thuyết nổi tiếng nhất của Stephen Hawking về lỗ đen vũ trụ vừa được các nhà khoa học cập nhật với tuyên bố rằng mọi thứ trong vũ trụ đều sẽ bốc hơi.

Năm 1974, Hawking đề xuất rằng các lỗ đen cuối cùng bốc hơi bằng cách mất đi thứ mà ngày nay được gọi là bức xạ Hawking - sự cạn kiệt năng lượng dần dần dưới dạng các hạt ánh sáng sinh ra xung quanh những trường hấp dẫn vô cùng mạnh mẽ của các lỗ đen. Giờ đây, một bản cập nhật mới cho lý thuyết đã gợi ý rằng bức xạ Hawking không chỉ được tạo ra bằng cách bòn rút năng lượng từ các lỗ đen, mà từ tất cả vật thể có khối lượng đủ lớn.

Nếu lý thuyết là đúng, điều đó có nghĩa là mọi thứ trong vũ trụ cuối cùng sẽ biến mất, năng lượng của nó dần dần bốc hơi dưới dạng ánh sáng.

Tác giả chính Heino Falcke, Giáo sư vật lý thiên văn tại Đại học Radboud ở Hà Lan cho biết: "Điều đó có nghĩa các vật thể không có chân trời sự kiện (nơi hút mọi thứ mà không có gì, kể cả ánh sáng, có thể thoát khỏi lỗ đen), chẳng hạn như tàn dư của những ngôi sao đã chết và các vật thể lớn khác trong vũ trụ. Và sau một thời gian rất dài, điều đó sẽ dẫn đến mọi thứ trong vũ trụ cuối cùng sẽ bốc hơi, giống như bốc hơi ở lỗ đen. Điều này không chỉ thay đổi hiểu biết của chúng ta về bức xạ Hawking mà còn thay đổi cả quan điểm của chúng ta về vũ trụ và tương lai của nó".

Theo lý thuyết trường lượng tử, không có cái gọi là chân không trống rỗng. Thay vào đó, không gian chứa đầy những rung động cực nhỏ, nếu được thấm đủ năng lượng, sẽ ngẫu nhiên bùng nổ thành các hạt ảo, tạo ra các túi ánh sáng hoặc photon năng lượng rất thấp.

Trong một công trình mang tính bước ngoặt xuất bản năm 1974, Hawking đã có tiên đoán nổi tiếng rằng lực hấp dẫn cực lớn ở miệng các lỗ đen - chân trời sự kiện của chúng - sẽ triệu tập các photon tồn tại theo cách này. Lực hấp dẫn, theo thuyết tương đối rộng của Einstein, làm biến dạng không gian, thời gian. Do đó các trường lượng tử càng bị cong vênh nhiều hơn khi chúng tiến gần đến trường hấp dẫn cực lớn của điểm kỳ dị của lỗ đen.

Vì tính bất định và kỳ lạ của cơ học lượng tử, Hawking cho biết sự cong vênh này tạo ra các túi không đồng đều có thời gian chuyển động khác nhau và các xung năng lượng liên tục trên khắp trường hấp dẫn. Những sự không đồng đều về năng lượng này làm cho các photon xuất hiện trong không gian bị bóp méo xung quanh các lỗ đen, hút năng lượng từ trường hấp dẫn của lỗ đen trong quá trình bùng nổ tạo ra các hạt ảo phát sinh ánh sáng. Nếu sau đó các hạt thoát ra khỏi lỗ đen, thì vụ bòn rút năng lượng này đã khiến Hawking kết luận: trong một khoảng thời gian dài hơn nhiều so với tuổi hiện tại của vũ trụ, các lỗ đen cuối cùng sẽ mất hết năng lượng và biến mất hoàn toàn.

Nhưng nếu trường hấp dẫn là tất cả những gì cần thiết để tạo ra thăng giáng lượng tử và photon, thì điều gì ngăn cản bất kỳ vật thể nào có khối lượng cong vênh trong không-thời gian tạo ra bức xạ Hawking? Bức xạ Hawking có cần điều kiện đặc biệt của chân trời sự kiện của lỗ đen hay nó có thể được tạo ra ở bất kỳ đâu trong không gian? Để khám phá những câu hỏi này, các tác giả của nghiên cứu mới đã phân tích bức xạ Hawking qua lăng kính của một quá trình gọi là hiệu ứng Schwinger mà lâu nay họ dự đoán có sự tồn tại. Theo hiệu ứng này, vật chất về mặt lý thuyết có thể được tạo ra từ những biến dạng mạnh do trường điện từ gây ra.

Bằng cách áp dụng khuôn khổ của hiệu ứng Schwinger cho lý thuyết của Hawking, các nhà vật lý lý thuyết đã tạo ra một mô hình toán học tái tạo bức xạ Hawking trong không gian trải qua một loạt cường độ trường hấp dẫn. Theo lý thuyết mới của họ, một chân trời sự kiện không cần thiết để năng lượng rò rỉ từ từ dưới dạng ánh sáng từ một vật thể đủ nặng; trường hấp dẫn của vật thể đó tự nó đủ để làm rò rỉ năng lượng.

Tác giả thứ hai Walter van Suijlekom, Giáo sư toán học tại Đại học Radboud cho biết: “Chúng tôi chỉ ra rằng ngoài lỗ đen, độ cong của không-thời gian đóng vai trò lớn trong việc tạo ra bức xạ. Các hạt đã được tách ra ở bên ngoài lỗ đen bởi lực hút của trường hấp dẫn".

Dù vậy, ý nghĩa trong lý thuyết của các nhà nghiên cứu trên thực tế vẫn không rõ ràng. Có thể, khi vật chất tạo nên các ngôi sao, sao neutron và các hành tinh già đi, cuối cùng nó sẽ trải qua quá trình chuyển đổi năng lượng sang trạng thái năng lượng cực thấp hoàn toàn mới. Điều này có thể đủ để làm sụp đổ mọi vật chất mà cuối cùng thành lỗ đen, thứ có thể tiếp tục từ từ rò rỉ ánh sáng cho đến khi chúng cũng biến mất không dấu vết.

Nhưng dù sao, tất cả những điều này chỉ là suy đoán đang chờ xác nhận. Để tìm hiểu xem đó có phải là dự đoán đúng về số phận cuối cùng của vũ trụ chúng ta hay không, các nhà vật lý thiên văn sẽ cần phát hiện ra một số bức xạ Hawking được tạo ra xung quanh các vật thể có mật độ hấp dẫn, gồm cả xung quanh lỗ đen và các hành tinh, ngôi sao hoặc sao neutron. Nếu mọi thứ được định sẵn để biến mất trong một tia sáng, thì sẽ có rất nhiều nơi trong vũ trụ lúc này để tìm kiếm câu trả lời.