Một bài báo gần đây của Stephen Hawking đã tạo ra một sự khuấy động, thậm chí dẫn đầu tờ Tin tức Tự nhiên tuyên bố không có lỗ đen. Như tôi đã viết trong một bài viết trước đó, đó không phải là những gì Hawking tuyên bố. Nhưng giờ thì rõ ràng rằng Hawking, tuyên bố về các hố đen là sai bởi vì nghịch lý mà anh ta cố gắng giải quyết là một nghịch lý sau tất cả.
Tất cả là do nghịch lý tường lửa đối với các lỗ đen. Đặc điểm trung tâm của lỗ đen là chân trời sự kiện. Chân trời sự kiện của lỗ đen về cơ bản là điểm không thể quay lại khi tiếp cận lỗ đen. Trong thuyết Einstein thuyết tương đối rộng, chân trời sự kiện là nơi không gian và thời gian bị biến dạng bởi trọng lực đến mức bạn không bao giờ có thể thoát ra. Băng qua chân trời sự kiện và bạn mãi mãi bị mắc kẹt.
Bản chất một chiều của một chân trời sự kiện từ lâu đã là một thách thức để hiểu vật lý hấp dẫn. Ví dụ, một chân trời sự kiện lỗ đen dường như vi phạm các định luật nhiệt động lực học. Một trong những nguyên tắc của nhiệt động lực học là không có gì nên có nhiệt độ bằng không tuyệt đối. Ngay cả những thứ rất lạnh cũng tỏa ra một chút nhiệt, nhưng nếu một lỗ đen bẫy ánh sáng thì nó không tỏa nhiệt. Vì vậy, một lỗ đen sẽ có nhiệt độ bằng 0, điều này không thể xảy ra.
Sau đó vào năm 1974, Stephen Hawking đã chứng minh rằng các lỗ đen phát ra ánh sáng do cơ học lượng tử. Trong lý thuyết lượng tử, có những giới hạn đối với những gì có thể biết về một vật thể. Ví dụ, bạn không thể biết một đối tượng năng lượng chính xác. Do sự không chắc chắn này, năng lượng của một hệ thống có thể dao động tự phát, miễn là trung bình của nó không đổi. Điều Hawking đã chứng minh là gần chân trời sự kiện của một cặp hạt đen có thể xuất hiện, trong đó một hạt bị mắc kẹt trong chân trời sự kiện (giảm một chút khối lượng lỗ đen) trong khi hạt kia có thể thoát ra dưới dạng phóng xạ (mang đi một chút năng lượng của lỗ đen).
Trong khi bức xạ Hawking đã giải quyết một vấn đề với các lỗ đen, nó đã tạo ra một vấn đề khác được gọi là nghịch lý tường lửa. Khi các hạt lượng tử xuất hiện theo cặp, chúng bị vướng víu, nghĩa là chúng được kết nối theo cách lượng tử. Nếu một hạt bị lỗ đen bắt giữ và hạt kia thoát ra, thì bản chất vướng víu của cặp bị phá vỡ. Trong cơ học lượng tử, chúng ta sẽ nói rằng cặp hạt xuất hiện ở trạng thái tinh khiết và chân trời sự kiện dường như phá vỡ trạng thái đó.
Năm ngoái, người ta đã chứng minh rằng nếu bức xạ Hawking ở trạng thái tinh khiết, thì nó không thể phát xạ theo cách yêu cầu của nhiệt động lực học, hoặc nó sẽ tạo ra một bức tường lửa gồm các hạt năng lượng cao gần bề mặt của chân trời sự kiện. Điều này thường được gọi là nghịch lý tường lửa bởi vì theo thuyết tương đối rộng nếu bạn ở gần chân trời sự kiện của một lỗ đen, bạn không nên nhận thấy bất cứ điều gì bất thường. Ý tưởng cơ bản của thuyết tương đối rộng (nguyên tắc tương đương) đòi hỏi rằng nếu bạn tự do rơi xuống gần chân trời sự kiện thì không nên là một bức tường lửa hoành hành của các hạt năng lượng cao. Trong bài viết của mình, Hawking đã đề xuất một giải pháp cho nghịch lý này bằng cách đề xuất rằng các hố đen don sắt có chân trời sự kiện. Thay vào đó, họ có những chân trời rõ ràng rằng don đòi hỏi một tường lửa để tuân theo nhiệt động lực học. Do đó, tuyên bố của không có lỗ đen nào khác trên báo chí phổ biến.
Nhưng nghịch lý tường lửa chỉ phát sinh nếu bức xạ Hawking ở trạng thái tinh khiết, và một bài báo tháng trước của Sabine Hossenfelder cho thấy bức xạ Hawking không ở trạng thái tinh khiết. Trong bài báo của mình, Hossenfelder cho thấy thay vì là do một cặp hạt vướng víu, bức xạ Hawking là do hai cặp hạt vướng víu. Một cặp vướng víu bị mắc kẹt bởi lỗ đen, trong khi cặp vướng víu kia trốn thoát. Quá trình này tương tự như đề xuất ban đầu của Hawking, nhưng các hạt Hawking không ở trạng thái tinh khiết.
Vì vậy, không có nghịch lý. Các lỗ đen có thể tỏa ra theo cách phù hợp với nhiệt động lực học, và khu vực gần chân trời sự kiện không có tường lửa, giống như yêu cầu của thuyết tương đối rộng. Vì vậy, đề xuất của Hawking, là một giải pháp cho một vấn đề không tồn tại.
Những gì tôi đã trình bày ở đây là một tổng quan rất sơ bộ về tình hình. Tôi phủ bóng lên một số khía cạnh tinh tế hơn. Để biết tổng quan chi tiết hơn (và rõ ràng rõ ràng), hãy xem bài đăng Ethan Seigel trên blog của anh ấy Bắt đầu với một Bang! Ngoài ra hãy xem bài đăng trên blog Sabine Hossenfelder, Back Reaction, nơi cô ấy tự nói về vấn đề này.
