5 Phút Hiểu Ngay Bức Xạ Hawking - "Kẻ Giết Chết" Lỗ Đen.

Nếu bạn muốn tìm hiểu về hố đen thì không thể bỏ qua bài viết này. Tương tự như các bài viết về thuyết tương đối trong seri 5 phút. Trường Vũ sẽ tóm lược một cách dễ hiểu nhất về khám phá đã làm nên tên tuổi của Stephen Hawking .

1/ Định nghĩa :

Bức xạ Hawking là bức xạ được giải phóng ra từ lỗ đen, do hiệu ứng lượng tử ở gần chân trời sự kiện . Nó được đặt theo tên của nhà vật lý lý thuyết Stephen Hawking năm 1974.

Bức xạ Hawking làm giảm khối lượng và năng lượng quay của các lỗ đen nên còn được gọi là sự bay hơi lỗ đen . Vì vậy, nếu các lỗ đen không thể tăng khối lượng bằng một cách nào đó, thì nó sẽ thu nhỏ lại và cuối cùng biến mất.

2/ Giải thích :



Ta sẽ mô tả quá trình bức xạ Havvking một cách định tính như sau. Theo Vật lí lượng tử, trong khắp không gian chứa đầy các cặp hạt - phản hạt "ảo". Chúng luôn luôn sinh ra theo từng cặp, tách ra sau đó gặp lại nhau và tự hủy. Các cặp trên gọi là ảo vì ta không thể quan sát chúng một cách trực tiếp bằng máy đo hạt. Ta chỉ có thể gián tiếp đo chúng thông qua dịch chuyển Lamb trong phổ Hydrô.

Các cặp hạt ảo mang năng lượng dương (+E) và âm (-E) bằng nhau để khi triệt tiêu sẽ bằng 0 , điều này sẽ giúp tổng năng lượng của vũ trụ không thay đổi.

Tại vùng không-thời gian ngay sát cạnh lỗ đen có bốn quá trình sinh ra và tự hủy của các cặp hạt - phản hạt "ảo" (Virtual pairs of particles antiparticles).

Ảnh minh họa 4 quá trình.

Quá trình 1 : Các cặp hạt - phản hạt ảo sinh ra, gặp nhau và tự hủy ở ngoài lỗ đen.

Quá trình 2 : Các cặp hạt, phản hạt ảo sinh ra ở ngoài lỗ đen, cùng chuyển động vào lỗ đen và tự hủy trong đó.

Quá trình 3 : Các cặp hạt - phản hạt sinh ra ở ngoài lỗ đen nhưng hạt có năng lượng dương chui vào lỗ đen còn hạt có năng lượng âm bay ra xa vô cùng.

Quá trình 4 - Chính là quá trình tạo ra bức xạ Hawking :

Các hạt - phản hạt sinh ra ở ngoài lỗ đen nhưng hạt có năng lượng âm chui vào lỗ đen và sẽ bị hủy với một hạt như vậy bên trong lỗ đen làm khối lượng lỗ đen giảm đi còn hạt với năng lượng dương bay ra xa vô cùng.

Ví dụ : Năng lượng lỗ đen là +10, nếu 1 hạt có năng lượng -1 bị hút vào thì tổng năng lượng hố đen = +10 + (-1) = 9

Người quan sát ở đó sẽ nhận thấy lỗ đen đã bức xạ ra hạt có năng lượng dương và quá trình bốc hơi này sẽ làm lỗ đen nhỏ lại và cuối cùng biến mất.

Do bên trong lỗ đen tồn tại quỹ đạo ứng với năng lượng âm nên quá trình 4 sẽ vượt trội hơn và kết quả là người quan sát ở xa sẽ thấy các hạt với năng lượng dương phát ra từ lỗ đen.

Nếu chưa biết tại sao mất năng lượng lại làm lỗ đen nhỏ đi và biến mất thì hãy tìm đọc về công thức E = mc2 nổi tiếng của Einstein để hiểu về sự tương quan giữa năng lượng và khối lượng nhé các bạn.

Giả sử quy trình lỗ đen bay hơi là chính xác thì bức xạ Hawking dường như không chứa thông tin nào, và chỉ phụ thuộc vào khối lượng, mô men động lượng và năng lượng của lỗ đen. Điều này đã dẫn đến nghịch lý mang tên nghịch lý thông tin lỗ đen mà có thể mình sẽ phân tích ở một bài viết khác.

3/ Bức xạ Hawking tại sao vẫn chưa được công nhận hoàn toàn?

Trong vật lý, một học thuyết muốn được công nhận là định luật thì bắt buộc phải trải qua thực nghiệm, quan sát để chứng minh, tuy nhiên lỗ đen là thứ bí ẩn nhất với loài người, chúng ta rất khó để quan sát chúng bởi bản thân hố đen vô hình, chúng ta chỉ quan sát được các tia bức xạ được phát ra do quá trình tăng nhiệt độ của vật chất đang bị rơi vào nó.

Có lẽ đây cũng là lý do mà Stephen Hawking chưa đạt được giải Nobel về khám phá mang tính lý thuyết của mình.

Tương tự như Peter Higgs cũng phải chờ đợi 49 năm kể từ ngày đề suất ra thuyết vật lý về hạt Higgs boson mới được nhận giải Nobel.

Chỉ tiếc rằng Stephen Hawking đã không còn có cơ hội để đứng trên bục trao giải nữa nếu ngày đó xảy ra.