Vào đầu những năm 1970, những người nghiên cứu về hệ thống tương đối tổng quát, lý thuyết hiện đại của chúng ta về trọng lực, đã nhận thấy sự tương đồng đáng kể giữa các đặc tính của lỗ đen và các quy luật của nhiệt động học. Stephen Hawking đã chứng minh rằng diện tích của ngưỡng sự kiện của lỗ đen—bề mặt đánh dấu ranh giới của nó—không thể giảm. Điều đó nghe có vẻ giống như định luật thứ hai của nhiệt động học, mà nói rằng entropy—một đo lường của sự không gianh chịu sắp xếp—không thể giảm.
Tuy nhiên, vào thời điểm đó, Hawking và những người khác nhấn mạnh rằng các luật của lỗ đen chỉ giống với nhiệt động học trên giấy tờ; chúng không thực sự liên quan đến các khái niệm nhiệt độ hoặc entropy.
Tại sao mọi người từng nghĩ đến việc kết nối lỗ đen và nhiệt động học?
Callender: Vào đầu những năm 70, mọi người nhận thấy một vài điểm tương đồng giữa hai cái. Một điểm là cả hai dường như có một trạng thái cân bằng. Tôi có một hộp khí. Nó có thể được mô tả bằng một số thông số nhỏ—ví dụ, áp suất, thể tích và nhiệt độ. Tương tự như vậy với một lỗ đen. Nó có thể được mô tả chỉ bằng khối lượng, moment góc và điện tích. Chi tiết hơn không quan trọng với cả hai hệ thống.
Không có trạng thái này cũng không nói với tôi điều gì đã xảy ra trước đó. Tôi bước vào một phòng và thấy một hộp khí với giá trị ổn định về áp suất, thể tích và nhiệt độ. Nó có thể mới chỉ làm cân bằng trong trạng thái đó, hay đã xảy ra từ tuần trước, hoặc có thể là một triệu năm trước? Không thể nói được. Lỗ đen cũng tương tự. Bạn không thể biết được loại vật chất nào đã rơi vào hay khi nó sụp đổ.
Điểm thứ hai là Hawking chứng minh rằng diện tích của các lỗ đen luôn tăng. Điều đó gợi nhớ đến luật thứ hai của nhiệt động học, rằng entropy luôn tăng. Vì vậy, cả hai hệ thống dường như đều đang hướng tới các trạng thái được mô tả một cách đơn giản.
Bây giờ hãy lấy một cuốn sách về nhiệt động học, tìm đến các luật, và xem liệu bạn có thể tìm ra những câu trả lời đúng khi bạn thay thế các thuật ngữ về nhiệt động học bằng các biến số của lỗ đen. Trong nhiều trường hợp, bạn có thể, và sự tương đồng càng được cải thiện.
Sau đó, Hawking phát hiện ra bức xạ Hawking, điều này cải thiện thêm sự tương đồng. Tại thời điểm đó, hầu hết các nhà vật lý bắt đầu khẳng định rằng sự tương đồng là quá tốt đến nỗi nó không chỉ là một sự tương đồng—nó là một danh tính! Đó là một tuyên bố siêu mạnh mẽ và đầy ngạc nhiên. Nó nói rằng các luật của lỗ đen, hầu hết trong đó là các đặc điểm của hình học không gian-thời gian, somehow identical với những nguyên lý vật lý đằng sau vật lý của động cơ hơi nước.
Bởi vì danh tính này đóng vai trò quan trọng trong trọng lượng lượng tử, tôi muốn xem xét lại tuyên bố về danh tính này. Ít người trong các nền tảng của vật lý đã làm như vậy.
Vậy cơ học thống kê cho lỗ đen là gì?
Chuyện này thì hay đấy. Tại sao nhiệt động học thông thường được áp dụng? Chúng ta biết rằng tất cả những hệ thống nhiệt động học to lớn này đều được tạo nên từ các hạt. Các luật của nhiệt động học cuối cùng lại là mô tả về các cấu hình có khả năng xảy ra nhất thống kê từ quan điểm vi mô.
Tại sao nhiệt động học của lỗ đen lại được áp dụng? Các luật này có phải cũng là cách thống kê có khả năng nhất để lỗ đen hoạt động không? Mặc dù có những suy đoán theo hướng này, cho đến nay chúng ta vẫn chưa có một hiểu biết vi mô vững chắc về vật lý của lỗ đen. Thiếu điều này, tuyên bố về danh tính trở nên ngạc nhiên hơn nhiều.
Điều gì đã dẫn bạn bắt đầu suy nghĩ về phép tương đồng này?
Nhiều người lo lắng về việc liệu vật lý lý thuyết đã trở nên quá suy luận hay không. Có rất nhiều bình luận về việc liệu hình thức học, cảnh quan dây—tất cả mọi thứ—có được gắn kết đủ với thực nghiệm không. Tôi cũng có những lo ngại tương tự. Vì vậy, cựu học sinh tiến sĩ của tôi, John Dougherty và tôi đã nghĩ, mọi thứ bắt đầu từ đâu?
Đối với chúng tôi, rất nhiều vấn đề bắt đầu với sự nhận dạng được tuyên bố giữa lỗ đen và nhiệt động học. Khi bạn nhìn vào văn học, bạn thấy người ta nói, “Bằng chứng duy nhất mà chúng ta có cho trọng lượng lượng tử, gợi ý duy nhất đáng tin cậy, là nhiệt động học của lỗ đen.”
Nếu đó là điều chính mà chúng ta đang dựa vào cho trọng lượng lượng tử, thì chúng ta nên xem xét nó rất cẩn thận. Nếu nó lại chỉ là một gợi ý kém, có lẽ sẽ tốt hơn nếu chúng ta phân tán cược rộng rãi hơn, thay vì đặt tất cả mọi thứ vào sự nhận dạng này.
Bạn nhìn thấy vấn đề gì khi xem xét lỗ đen như một hệ thống nhiệt động?
Tôi thấy cơ bản có ba vấn đề. Vấn đề đầu tiên là: Lỗ đen là gì? Mọi người thường nghĩ về lỗ đen như một quả cầu tối, giống như trong một bộ phim Hollywood hoặc cái gì đó; họ nghĩ về nó như một ngôi sao đã sụp đổ. Nhưng một lỗ đen toán học, cơ sở của nhiệt động học của lỗ đen, không phải là vật liệu từ ngôi sao đã sụp đổ. Tất cả đã biến mất vào điểm đơn.
Lỗ đen không phải là một vật thể rắn ở trung tâm. Hệ thống thực sự là toàn bộ không gian-thời gian.
Đúng vậy, đó là khái niệm toàn cầu mà nhiệt động học của lỗ đen được phát triển, trong trường hợp này, hệ thống thực sự là toàn bộ không gian-thời gian.
Đây là cách khác để suy nghĩ về sự lo lắng. Giả sử một ngôi sao sụp đổ và tạo thành ngưỡng sự kiện. Nhưng bây giờ một ngôi sao khác rơi qua ngưỡng sự kiện này và nó sụp đổ, vì vậy nó ở bên trong cái đầu tiên. Bạn không thể nghĩ rằng mỗi cái có ngưỡng sự kiện riêng mà có hành vi nhiệt động học. Chỉ có một ngưỡng sự kiện.
Đây là một cách khác. Ngưỡng sự kiện thay đổi hình dạng tùy thuộc vào cái gì sắp được ném vào đó. Nó có khả năng thấy trước. Kỳ lạ, nhưng không có gì ma quái ở đây miễn là chúng ta nhớ rằng ngưỡng sự kiện chỉ được xác định toàn cầu. Nó không phải là một lượng quan sát cục bộ.
Bức tranh này khó hiểu hơn nhiều so với những gì mọi người thường nghĩ. Đối với tôi, nếu hệ thống là toàn cầu, thì nó hoàn toàn không giống như nhiệt động học.
Ý kiến phản đối thứ hai là: Nhiệt động học của lỗ đen thực sự chỉ là một bản sao mờ nhạt của nhiệt động học. Tôi bất ngờ khi nhận thấy sự tương đồng không chặt chẽ như tôi mong đợi. Nếu bạn lấy một cuốn sách về nhiệt động học và bắt đầu thay thế các điều khẳng định bằng các đối ứng của chúng trong lỗ đen, bạn sẽ không thấy sự tương đồng đi sâu như vậy.
Ví dụ, định luật không thứ của nhiệt động học thiết lập toàn bộ lý thuyết và một khái niệm về cân bằng — ý tưởng cơ bản là các đặc tính của hệ thống không thay đổi. Nó nói rằng nếu một hệ thống ở trong cân bằng với một hệ thống khác — A với B và B với C — thì A phải ở trong cân bằng với C. Nền tảng của nhiệt động học là mối quan hệ cân bằng này, thiết lập ý nghĩa của nhiệt độ.
Định luật không thứ cho lỗ đen là rằng trọng lực bề mặt của một lỗ đen, đo lường gia tốc hấp dẫn, là một hằng số trên ngưỡng sự kiện. Vì vậy, điều đó cho rằng nhiệt độ không đổi là định luật không thứ. Điều đó không hoàn toàn đúng. Ở đây, chúng ta thấy một bản sao mờ nhạt của định luật không thứ gốc.
Sự đối lập của sự cân bằng được cho là 'tĩnh', một thuật ngữ kỹ thuật mà về cơ bản nó nói rằng lỗ đen đang quay ở tốc độ không đổi. Nhưng không có ý nghĩa nào mà một lỗ đen có thể 'tĩnh' so với một lỗ đen khác. Bạn có thể chia một đối tượng nhiệt độ vàng bất kỳ thành hai và nói rằng một nửa đang ở trạng thái cân bằng với nửa kia. Nhưng bạn không thể chia một lỗ đen thành hai. Bạn không thể nói rằng nửa này đang tĩnh lặng với nửa kia.
Đây là một cách khác mà tương đồng này không phù hợp. Entropy của lỗ đen được cho bởi diện tích của lỗ đen. Vâng, diện tích là chiều dài mũ hai, thể tích là chiều dài mũ ba. Vậy chúng ta làm thế nào với tất cả các mối quan hệ nhiệt động học đó bao gồm thể tích, như định luật Boyle? Liệu thể tích, là chiều dài nhân diện tích, thực sự là chiều dài nhân entropy? Điều đó sẽ làm hỏng sự tương đồng. Vì vậy chúng ta phải nói rằng thể tích không phải là đối tác của thể tích, điều đó là điều đáng ngạc nhiên.
Mối liên kết nổi tiếng nhất giữa lỗ đen và nhiệt động học đến từ khái niệm entropy. Đối với vật chất bình thường, chúng ta nghĩ về entropy như một đo lường của sự không gian không gian của các nguyên tử cơ bản. Nhưng vào những năm 1970, Jacob Bekenstein nói rằng diện tích bề mặt của ngưỡng sự kiện của lỗ đen tương đương với entropy. Nền tảng của điều này là gì?
Đây là mối quan tâm thứ ba của tôi. Bekenstein nói rằng nếu tôi ném một thứ gì đó vào lỗ đen, entropy biến mất. Nhưng điều này không thể xảy ra, ông nghĩ, theo luật nhiệt động học, vì entropy luôn phải tăng. Vì vậy, phải có một loại đền bù nào đó khi bạn ném các vật vào lỗ đen.
Bekenstein nhận thấy một giải pháp. Khi tôi ném một cái gì đó vào lỗ đen, khối lượng tăng lên, và diện tích cũng tăng. Nếu tôi xác định diện tích của lỗ đen là entropy, thì tôi đã tìm thấy sự đền bù của mình. Có một thỏa thuận tốt giữa hai yếu tố này - một yếu tố giảm xuống trong khi yếu tố kia tăng lên - và nó cứu vãn luật thứ hai.
Khi tôi nhìn thấy điều đó, tôi nghĩ, aha, ông ấy nghĩ rằng việc không biết về hệ thống nữa có nghĩa là giá trị entropy của nó đã thay đổi. Tôi ngay lập tức nhận thấy rằng điều này khá đáng phản đối, vì nó xác định entropy với sự không chắc chắn và kiến thức của chúng ta.
Có một cuộc tranh luận dài trong các nền tảng của cơ học thống kê về việc entropy là một khái niệm chủ quan hay khách quan. Tôi mạnh mẽ tin rằng đó là một khái niệm khách quan. Tôi nghĩ rằng các cây không được quan sát trong một khu rừng sẽ tiến tới cân bằng bất kể ai có biết về chúng hay không, rằng cách nhiệt chảy không liên quan gì đến kiến thức, và vân vân.
Ném một động cơ hơi nước vào sau ngưỡng sự kiện. Chúng ta không thể biết bất cứ điều gì về nó ngoại trừ khối lượng, nhưng tôi khẳng định nó vẫn có thể làm việc như trước. Nếu bạn không tin tôi, chúng ta có thể thử nghiệm điều này bằng cách cho một nhà vật lý nhảy vào lỗ đen và theo dõi động cơ hơi nước! Chỉ cần cần đền bù nếu bạn nghĩ rằng những gì bạn không còn biết về sẽ ngừng tồn tại.
Bạn nghĩ liệu có thể sửa chữa nhiệt độ học của lỗ đen được không, hay tất cả đều là không hy vọng?
Tâm trí tôi mở cửa, nhưng tôi phải thừa nhận rằng tôi rất hoài nghi về điều đó. Sự nghi ngờ của tôi là nhiệt độ học của lỗ đen thực sự là một bộ quan hệ thú vị về thông tin từ quan điểm của bên ngoài của lỗ đen. Tất cả đều liên quan đến việc quên thông tin.
Bởi vì nhiệt độ học là hơn cả lý thuyết thông tin, tôi không nghĩ rằng có một nguyên lý nhiệt động sâu sắc hoạt động thông qua vũ trụ gây ra lỗ đen hoạt động theo cách họ làm, và tôi lo lắng rằng vật lý toàn bộ đang tập trung vào nó như một gợi ý tuyệt vời cho lý thuyết trọng lực lượng tử khi có thể không phải.
Đóng vai trò của con ruồi phi Socratic trong nền vật lý đôi khi rất quan trọng. Trong trường hợp này, nhìn lại mời gọi một chút hoài nghi có thể hữu ích cho việc tiến lên.
Câu chuyện gốc được tái in với sự cho phép từ Tạp chí Quanta, một tờ báo độc lập về biên tập của Quỹ Simons với nhiệm vụ tăng cường sự hiểu biết của công chúng về khoa học thông qua việc báo cáo về sự phát triển nghiên cứu và xu hướng trong toán học và các khoa học vật lý và sinh học.
Những Câu Chuyện Tuyệt Vời Hơn từ Mytour
- Chúng ta có thể là những anh hùng: Cách những người mê công nghệ đang tái tạo văn hóa đại chúng
- Tại sao nước lại xuất hiện trong núi lửa Kilauea của Hawaii?
- Jeffrey Epstein và sức mạnh của mạng lưới
- Tôi thay thế lò nướng bằng cái máy làm bánh quế và bạn cũng nên thử
- Học cách ngã với vận động viên leo núi Alex Honnold
- 👁 Nhận dạng khuôn mặt đột ngột xuất hiện khắp mọi nơi. Bạn có nên lo lắng không? Ngoài ra, đọc tin tức mới nhất về trí tuệ nhân tạo
- 🏃🏽♀️ Muốn có công cụ tốt nhất để khỏe mạnh? Hãy xem xét lựa chọn của đội ngũ Gear của chúng tôi cho các bộ theo dõi sức khỏe tốt nhất, đồ đạc chạy bộ (bao gồm giày dép và tất), và tai nghe tốt nhất.