Nghiên cứu do nhóm khoa học quốc tế thực hiện vừa được công bố trên tạp chí Nature. Thay vì quan sát lỗ đen ngoài vũ trụ, điều gần như không thể do tín hiệu quá yếu, các nhà nghiên cứu xây dựng một mô hình tương tự lỗ đen trong phòng thí nghiệm bằng sợi quang và các xung laser cường độ cao.

Quan sát hiện tượng từng chỉ tồn tại trong lý thuyết

Năm 1974, nhà vật lý Stephen Hawking đưa ra dự đoán rằng lỗ đen không hoàn toàn "đen" như quan niệm trước đó. Dưới tác động của cơ học lượng tử, chúng có thể phát ra một lượng bức xạ nhiệt rất yếu, ngày nay được gọi là bức xạ Hawking.

Theo lý thuyết, quá trình phát xạ này khiến lỗ đen mất dần năng lượng và cuối cùng có thể bốc hơi hoàn toàn sau khoảng thời gian cực kỳ dài.

Tuy nhiên, đến nay giới thiên văn vẫn chưa thể quan sát trực tiếp bức xạ Hawking từ các lỗ đen thật vì tín hiệu quá yếu so với môi trường xung quanh.

Để vượt qua hạn chế đó, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một sợi quang tinh thể đặc biệt và các xung laser siêu ngắn nhằm tạo ra một "chân trời sự kiện" nhân tạo, vùng có các đặc tính vật lý tương tự ranh giới của lỗ đen.

Trong mô hình này, ánh sáng đóng vai trò mô phỏng môi trường xung quanh lỗ đen, cho phép các nhà khoa học nghiên cứu những hiện tượng vốn chỉ được dự đoán trên lý thuyết.

Các phép đo cho thấy ánh sáng phát ra từ mô hình có phổ nhiệt phù hợp với dự đoán của Hawking, đồng thời xuất hiện một tín hiệu quan trọng khác mà giới vật lý tìm kiếm suốt nhiều năm.

Lần đầu quan sát "phản hồi ngược"

Điểm nổi bật nhất của nghiên cứu là lần đầu tiên nhóm khoa học ghi nhận được hiện tượng phản hồi ngược (back-reaction).

Theo lý thuyết, khi bức xạ Hawking được tạo ra, năng lượng phát xạ phải lấy từ chính lỗ đen. Điều này khiến lỗ đen mất đi một lượng năng lượng rất nhỏ sau mỗi lần phát bức xạ.

Trong mô hình phòng thí nghiệm, nhóm nghiên cứu phát hiện quá trình phát xạ đã làm thay đổi nhẹ quang phổ của xung laser tạo nên "lỗ đen". 

Sự thay đổi này được xem là dấu hiệu trực tiếp của phản hồi ngược, hiện tượng mà trước đây chưa từng được ghi nhận trong các thí nghiệm tương tự.

Theo các tác giả, kết quả giúp củng cố giả thuyết rằng quá trình phát bức xạ và sự mất năng lượng của lỗ đen diễn ra đồng thời như dự đoán của Stephen Hawking.

Bức xạ Hawking từ lâu được xem là điểm giao thoa giữa ba nền tảng lớn của vật lý hiện đại gồm cơ học lượng tử, thuyết tương đối rộng và nhiệt động lực học.

Một trong những câu hỏi lớn là liệu dự đoán của Hawking còn đúng ở thang Planck, kích thước cực nhỏ mà các định luật vật lý hiện nay chưa thể mô tả đầy đủ hay không.

Theo nhóm nghiên cứu, mô hình mới cho thấy bức xạ Hawking vẫn mang đặc tính nhiệt ngay cả trong những điều kiện cực hạn này, mở thêm dữ liệu thực nghiệm cho lĩnh vực vốn chủ yếu dựa trên các phép tính lý thuyết.

Trong giai đoạn tiếp theo, các nhà khoa học dự định mở rộng thí nghiệm sang chế độ lượng tử để tìm kiếm hiện tượng vướng víu lượng tử giữa các cặp hạt sinh ra từ bức xạ Hawking. Nếu thành công, đây sẽ là bước tiến quan trọng trong việc kiểm chứng các lý thuyết về lỗ đen và bản chất của không gian, thời gian.

Các nhà khoa học cân cá voi và hố đen bằng cách nào?

Từ bạch tuộc, hươu cao cổ, cá voi đến hố đen, các nhà khoa học phải dùng nhiều phương pháp đặc biệt để xác định khối lượng phục vụ nghiên cứu.