Có phải cái chết đã đánh lừa Stephen Hawking một Giải thưởng Nobel?

Khi nhà vật lý biểu tượng qua đời vào ngày 14 tháng 3 năm 2018, dữ liệu đã có sẵn có thể xác nhận một dự đoán sâu xa và đáng ngại mà ông đã đưa ra hơn bốn thập kỷ trước. Tiến sĩ Hawking đã đưa ra giả thuyết rằng các lỗ đen, bị hủy diệt bởi lực hấp dẫn, chỉ có thể lớn hơn chứ không phải nhỏ hơn – nuốt chửng thông tin khi nó diễn ra và đe dọa khả năng theo dõi lịch sử vũ trụ của chúng ta.

Dữ liệu này thu được vào năm 2015 khi Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser, hay LIGO, ghi lại các tín hiệu từ hai lỗ đen lớn va chạm và tạo ra một lỗ đen thậm chí còn lớn hơn.

Dự đoán của Tiến sĩ Hawking là bước quan trọng đầu tiên trong một loạt những hiểu biết sâu sắc về lỗ đen đã thay đổi nền vật lý hiện đại. Vấn đề là liệu lực hấp dẫn Einsteinian, tạo nên vũ trụ lớn hơn, có tuân theo các quy tắc tương tự của cơ học lượng tử hay không, các quy tắc mâu thuẫn chiếm ưu thế trong nguyên tử.

Xác nhận dự đoán của Tiến sĩ Hawking đã được công bố Mùa hè này trong thư đánh giá thể chất. Một nhóm do Maximiliano Isi, một nhà vật lý tại Viện Công nghệ Massachusetts, và các đồng nghiệp của ông đã dành nhiều năm để tìm hiểu chi tiết về phát hiện của LIGO, và cuối cùng vào tháng 7, họ đã thông báo rằng Tiến sĩ Hawking đã đúng, ít nhất là đối với màu đen này. va chạm lỗ.

Matthew Geisler, một nhà nghiên cứu tại Đại học Cornell và thuộc nhóm của Tiến sĩ Issey, cho biết: “Đó là một thử nghiệm thú vị vì đó là một kết quả mong muốn từ lâu mà không thể đạt được trong một phòng thí nghiệm trên Trái đất. “Thử nghiệm này yêu cầu nghiên cứu sự hợp nhất của hai lỗ đen cách xa hơn một tỷ năm ánh sáng và không thể đạt được nếu không có LIGO và các máy dò chưa từng có của nó.”

Không ai tuyên bố biết tâm trí của Ủy ban Giải thưởng Nobel, và tên của những người được đề cử cho giải thưởng đã được giữ bí mật trong 50 năm nữa. Nhưng nhiều học giả đồng ý rằng xác nhận của Tiến sĩ Essie về dự đoán của Hawking có thể khiến Tiến sĩ Hawking – và các đồng tác giả của ông trên một bài báo cụ thể về chủ đề này – đủ điều kiện nhận giải Nobel.

Nhưng giải Nobel không thể được trao sau khi hoàn thành. Kết quả của Tiến sĩ Issa đến quá muộn.

Tuần lễ trao giải Nobel đã trở lại vào thứ Hai, khi một số nhà khoa học hy vọng sẽ gọi điện đến để xức dầu cho họ là người chiến thắng và mời họ đến một buổi dạ tiệc xa hoa ở Stockholm vào ngày 10 tháng 12 (năm nay, do đại dịch, giải thưởng sẽ được trao trong quốc gia của những người chiến thắng.)

Tiến sĩ Hawking, được cho là một trong những nhà nghiên cứu nổi tiếng và được vinh danh nhất, chưa bao giờ đoạt giải Nobel và sẽ không bao giờ. Câu chuyện của anh ấy là một lời nhắc nhở về việc giải thưởng cuối cùng cho sự uy tín phải chịu sự thăng trầm của số phận như thế nào.

đám mây của vũ trụ

Câu chuyện bắt đầu vào năm 1970, khi bác sĩ Hawking chuẩn bị đi ngủ vào một đêm – một nhiệm vụ khó khăn đối với một người đàn ông đã bị liệt nửa người mắc chứng xơ cứng teo cơ một bên, hay còn gọi là bệnh Lou Gehrig.

Theo thuyết tương đối rộng của Albert Einstein, ông đã nghĩ đến các lỗ đen – những vật thể có lực hấp dẫn mạnh đến mức không thể thoát ra khỏi chúng, theo thuyết tương đối rộng. Họ mở rộng đến vô cùng.

Mỗi lỗ đen được bao quanh bởi một chân trời sự kiện, một bong bóng vô hình đánh dấu ranh giới một đi không trở lại; Bất cứ điều gì đi vào sẽ không bao giờ đi ra. Tiến sĩ Hawking nhận ra rằng lý thuyết của Einstein cũng có nghĩa là chân trời sự kiện của lỗ đen không bao giờ có thể giảm. Một lỗ đen chỉ đang tăng khối lượng, vì vậy tổng diện tích bề mặt của chân trời sự kiện của nó chỉ đang tăng lên.

Đó là một ý tưởng táo bạo. Thiên nhiên đã không phải làm việc theo cách này. Điều gì sẽ xảy ra nếu các lỗ đen chia đôi, hoặc phân tán và biến mất, giống như bong bóng xà phòng?

Tầm nhìn của Hawking đã trở thành nền tảng của bài báo năm 1973, “Bốn định luật của cơ học lỗ đen,Ông đã viết nó với James Bardeen, hiện tại Đại học Washington, và Brandon Carter, hiện đang làm việc tại Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia Pháp.

Những định luật này cũng chứa đựng một hệ quả đáng lo ngại của vật lý được gọi là lý thuyết “không có sợi tóc”. Diện tích bề mặt của chân trời sự kiện là thước đo tất cả thông tin mà lỗ đen đã ăn vào. Nó hoàn toàn giống với một lỗ đen, cho dù nó tiêu thụ vật chất hay phản vật chất, một chiếc Tesla hay một chiếc Volkswagen, một con đà điểu hay một con cá voi. Lỗ đen chỉ có ba tính chất: khối lượng, spin và điện tích. Không có chi tiết nào khác, hoặc ghi âm “Thơ”.

Lý thuyết này có nghĩa là khi một lỗ đen già đi và chân trời sự kiện của nó tăng lên, lượng thông tin bị mất về những gì bên trong cũng sẽ tăng lên. Vũ trụ sẽ ngày càng mù mịt, che giấu ngày càng nhiều chi tiết về quá khứ của nó, bao gồm cả sự tồn tại của bạn. Bí ẩn trở nên sâu sắc hơn vào năm 1974 khi Tiến sĩ Hawking tính toán rằng các hiệu ứng lượng tử sẽ khiến một lỗ đen từ từ rò rỉ và phát nổ.

Nhiệm vụ tìm hiểu những gì xảy ra với thông tin trong một lỗ đen đã thay đổi vật lý cơ bản và hồi sinh một thế hệ các nhà lý thuyết trẻ. Vấn đề là liệu lực hấp dẫn của Einstein, thứ điều khiển vũ trụ, và cơ học lượng tử, thứ điều khiển thế giới vi mô, có chơi theo cùng một quy tắc hay không.

Tiến sĩ Isi nói: “Tất cả bắt đầu với nhận thức của Hawking rằng tổng diện tích đường chân trời của các lỗ đen không bao giờ có thể giảm xuống.

Nhưng không có lỗ đen để thử nghiệm, ý tưởng của Tiến sĩ Hawking không thể được thử nghiệm.

LIGO để giải cứu

LIGO sẽ thay đổi điều đó. Đó là lời hứa mà Kip Thorne, một nhà vật lý lý thuyết tại Caltech và một trong những người sáng lập LIGO, đã đưa ra với Tiến sĩ Hawking vào năm 2003. Mảng mới sẽ có thể phân loại các đặc tính của lỗ đen vào thời điểm Dr. Ông đã bước sang tuổi 70 vào năm 2012.

“Món quà của bạn là các máy dò sóng hấp dẫn – LIGO, GEO, Virgo và LISA – sẽ kiểm tra các dự đoán về hố đen thời kỳ vàng son của bạn và bạn sẽ bắt đầu làm tốt điều đó trước sinh nhật lần thứ 70 của mình”, Tiến sĩ Thorne nói gần đây khi ông nói với ông .

Phải mất nhiều thời gian hơn thế – cho đến ngày 14 tháng 9 năm 2015 – để LIGO quan sát sự kiện lịch sử đầu tiên của mình: vụ va chạm của hai lỗ đen. Bằng cách đối sánh các mẫu sóng được phát hiện với mô phỏng máy tính, nhóm LIGO kết luận rằng một trong những lỗ đen lớn hơn mặt trời của chúng ta 36 lần và lỗ kia lớn hơn 29 lần – tương đương với tổng số 65 mặt trời. Vụ va chạm tạo ra một lỗ đen mới với khối lượng khoảng 62 mặt trời. Ba mặt trời năng lượng biến mất trong sóng hấp dẫn làm rung chuyển vũ trụ.

Việc quan sát không chỉ xác nhận sự tồn tại của sóng hấp dẫn, như Einstein đã dự đoán 100 năm trước, mà còn cung cấp bằng chứng trực tiếp đầu tiên về lỗ đen.

Một bản sao bị rò rỉ của bài báo khám phá đã đến tay Tiến sĩ Hawking vài ngày trước khi công bố kết quả chính thức. Ông đã rất ngạc nhiên khi không thấy đề cập đến bốn định luật cơ học lỗ đen, hoặc khả năng khám phá này được dùng như một bài kiểm tra đối với chúng. Anh ta nhắn tin cho Tiến sĩ Thorne trên Skype, tác giả của bài báo.

“Stephen hoàn toàn kinh ngạc”, Tiến sĩ Thorne viết cho các đồng nghiệp.

Không ai nghĩ đến việc kiểm tra các quy luật của cơ học lỗ đen, và đã quá muộn để thêm bất cứ điều gì vào bài báo. Hơn nữa, như Tiến sĩ Thorne giải thích gần đây, dữ liệu quá nhiễu để đo kích thước của một lỗ đen mới hình thành, đủ để xác nhận lý thuyết của Tiến sĩ Hawking.

Vào năm 2017, Tiến sĩ Geisler, một nghiên cứu sinh tại Caltech, và các đồng nghiệp của ông đã sử dụng các mô phỏng số của các lỗ đen va chạm để tìm hiểu sâu hơn về vòng xoáy ngày tận thế.

Khi một lỗ đen mới hợp nhất hình thành, nó sẽ rung lên. Giống như trống, nó tạo ra một giai điệu cơ bản cũng như các giai điệu – âm sắc hoặc âm cơ bản. Tiến sĩ Geisler phát hiện ra rằng các âm bội phát ra âm thanh lớn một cách đáng ngạc nhiên vào thời kỳ đầu của quá trình nhiệt hạch. Sử dụng những tông màu này, vào năm 2019, anh và các đồng nghiệp của mình Chứng minh lý thuyết “không có tóc”, trong đó nói rằng các lỗ đen chỉ có thể được mô tả bằng ba tham số.

Mùa hè này, họ có thể mở rộng phạm vi phân tích của mình bằng cách khai thác mức độ đáng kể của lỗ đen mới để đo kích thước của nó. Họ kết luận rằng diện tích chân trời sự kiện của hố đen mới đã tăng lên, như Tiến sĩ Hawking đã dự đoán từ lâu.

Những giấc mơ Nobel

Liệu điều này có mang lại cho Tiến sĩ Hawking giải Nobel nếu ông vẫn còn sống?

“Tôi không cảm thấy thoải mái khi suy đoán,” Tiến sĩ Thorne, người đã chia sẻ giải Nobel Vật lý năm 2017 cho vai trò của mình trong việc phát triển LIGO.

Andrew Strominger của Đại học Harvard, một cộng tác viên lâu năm của Tiến sĩ Hawking, cho biết, “Tôi không biết rõ về những cân nhắc của Ủy ban Nobel, nhưng Hawking thực sự đã được đưa vào giải thưởng này nếu ông ấy còn sống. Những kinh nghiệm gần đây sẽ làm trường hợp thậm chí còn mạnh mẽ hơn. ”

Daniel Holz, một nhà vật lý thiên văn tại Đại học Chicago, người tham gia hợp tác LIGO nhưng không thuộc nhóm của Tiến sĩ Essie, đã mô tả kết quả này là “hoàn toàn đáng chú ý.”

“Có thể nói rằng đó là một sự xác nhận quan sát về một trong những dự đoán của ông ấy,” ông nói. “Tôi ước rằng Ủy ban Nobel công nhận điều đó.”

Giải thưởng vật lý luôn hướng tới những khám phá thực tế và thực nghiệm; Ngay cả Einstein cũng đoạt giải vì giải thích được hiệu ứng quang điện, chứ không phải vì thuyết tương đối. Điểm xa nhất mà Ủy ban Nobel Vật lý Thiên văn Lý thuyết đạt được gần đây là vào năm 2020, khi Roger Penrose của Đại học Oxford được trao giải thưởng vì đã chứng minh rằng các lỗ đen có thể tồn tại trong vũ trụ.

Nhưng anh ấy đã chia sẻ giải thưởng với hai nhà thiên văn học, Reinhard Genzel, từ Viện Max Planck về Vật lý Ngoài Trái đất, và Andrea ngỗng, thuộc Đại học California, Los Angeles, đều đã nghiên cứu về lỗ đen siêu lớn ở trung tâm của Dải Ngân hà.

Ngay cả khi Tiến sĩ Hawking vẫn còn sống khi lý thuyết về vùng lỗ đen được chứng minh, thì ông cũng khó có thể phù hợp – giải Nobel có thể được trao cho ba người nhiều nhất. Còn Tiến sĩ Bardeen và Tiến sĩ Carter, đồng tác giả của Tiến sĩ Hawking thì sao? Và đội của Tiến sĩ Issey?

Tiến sĩ Hawking sẽ không phải là nhà khoa học đầu tiên chết quá sớm để nhận giải Nobel.

Michael Turner, một nhà vũ trụ học nổi tiếng hiện đang làm việc tại Quỹ Kavli ở Los Angeles, đã viết trong một email, đề cập đến nhà thiên văn học Edwin Hubble, người đã khám phá ra vũ trụ đang giãn nở. “Nhưng hắn chết trước.”

Robert Prout, một nhà vật lý lý thuyết tại Đại học Libres de Brussels, có lẽ đã được đưa vào giải Nobel 2013 vì đã dự đoán sự tồn tại của boson Higgs, cùng với đồng nghiệp François Englert và Peter Higgs của Đại học Edinburgh, đã không được. Ông mất năm 2011.

Ronald Drever của Đại học Glasgow, một trong những người sáng lập LIGO, đã chia sẻ giải Nobel 2017 với Tiến sĩ Thorne và Rainer Weiss của Viện Công nghệ Massachusetts nếu ông chưa qua đời vào đầu năm 2017. Vị trí của ông đã được Barry C. . Parrish của Caltech.

Tiến sĩ Hawking nghỉ ngơi bên cạnh Isaac Newton và Charles Darwin tại Tu viện Westminster. Có lẽ điều đó tốt hơn là dành cả mùa đông ở Stockholm.