Tìm Hiểu Về Lỗ Đen Và Helium (He) Siêu Lỏng Là Gì?

1 - Lỗ Đen Và Helium (He) Siêu Lỏng là gì?

"Lỗ đen và helium (He) siêu lỏng" là "những đối tượng thú vị của vật lý". Một thứ nổi tiếng vì lực hấp dẫn mạnh đến nỗi cả ánh sáng cũng không thoát được nếu vô tình đi ngang qua. Một thứ nổi tiếng vì có khả năng chảy mà không gặp ma sát trên bất kỳ bề mặt nào. 

Nhưng 2 thứ tưởng chừng không có liên quan này vừa được ghi nhận là "có liên quan" ở một số đặc tính lượng tử, theo các mô hình giả lập máy tính mới nhất. Một trong những vật chất có thể tái tạo dễ dàng trên Trái Đất lại có những tính chất kỳ lạ giống các thiên thể đặc biệt nằm sâu xa ngoài vũ trụ ngoài tầm với của con người. 
 

Hình 1: Lỗ Đen Và Helium (He) Siêu Lỏng là gì?
 

Tại hội thảo do Hiệp hội Vật lý Mỹ tổ chức mới đây, các nhà nghiên cứu vừa công bố những kết quả quan sát mới nhất về He siêu chảy. Họ chạy mô hình mô phỏng He-4, ở nhiệt độ khoảng 2 độ Kelvin (-271 độ Celcius).
 

Trong mô hình này, các nhà vật lý theo dõi quá trình rối lượng tử của các nguyên tử He. Họ chọn ra một mẫu ảnh cầu và quan sát rối lượng tử giữa các nguyên tử nằm bên trong ảnh cầu cũng như ở bên ngoài. Mục đích của quan sát này nhằm tìm ra loại entropy tồn tại bên trong He siêu chảy.
 

Entropy là một đại lượng đặc trưng cho sự "rối loạn" bên trong một hệ vật chất, tương đương với số lượng thông tin mà nó chứa đựng. Nhưng theo quan sát trên, entropy của He siêu chảy diễn ra theo hướng ngược với các logic thông thường.
 

Cụ thể thay vì giá trị entropy tăng lên cùng với thể tích của khối ảnh cầu, nó lại tăng theo diện tích bề mặt của khối cầu đó. Đặc điểm này giống với việc tăng entropy của lỗ đen khi nó hút thêm vật chất và nở thêm ra. Và đây là lần đầu tiên mà các nhà vật lý quan sát thấy hiện tượng này khi tiến hành mô phỏng hoá mọi loại vật chất con người đã biết.
 

Hình 2: Mô hình He siêu lỏng ghi nhận tính chất entropy giống với lỗ đen
 

Nhà vật lý Christopher Herdman thuộc ĐH Waterloo (Canada), diễn tả về logic entropy "thông thường": "Nếu anh tăng gấp đôi kích thước một cái hộp, anh sẽ có khả năng tăng gấp đôi số lượng thông tin chứa bên trong đó".
 

Vì không gian để các nguyên tử dao động càng nhiều thì khả năng hỗn loạn của chúng cũng tăng lên tương ứng. Nhưng ở lỗ đen, con số này không tăng theo thể tích mà theo diện tích bề mặt, vốn chậm hơn so với tốc độ tăng của thể tích. Đặc tính lượng tử này của lỗ đen được gọi là "luật bề mặt" (area law).
 

Khối cầu siêu chảy He này tương tự với vùng chân trời sự kiện của lỗ đen, nơi mà một khi đã bước qua, bạn sẽ không thể quay đầu được nữa (kể cả ánh sáng). Trong lỗ đen, các phần tử vật chất ở đầu bên này của chân trời sự kiện vẫn có thể rối lượng tử được với các phần tử vật chất khác ở đầu bên kia, tương tự những gì mô hình He siêu chảy vừa ghi nhận được.
 

Nhà vật lý Joe Serene thuộc ĐH Georgetown tại Washington, D.C (Mỹ) bày tỏ sự phấn khích: "Tôi nghĩ đây là một kết quả hết sức thú vị". Song, đây chỉ mới là kết quả dựa mô hình mô phỏng. Chỉ khi nào các thí nghiệm thực tế ghi nhận điều tương tự, chúng ta mới có thể chắc chắn về kết luận trên. Serene nói thêm: "Vẫn cần phải phân biệt rõ ràng liệu chúng sẽ diễn ra như thế nào trong các hệ thống thí nghiệm thực tế".

Tuy vậy, nếu hiện tượng trên được chứng minh là có thật, thì nó có ý nghĩa gì? Nó cho thấy "luật bề mặt" thực sự tồn tại. "Luật bề mặt" nói rằng entropy của lỗ đen tỷ lệ với diện tích bề mặt. Nhưng vì các lỗ đen nằm ở rất xa Trái Đất nên cho đến nay, chúng ta chỉ có thể tạo dựng được nó thông qua các mô hình mô phỏng trên máy tính.
 

Ngoài ra, "luật bề mặt" còn là cơ sở cho nguyên lý holographic, vốn cho rằng các thông tin xảy ra bên trong một khoảng không có thể được tái tạo lại toàn bộ trên một bề mặt suy biến của nó. Nguyên lý holographic được xem là một thuộc tính của hấp dẫn lượng tử. Đây là một lý thuyết tìm cách đồng nhất 2 lý thuyết vật lý lớn nhất hiện nay là thuyết lượng tử (đúng ở tầm vi mô) và thuyết hấp dẫn (đúng ở tầm vĩ mô).
 

Hình 3: "Luật bề mặt" là một lý thuyết quan trọng để thống nhất thuyết lượng tử và thuyết tương đối
 

Ngoài ra, "luật bề mặt" cũng là tiền đề cho một lý thuyết nói rằng cấu trúc của không-thời gian (spacetime) rất có thể là kết quả của rối lượng tử. Nhà vật lý Markus Greiner thuộc ĐH Harvard (Mỹ), nhận định: "Entropy lượng tử là một khái niệm rất thành công xuyên suốt trên nhiều lãnh địa vật lý. Vấn đề lớn duy nhất của nó là không ai biết cách làm sao... có thể đo lường được chúng trong các hệ thống đời thật".
 

Kết Luận: "Lỗ đen và helium (He) siêu lỏng" là "những đối tượng thú vị của vật lý". Một thứ nổi tiếng vì lực hấp dẫn mạnh đến nỗi cả ánh sáng cũng không thoát được nếu vô tình đi ngang qua. Một thứ nổi tiếng vì có khả năng chảy mà không gặp ma sát trên bất kỳ bề mặt nào.