Black holes are among the most destructive objects in the universe. Anything that gets too close to the central singularity of a black hole, be it an asteroid, planet, or star, risks being torn apart by its extreme gravitational field. And if the approaching object happens to cross the black hole’s event horizon, it’ll disappear and never re-emerge, adding to the black hole’s mass and expanding its radius in the process. There is nothing we could throw at a black hole that would do the least bit of damage to it. Even another black hole won’t destroy it– the two will simply merge into a larger black hole, releasing a bit of energy as gravitational waves in the process. By some accounts, it’s possible that the universe may eventually consist entirely of black holes in a very distant future. And yet, there may be a way to destroy, or “evaporate,” these objects after all. If the theory is true, all we need to do is to wait.
Lỗ đen là một trong số cácc vật thể có sức tàn phá nhất vũ trụ. Bất cứ thứ gì tiến quá gần đến tâm của lỗ đen, dù là tiểu hành tinh, hành tinh, hay ngôi sao, đều có nguy cơ bị trường hấp dẫn cực mạnh của nó nghiền nát. Một vật vô tình vượt qua rìa của lỗ đen, sẽ biến mất, không bao giờ trở lại. Quá trình này làm tăng khối lượng và bán kính lỗ đen. Dù có dùng thứ gì đi nữa, cũng không thể khiển nó suy suyển. Ngay cả một lỗ đen khác cũng không thể phá hủy nó - cả hai, đơn giản, sẽ hợp nhất thành một lỗ đen lớn hơn, giải phóng một ít năng lượng dưới dạng sóng hấp dẫn. Theo một số người, trong tương lai xa, cuối cùng, vũ trụ có thể chỉ toàn là lỗ đen. Xét cho cùng, có thể có một cách phá hủy, hay làm chúng "biến mất". Nếu giả thuyết này đúng, tất cả những gì ta cần làm là chờ đợi. Năm 1974, Stephen Hawking đưa ra giả thuyết về một quá trình
In 1974, Stephen Hawking theorized a process that could lead a black hole to gradually lose mass. Hawking radiation, as it came to be known, is based on a well-established phenomenon called quantum fluctuations of the vacuum. According to quantum mechanics, a given point in spacetime fluctuates between multiple possible energy states. These fluctuations are driven by the continuous creation and destruction of virtual particle pairs, which consist of a particle and its oppositely charged antiparticle.
có thể khiến lỗ đen mất dần khối lượng. Giả thuyết này được biết đến với tên gọi Bức xạ Hawking, dựa trên một hiện tượng nổi tiếng gọi là thuyết Thăng giáng lượng tử. Theo nguyên lý lượng tử, một điểm trong không gian dao động qua lại nhiều trạng thái năng lượng. Biến thiên lượng tử được tạo thành từ sự hình thành và phá hủy liên tục các cặp hạt ảo, gồm hạt và phản hạt mang điện tích trái dấu.
Normally, the two collide and annihilate each other shortly after appearing, preserving the total energy. But what happens when they appear just at the edge of a black hole’s event horizon? If they’re positioned just right, one of the particles could escape the black hole’s pull while its counterpart falls in. It would then annihilate another oppositely charged particle within the event horizon of the black hole, reducing the black hole’s mass. Meanwhile, to an outside observer, it would look like the black hole had emitted the escaped particle.
Thông thường, rất nhanh sau khi sinh ra, cả hai va chạm, triệt tiêu lẫn nhau, bảo toàn năng lượng toàn phần. Vậy điều gì sẽ xảy ra khi chúng xuất hiện ngay tại rìa lỗ đen? Ở vị trí thích hợp, một hạt thoát khỏi lực hút của lỗ đen, hạt còn lại bị hút vào bên trong. Sau đó, bên trong rìa lỗ đen, chúng sẽ triệt tiêu lẫn nhau làm giảm khối lượng lỗ đen. Tuy vậy, với người quan sát từ bên ngoài, lỗ đen giống như giải phóng hạt ra ngoài.
Thus, unless a black hole continues to absorb additional matter and energy, it’ll evaporate particle by particle, at an excruciatingly slow rate. How slow? A branch of physics, called black hole thermodynamics, gives us an answer.
Như vậy, trừ khi tiếp tục hấp thụ vật chất và năng lượng, lỗ đen sẽ chầm chậm biến mất từng chút một. Chậm cỡ nào? Một nhánh của vật lý
When everyday objects or celestial bodies release energy to their environment, we perceive that as heat, and can use their energy emission to measure their temperature. Black hole thermodynamics suggests that we can similarly define the “temperature” of a black hole. It theorizes that the more massive the black hole, the lower its temperature. The universe’s largest black holes would give off temperatures of the order of 10 to the -17th power Kelvin, very close to absolute zero. Meanwhile, one with the mass of the asteroid Vesta would have a temperature close to 200 degrees Celsius, thus releasing a lot of energy in the form of Hawking Radiation to the cold outside environment. The smaller the black hole, the hotter it seems to be burning– and the sooner it’ll burn out completely.
gọi là Nhiệt động lực học lỗ đen đã cho ta câu trả lời. Khi một vật dụng hằng ngày hay thiên thể giải phóng năng lượng vào môi trường, ta cảm nhận nó dưới dạng nhiệt, và có thể dùng năng lượng phát xạ để đo nhiệt độ. Nhiệt động lực học lỗ đen chỉ ra ta có thể xác định nhiệt độ lỗ đen bằng cách tương tự. Lý thuyết này cho rằng lỗ đen càng lớn, nhiệt độ càng thấp. Lỗ đen lớn nhất trong vũ trụ có nhiệt độ khoảng 10^ -17 độ Kelvin, rất gần với không độ tuyệt đối. Còn lỗ đen có khối lượng bằng khối lượng tiểu hành tinh Vesta có nhiệt độ gần 200 độ C, do đó, giải phóng nhiều năng lượng dưới dạng bức xạ Hawking ra không gian lạnh giá bên ngoài. Lỗ đen càng nhỏ, càng bị đốt nóng nhiều hơn, và sẽ nhanh mất hết toàn bộ năng lượng hơn. Nhanh cỡ nào?
Just how soon? Well, don’t hold your breath. First of all, most black holes accrete, or absorb matter and energy, more quickly than they emit Hawking radiation. But even if a black hole with the mass of our Sun stopped accreting, it would take 10 to the 67th power years– many many magnitudes longer than the current age of the Universe— to fully evaporate. When a black hole reaches about 230 metric tons, it’ll have only one more second to live. In that final second, its event horizon becomes increasingly tiny, until finally releasing all of its energy back into the universe. And while Hawking radiation has never been directly observed, some scientists believe that certain gamma ray flashes detected in the sky are actually traces of the last moments of small, primordial black holes formed at the dawn of time.
Ồ, đừng hồi hộp chờ đợi. Đầu tiên, hầu hết các lỗ đen lớn dần, hay hấp thụ vật chất và năng lượng, nhanh hơn giải phóng bức xạ Hawking. Nhưng ngay cả khi lỗ đen có khối lượng bằng khối lượng Mặt trời ngừng phát triển, cũng sẽ mất đến 10^67 năm- nhiều hơn tuổi hiện tại của vũ trụ, để có thể biến mất hoàn toàn. Khi khối lượng lỗ đen còn 230 tấn, nó chỉ còn đúng một giây để sống. Trong giây cuối cùng đó, rìa của nó ngày càng thu hẹp, cuối cùng, giải phóng toàn bộ năng lượng lại vào vũ trụ. Dù không ai từng quan sát trực tiếp bức xạ Hawking, một số nhà khoa học tin rằng vài tia gamma được phát hiện trên nền trời chính là dấu vết của những khoảnh khắc cuối cùng của những lỗ đen nhỏ nguyên thủy, được hình thành từ buổi sơ khai.
Eventually, in an almost inconceivably distant future, the universe may be left as a cold and dark place. But if Stephen Hawking was right, before that happens, the normally terrifying and otherwise impervious black holes will end their existence in a final blaze of glory.
Cuối cùng, tại một tương lai xa, vô định, vũ trụ có thể sẽ chỉ còn là một nơi tối tăm và lạnh lẽo. Nhưng nếu Stephen Hawking đúng, trước khi điều đó xảy ra, những lỗ đen thường đáng sợ và không thể phá hủy sẽ kết thúc sự tồn tại của mình trong ánh sáng rực rỡ.