Một trong những điểm cốt lõi trong lý thuyết hố đen của Giáo sư Stephen Hawking (1942-2018) cho rằng hố đen chỉ có thể lớn lên chứ không thể thu nhỏ. Nhờ các quan sát có độ chính xác cao từ Đài quan sát Sóng hấp dẫn giao thoa kế laser (LIGO), lý thuyết này hiện đã được xác nhận lần đầu tiên. Đây là một cột mốc mới đúng vào dịp tròn 10 năm kể từ lần đầu tiên LIGO phát hiện sóng hấp dẫn.
Quan trọng hơn, điều này cho thấy các quan sát tiên tiến về những gợn sóng trong không-thời gian có thể giúp con người tiếp cận những tầng sâu nhất của vật lý. Trong tương lai, chúng thậm chí có thể hé lộ rằng vũ trụ thực chất là một toàn ảnh, hay ảnh toàn ký (hologram) (Hiểu đơn giản, nguyên lý toàn ảnh cho rằng toàn bộ thông tin của một không gian ba chiều có thể được mã hóa trên một bề mặt hai chiều, giống như cách hình ảnh 3D xuất hiện từ một bề mặt phẳng. Giống như phim 3D tạo cảm giác chiều sâu từ một màn hình phẳng, một số nhà vật lý cho rằng vũ trụ chúng ta cũng có thể hoạt động theo nguyên lý tương tự.)
Thời gian không có thời gian
Khám phá lý thuyết cho rằng có thể tồn tại một “ảnh toàn ký” ẩn dưới thực tại quen thuộc của không gian và thời gian được xem là một trong những phát hiện vật lý quan trọng, khó hiểu và có ảnh hưởng sâu rộng nhất của cuối thế kỷ 20.
Đến nay, các nhà vật lý vẫn chưa thống nhất được ảnh toàn ký đó thực sự tồn tại dưới hình thức nào. Tuy nhiên, chỉ riêng ý tưởng này cũng đã mở ra những hệ quả làm thay đổi sâu sắc vật lý lý thuyết.
Trong nhiều thập kỷ, các nhà vật lý đã vật lộn để dung hòa thuyết tương đối rộng với cơ học lượng tử. Khám phá về nguyên lý toàn ký đã làm được điều đó.
Nó cho thấy lực hấp dẫn và cơ học lượng tử không nhất thiết phải đối lập như nước với lửa, mà có thể giống như âm và dương: hai cách mô tả rất khác nhau nhưng bổ sung cho cùng một thực tại vật lý.
Theo nguyên lý toàn ký, các hệ vật lý có thể đồng thời mang bản chất hấp dẫn và lượng tử — dù ở những chiều không gian khác nhau. Đây chính là sự thay đổi góc nhìn mà lý thuyết toàn ảnh này mang lại.
Có thể toàn bộ vũ trụ đang giãn nở của chúng ta cũng là một ảnh toàn ký — và đây chính là giả thuyết cuối cùng của Hawking về vũ trụ. Trong những ảnh toàn ký quen thuộc, chiều không gian thứ ba xuất hiện từ ánh sáng được chiếu lên một bề mặt.
Tuy nhiên, trong ý tưởng “vũ trụ như một ảnh toàn ký”, thứ được mã hóa theo nguyên lý toàn ký lại là chiều thời gian. Nói cách khác, sự tiến hóa của vũ trụ có thể chỉ là một phép chiếu toàn ký.
Những suy nghĩ cuối cùng của Hawking về việc thời gian xuất hiện như một phép chiếu toàn ký được mô tả bằng hình ảnh dạng đĩa.
Sơ đồ mô tả cách vũ trụ có thể xuất hiện từ một hình toàn ảnh, nơi các qubit vướng víu lượng tử ở ranh giới mã hóa thông tin định hình thời gian và không gian. Ảnh: Thomas Hertog
Vòng tròn bên ngoài đại diện cho một ảnh toàn ký không có thời gian, được cấu thành từ vô số bit lượng tử vướng víu, hay còn gọi là qubit, tương tự như trạng thái xoay (spin) của các hạt. (Qubit là đơn vị cơ bản của thông tin lượng tử, có thể tồn tại ở nhiều trạng thái cùng lúc.)
Từ đó, sự tiến hóa của một vũ trụ đang giãn nở được cho là xuất hiện. Ở trung tâm của chiếc đĩa là điểm khởi nguồn của vũ trụ, sau đó mở rộng ra ngoài theo cái gọi là hướng xuyên tâm.
Điều này giống như tồn tại một đoạn mã vận hành trên các qubit vướng víu để tạo ra vũ trụ, và quá trình hình thành này chính là thứ mà chúng ta cảm nhận như dòng chảy của thời gian.
Chúng ta có thể quay ngược thời gian, tiến vào phần bên trong của chiếc đĩa, bằng cách nhìn ảnh toàn ký bên ngoài theo cách mờ hơn — giống như thu nhỏ một bức ảnh. Tuy nhiên, đến một thời điểm nào đó, các bit sẽ cạn kiệt. Theo cách nhìn toàn ký về vũ trụ, đó chính là điểm khởi đầu của thời gian.
Hai đồng nghiệp Thomas Hertog và Stephen Hawking từng đặt lại câu hỏi về lý thuyết Hawking đưa ra trong cuốn Lược sử thời gian. Ảnh: Thomas Hertog
Nếu giả thuyết này đúng, có thể sẽ không tồn tại bất kỳ điều gì trước Vụ Nổ Lớn, bởi quá khứ được hình thành theo nguyên lý toàn ký đơn giản là không kéo dài xa hơn nữa. Nếu được chứng minh, những hiểu biết lý thuyết này sẽ tạo ra một cách nhìn hoàn toàn mới về nguồn gốc vũ trụ.
Kể từ khi khám phá ra Vụ Nổ Lớn vào đầu thập niên 1930, giới khoa học vẫn luôn bối rối trước câu hỏi làm thế nào thời gian có thể xuất hiện.
Các nhà vật lý, bao gồm cả Hawking, từ lâu đã cố gắng đưa ra lời giải thích mang tính nhân quả cơ bản về sự khởi đầu của vũ trụ.
Nhưng ý tưởng vũ trụ là ảnh toàn ký lại đưa ra một góc nhìn hoàn toàn khác.
Gần thời điểm Vụ Nổ Lớn, các quy luật vật lý cổ điển bắt đầu sụp đổ. Theo nguyên lý toàn ký, Vụ Nổ Lớn không chỉ đánh dấu sự khởi đầu của thời gian mà còn là thời điểm các quy luật vật lý quen thuộc của chúng ta bắt đầu xuất hiện.
Liệu hố đen có phải là những hình ba chiều tối thượng?
Vào thập niên 1970, Jacob Bekenstein và Stephen Hawking đã phát hiện — thông qua một thí nghiệm tư duy đầy sáng tạo — rằng hố đen không phải là những “hố sâu không đáy” trống rỗng như thuyết tương đối rộng của Albert Einstein từng gợi ý.
Thay vào đó, chúng lưu trữ một lượng thông tin khổng lồ về lịch sử của chính mình trong một cấu trúc vi mô bí ẩn. Hawking thậm chí cho rằng hố đen thực chất là những “ổ cứng” hiệu quả nhất trong vũ trụ.
Ví dụ, Sagittarius A* — hố đen siêu lớn nằm ở trung tâm Dải Ngân hà — có thể lưu trữ lượng dữ liệu tương đương không dưới 1080 gigabyte (tức số 1 theo sau bởi 80 số 0 — một con số gần như không thể hình dung).
Để so sánh, toàn bộ dữ liệu trong các trung tâm lưu trữ của Google thậm chí có thể chứa vừa trong một hố đen nhỏ hơn cả kích thước của một proton.
Hình ảnh Sagittarius A* — hố đen siêu lớn ở trung tâm Dải Ngân hà — được chụp từ dữ liệu của Kính thiên văn Chân trời Sự kiện (EHT) năm 2017. Bản thân hố đen hoàn toàn tối, bao quanh bởi vòng khí phát sáng bị bẻ cong bởi lực hấp dẫn. Ảnh: Science Photo Library
Hawking cũng đã xây dựng một công thức toán học chính xác để tính lượng thông tin, hay entropy (mức độ hỗn loạn, mất trật tự hoặc số cách sắp xếp vi mô có thể có của một hệ), mà một hố đen chứa đựng. Tuy nhiên, công thức này lại vô cùng khó hiểu.
Một trong những điểm kỳ lạ nhất là nó cho thấy entropy của hố đen tăng theo diện tích bề mặt chân trời sự kiện (event horizon – ranh giới bao quanh hố đen, nơi mà một khi vật chất, ánh sáng hay thông tin vượt qua thì không thể thoát ra ngoài được nữa vì lực hấp dẫn quá mạnh), chứ không phải theo thể tích bên trong của nó.
Điều này rất bất ngờ.
Ở các hệ thống quen thuộc như thư viện, khả năng lưu trữ thông tin thường gắn với thể tích bên trong, chứ không phải diện tích bề mặt bao quanh.
Ví dụ, nếu muốn ước tính lượng thông tin trong một thư viện, bạn sẽ phải đếm số sách trên tất cả các kệ, chứ không chỉ những cuốn nằm sát các bức tường.
Nhưng với hố đen thì dường như không phải vậy.
Để tính lượng thông tin lượng tử của một hố đen, Bekenstein và Hawking đề xuất hình dung bề mặt chân trời sự kiện được phủ bởi một mạng lưới gồm những ô cực nhỏ, với mỗi cạnh chỉ dài bằng một đơn vị lượng tử — khoảng 10-33 cm (tức 0,000…0001 với 32 số 0 sau dấu thập phân trước số 1).
Khám phá mang tính bước ngoặt từ phương trình entropy này là: mỗi đơn vị lượng tử trên chân trời sự kiện mang theo một bit thông tin.
Mỗi bit này có thể trả lời một câu hỏi dạng “có hoặc không” về quá trình tiến hóa của hố đen và cấu trúc vi mô của nó. Tập hợp toàn bộ các bit đó có thể đại diện cho mọi thứ cần biết về hố đen.
Đây được xem là một trong những dấu hiệu đầu tiên của nguyên lý toàn ảnh trong vật lý hiện đại: khả năng lưu trữ thông tin của hố đen không được quyết định bởi thể tích bên trong, mà bởi diện tích bề mặt chân trời sự kiện.
Nói cách khác, xét ở góc độ lượng tử, hố đen có thể không thực sự có “bên trong” như chúng ta tưởng — mà giống như một hình ba chiều toàn ký.
Entropy cũng là thước đo mức độ hỗn loạn của một hệ vật lý.
Entropy cao nghĩa là hệ ở trạng thái hỗn loạn lớn, còn entropy thấp tương ứng với trạng thái trật tự hơn.
Điều này cũng phải đúng khi hai hố đen va chạm và hợp nhất.
Khi điều đó xảy ra, khối lượng của chúng kết hợp lại, làm tăng diện tích bề mặt. Tuy nhiên, chúng cũng mất năng lượng dưới dạng một đợt bùng phát sóng hấp dẫn.
Ngoài ra, vụ hợp nhất còn có thể làm tăng tốc độ quay của hố đen mới hình thành — mà theo thuyết tương đối của Einstein, điều này lại khiến diện tích bề mặt của nó giảm xuống.
Hình minh họa vụ hợp nhất của hai hố đen và các sóng hấp dẫn lan ra ngoài khi chúng xoáy vào nhau. Ảnh: Science Photo Library
Lý thuyết của Hawking cho rằng tổng hợp tất cả những yếu tố trái ngược này cuối cùng vẫn sẽ khiến tổng diện tích bề mặt tăng lên trong mọi trường hợp, tạo ra một hố đen lớn hơn.
Vào giữa năm 2025, phân tích chính xác một tín hiệu sóng hấp dẫn cực mạnh phát ra từ vụ hợp nhất của hai hố đen đã lần đầu tiên xác nhận lý thuyết này của Hawking.
Sóng hấp dẫn
Sóng hấp dẫn là những dao động cực nhỏ trong cấu trúc không-thời gian. Sự tồn tại của chúng lần đầu được Albert Einstein dự đoán vào năm 1916. Tuy nhiên, Einstein từng nghi ngờ rằng con người sẽ không bao giờ đo được sóng hấp dẫn, chứ chưa nói đến việc chúng có thể mang ý nghĩa khoa học lớn.
Ngày nay, hơn một thế kỷ sau, những phát hiện đầu tiên về các gợn sóng khó nắm bắt này đang tạo ra một cuộc cách mạng trong vật lý và thiên văn học.
Vì sao? Bởi việc quan sát được sóng hấp dẫn đang mở ra một cuộc cách mạng kiểu Galileo: đánh dấu sự ra đời của một nhánh thiên văn học hoàn toàn mới.
Kể từ những quan sát đầu tiên bằng kính thiên văn của Galileo Galilei vào năm 1609, gần như mọi hiểu biết của con người về vũ trụ đều đến từ việc quan sát ánh sáng ở nhiều bước sóng khác nhau — từ sóng vô tuyến cho đến tia gamma.
Thế kỷ 21 sẽ là thời đại mà nhân loại khám phá vũ trụ không chỉ bằng ánh sáng, mà còn bằng sóng hấp dẫn — một phương thức hoàn toàn mới để quan sát vũ trụ.
Điều đó giống như loài người đang phát triển thêm một giác quan mới: chúng ta không chỉ “nhìn” lên bầu trời nữa, mà đang học cách “lắng nghe” âm thanh của vũ trụ.
Các đợt bùng phát sóng hấp dẫn liên tục được tạo ra trong những sự kiện vũ trụ cực kỳ dữ dội, chẳng hạn khi các hố đen va chạm với nhau, hoặc thậm chí trong những khoảnh khắc đầu tiên sau Vụ Nổ Lớn.
Khi được tạo ra, các xung sóng hấp dẫn lan truyền với tốc độ ánh sáng và đi xuyên qua mọi thứ mà hầu như không bị cản trở — từ các hành tinh, ngôi sao cho đến cả những đám vật chất tối.
Khi sóng hấp dẫn đi qua Trái Đất, khoảng cách và thời gian sẽ bị kéo giãn rồi nén lại trong chốc lát, dù chỉ rất nhỏ — như thể nhịp thở nhẹ của vũ trụ lướt qua hành tinh của chúng ta. Đó là những tiếng vọng mờ nhạt từ một số sự kiện mạnh mẽ và bí ẩn nhất trong vũ trụ.
Điều quan trọng là bằng cách “giải mã ngược” các mô hình sóng hấp dẫn quan sát được dựa trên thuyết tương đối rộng của Einstein, các nhà khoa học có thể xác định nguồn gốc vũ trụ đã tạo ra các đợt sóng đi qua Trái Đất.
Một kỹ thuật viên kiểm tra một trong bốn gương cốt lõi của LIGO, hệ thống dùng để đo những thay đổi khoảng cách do sóng hấp dẫn gây ra. Ảnh: LIGO/CALTECH/NSF
Việc phân tích ngược tín hiệu cực mạnh được ghi nhận năm ngoái — mang tên GW250114 (các con số thể hiện thời điểm sóng hấp dẫn đến Trái Đất: năm 2025, tháng 1, ngày 14) — cho thấy tín hiệu này bắt nguồn từ hai hố đen cách Trái Đất khoảng 1,3 tỷ năm ánh sáng, với khối lượng gấp khoảng 30–40 lần Mặt Trời, đã va chạm và hợp nhất thành một hố đen mới.
Nguồn gốc này khá giống với tín hiệu đầu tiên mà đài quan sát LIGO từng phát hiện (GW150914). Tuy nhiên, nhờ một thập kỷ cải tiến công nghệ giúp giảm nhiễu thiết bị, tín hiệu GW250114 mạnh hơn đáng kể so với GW150914.
Điều này cho phép các nhà nghiên cứu xác định rằng diện tích bề mặt chân trời sự kiện của hố đen mới thực sự lớn hơn tổng diện tích chân trời sự kiện của hai hố đen ban đầu.
Hai hố đen ban đầu có tổng diện tích bề mặt khoảng 240.000 km² — mỗi hố đen có khối lượng gấp khoảng 30 lần Mặt Trời nhưng bị nén vào một khối cầu có diện tích bề mặt tương đương diện tích nước Anh. Hố đen mới hình thành có diện tích bề mặt khoảng 400.000 km², mức tăng đáng kể dường như xác nhận lý thuyết của Hawking.
Phần khó nhất trong kiểu phân tích này là xác định diện tích bề mặt của hố đen mới.
Kích thước của hai hố đen trước khi hợp nhất có thể được suy ra tương đối dễ dàng từ mô hình sóng hấp dẫn tạo ra khi chúng quay quanh nhau.
Nhưng khi hai hố đen hợp nhất, tín hiệu nhanh chóng suy yếu — giống như tiếng vang của một chiếc chuông sau khi bị gõ.
Tuy nhiên, cũng giống như chuông, “âm sắc” trong dao động của hố đen — tức các tần số rung đặc trưng của nó — phụ thuộc vào kích thước của hố đen và có thể được tính toán rất chính xác dựa trên thuyết tương đối rộng của Einstein.
Tín hiệu mạnh từ GW250114 cho phép các nhà nghiên cứu xác định chính xác “âm sắc” này, từ đó tính được khối lượng và tốc độ quay của hố đen mới theo lý thuyết Einstein, rồi tiếp tục xác định diện tích bề mặt của nó để kiểm nghiệm lý thuyết của Hawking.
Điều này cho thấy các quan sát sóng hấp dẫn tiên tiến thực sự có thể chạm tới những nền tảng sâu nhất của vật lý học.
Tuy nhiên, như thường thấy trong nghiên cứu cơ bản, phát hiện mới này hiện lại đặt ra nhiều câu hỏi hơn là đưa ra câu trả lời.
Ngay cả những tín hiệu sóng hấp dẫn mạnh nhất cũng chưa thể tiết lộ bất kỳ điều gì về cấu trúc vi mô bí ẩn nơi hố đen được cho là lưu trữ lượng thông tin khổng lồ.
Dường như hố đen vừa cực kỳ đơn giản, vừa vô cùng phức tạp.
Sự song hành đó phản ánh căng thẳng kéo dài giữa thuyết tương đối rộng của Einstein và cơ học lượng tử.
Qubit của hố đen là gì? Chúng có thực sự bị giới hạn trên bề mặt chân trời sự kiện, như công thức của Hawking gợi ý, và từ đó “chiếu” toàn bộ phần bên trong theo nguyên lý toàn ảnh hay không? Và quan trọng hơn cả: điều gì sẽ xảy ra với lượng thông tin khổng lồ đó khi hố đen già đi?
Liệu một vụ nổ hố đen có thể giải thích mọi thứ?
Trong khi bức xạ từ các hố đen hình thành do sự sụp đổ của những ngôi sao già cỗi luôn quá lạnh và không thể phát hiện được, Hawking cũng từng suy đoán rằng những hố đen nhỏ hơn nhiều có thể đã hình thành ngay sau Vụ Nổ Lớn.
Nếu tồn tại, những hố đen nguyên thủy này có thể nóng hơn rất nhiều và thậm chí có thể phát nổ.
Thực tế, vào tháng 2/2026, các nhà nghiên cứu tại Đại học Massachusetts Amherst (Mỹ) cho rằng việc phát hiện một hạt neutrino có năng lượng cực cao bởi dự án KM3NeT Collaboration vào năm 2023 có thể là tàn dư của một vụ nổ hố đen nguyên thủy như vậy.
Nếu được xác nhận, các quan sát neutrino trong tương lai có thể mở ra một cánh cửa đầy hứa hẹn để nghiên cứu động lực học lượng tử của một trong những vật thể bí ẩn nhất tự nhiên.
Hiện tại, đây vẫn là những phát hiện mang tính suy đoán và chưa chắc chắn. Nhưng nếu đúng, chúng có thể cung cấp bằng chứng về bức xạ Hawking và mở ra con đường kiểm chứng giả thuyết rằng vũ trụ là một hình toàn ảnh.
Bức xạ hố đen
Entropy luôn đi kèm với nhiệt độ — ngay cả với hố đen. Trên bia mộ của Stephen Hawking tại Tu viện Westminster, như thể đó là “tấm vé đi vào cõi bất tử” của ông, người ta khắc công thức tính nhiệt độ của hố đen do chính ông phát triển.
Trong công thức của Hawking, T đại diện cho nhiệt độ của hố đen, M đại diện cho khối lượng của nó. Các đại lượng còn lại đều là những hằng số cơ bản của tự nhiên, gồm c là tốc độ ánh sáng, G là hằng số hấp dẫn Newton, ħ là hằng số lượng tử Planck, và k là hằng số Boltzmann trong nhiệt động lực học — lĩnh vực nghiên cứu năng lượng, nhiệt và công.
Vẻ đẹp đặc biệt trong công thức của Hawking nằm ở chỗ nó kết hợp tất cả các hằng số này trong một phương trình duy nhất.
Không giống nhiều phương trình nổi tiếng khác của vật lý thế kỷ 20 như phương trình Einstein hay Schrödinger — vốn mô tả những lĩnh vực riêng biệt của vật lý — công thức này thể hiện sự giao thoa giữa nhiều nhánh vật lý khác nhau.
Các quan sát sóng hấp dẫn tiên tiến có thể chạm tới những nền tảng sâu nhất của vật lý học. Ảnh: Shutterstock
Bằng cách kết hợp nguyên lý của cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng, Hawking đã chấp nhận một rủi ro toán học lớn. Đổi lại, ông đạt được một phát hiện mà không lý thuyết nào riêng lẻ có thể mang lại: hố đen phát ra một lượng rất nhỏ bức xạ nhiệt.
Dù cực kỳ lạnh, rất yếu và gần như không thể phát hiện, sự tồn tại của bức xạ Hawking đồng nghĩa với việc hố đen sẽ từ từ mất khối lượng và cuối cùng biến mất hoàn toàn.
Nhưng khi hố đen bốc hơi, số thông tin bị khóa bên trong nó sẽ đi đâu? Câu hỏi này nhanh chóng trở thành một trong những bài toán đau đầu nhất của vật lý lý thuyết cuối thế kỷ 20 — khiến không chỉ một mà hai thế hệ nhà vật lý phải vật lộn.
Ở nhiều khía cạnh, nghịch lý thông tin của hố đen giống như “bất thường quỹ đạo Sao Thủy” trong thế kỷ 19 — hiện tượng quỹ đạo Sao Thủy lệch bất thường mà cơ học Newton không thể giải thích.
Ban đầu, các nhà khoa học cho rằng mọi thông tin bên trong hố đen sẽ biến mất vĩnh viễn khi hố đen tan biến, bởi bức xạ Hawking dường như hoàn toàn không mang dấu vết thông tin.
Khi đó, hố đen bị xem như cỗ máy xóa dữ liệu tối thượng — dù cơ học lượng tử cho rằng điều này là không thể. “Vật lý đang gặp rắc rối nghiêm trọng,” Hawking từng tuyên bố. “Cơ học lượng tử phải được sửa đổi.”
Tuy nhiên, bước sang đầu thế kỷ 21, nguyên lý toàn ảnh đã xuất hiện như một lời giải cứu.
Các nhà vật lý dần hiểu rõ hơn bản chất toàn ảnh của hố đen — dù mới chỉ trong những mô hình toán học lý tưởng.
Hàng loạt thí nghiệm tư duy mới cho thấy bức xạ Hawking không “trống rỗng” như người ta từng nghĩ.
Hiện nay, nhiều nhà khoa học tin rằng nó mang theo lượng thông tin khổng lồ được mã hóa trong một mạng lưới phức tạp của các mối tương quan lượng tử tinh vi giữa những hạt phát ra.
Ít nhất là ở thời điểm hiện tại, vật lý đã được cứu.
(*) Thomas Hertog là giáo sư vật lý tại Đại học KU Leuven và là nghiên cứu viên tại CERN. Ông nhận bằng tiến sĩ tại Đại học Cambridge với luận án được hướng dẫn bởi Giáo sư Stephen Hawking. Cùng với Hawking, Hertog tiếp tục nghiên cứu về Vụ Nổ Lớn (Big Bang) và quá trình lạm phát vũ trụ. Công trình hiện tại của ông tập trung vào lý thuyết dây và vũ trụ học lượng tử.
