Sao chết không phát xạ
(johncarlosbaez.wordpress.com)- Một tuyên bố mới rằng cả những vật thể nặng không phải lỗ đen cũng phát ra bức xạ Hawking (Hawking radiation) dẫn đến kết luận rằng các sao chết tĩnh sẽ mất khối lượng rồi biến mất, mâu thuẫn với lý thuyết trường lượng tử trong không-thời gian cong hiện có
- Lập luận này có cấu trúc rằng trường hấp dẫn tạo ra cặp hạt–phản hạt và bức xạ mang năng lượng đi, nhưng lại bỏ trống việc proton và neutron cấu thành ngôi sao biến mất qua quá trình nào
- Các bài phản biện cho rằng phép tính dựa vào xấp xỉ thô sơ và cho kết quả sai ngay cả trong những bài toán đơn giản hơn; kết quả năm 1975 của Ashtekar và Magnon cho thấy tính ổn định của chân không trong không-thời gian tĩnh
- Nếu tồn tại Killing field có dạng thời gian ở mọi nơi thì đối xứng tịnh tiến theo thời gian được thỏa mãn; trong điều kiện này có thể xây dựng lý thuyết trường lượng tử phân biệt hạt và phản hạt, nên không xảy ra sự sinh hạt tự phát
- Với lỗ đen Schwarzschild, Killing field không còn có dạng thời gian tại chân trời sự kiện, nên không thể áp dụng cùng lập luận; tuyên bố về bức xạ của sao chết gần giống một nỗ lực dùng xấp xỉ yếu hơn để đảo ngược một vấn đề đã được giải quyết từ nhiều thập kỷ trước
Điểm khởi đầu của tranh luận: bức xạ Hawking từ vật thể không phải lỗ đen
- Michael F. Wondrak, Walter D. van Suijlekom, Heino Falcke cho rằng trong Gravitational pair production and black hole evaporation, cả những khối vật chất nặng không phải lỗ đen cũng phát ra bức xạ Hawking
- Tiếp đó, trong bài báo mới, họ tuyên bố rằng cả những ngôi sao đã chết và nguội lạnh cũng phát ra bức xạ Hawking, từ từ mất khối lượng và cuối cùng có thể biến mất
- Để kết luận này đúng, cần phải giải thích proton và neutron bên trong ngôi sao biến mất như thế nào, nên nó xung đột với bảo toàn số baryon
- Các tác giả này thừa nhận khả năng vi phạm bảo toàn baryon, nhưng không đưa ra quá trình nào khiến điều đó xảy ra
- Cấu trúc còn lại là: trường hấp dẫn của ngôi sao tạo ra các cặp hạt–phản hạt, cặp đó thoát ra dưới dạng bức xạ, và do bảo toàn năng lượng nên ngôi sao phải mất khối lượng
Điểm xung đột với vật lý hiện có
- Nếu tuyên bố này đúng, nó sẽ đảo ngược các tính toán hiện có trong lý thuyết trường lượng tử trong không-thời gian cong, vốn cho rằng một khối vật chất tĩnh không phát ra bức xạ Hawking
- Đồng thời, nó dẫn đến kết luận rằng để lý thuyết trường lượng tử trong không-thời gian cong nhất quán thì bảo toàn số baryon phải thất bại
- Tuy nhiên, các bài báo này hầu như không tạo được ảnh hưởng trong giới vật lý, và cũng đã có các bài phản biện ngắn
- Comment on “Gravitational pair production and black hole evaporation” của Antonio Ferreiro, José Navarro-Salas, Silvia Pla chỉ ra rằng phép xấp xỉ đó cho kết quả sai ngay cả trong các bài toán đơn giản hơn
- Complex effective actions and gravitational pair creation của E. T. Akhmedov, D. V. Diakonov, C. Schubert cũng xử lý những vấn đề tương tự
Tính ổn định của chân không trong không-thời gian tĩnh
- Bài báo năm 1975 Quantum fields in curved space-times của Abhay Ashtekar và Anne Magnon cho thấy trong không-thời gian tĩnh, có thể định nghĩa tốt trạng thái chân không, và chân không đó ổn định
- Câu then chốt như sau
- “Nếu không-thời gian nền cho phép một Killing field có dạng thời gian ở mọi nơi, trạng thái chân không thực sự ổn định và các hiện tượng như sinh hạt tự phát không xảy ra”
- Việc có một Killing field có dạng thời gian ở mọi nơi nghĩa là không-thời gian có đối xứng tịnh tiến theo thời gian
- Ashtekar và Magnon còn đặt thêm các điều kiện sau
- Không-thời gian là siêubolic toàn cục (globally hyperbolic)
- Phương trình sóng của hạt spin 0 có khối lượng có nghiệm trơn từ dữ liệu ban đầu trơn
- Trong các điều kiện như vậy, có thể định nghĩa năng lượng và chia nghiệm thành nghiệm tần số dương và nghiệm tần số âm
- Nghiệm tần số dương tương ứng với hạt
- Nghiệm tần số âm tương ứng với phản hạt
- Kết quả là có thể xây dựng lý thuyết trường lượng tử với chân không không suy sụp, giống như trong không-thời gian Minkowski
Kết quả tương tự không áp dụng nguyên xi cho lỗ đen
- Schwarzschild solution mô tả lỗ đen tĩnh cũng có Killing field
- Nhưng Killing field này không còn có dạng thời gian tại chân trời sự kiện, nên kết quả của Ashtekar và Magnon không áp dụng cho lỗ đen
- Có thể xem phần giải thích mang tính giáo khoa hơn trong Quantum Field Theory in Curved Spacetime and Black Hole Thermodynamics của Robert Wald
- Đặc biệt, mục 4.3 bàn về lý thuyết trường lượng tử trong stationary spacetimes
- Luận án tiến sĩ Loop Quantization versus Fock Quantization of p-Form Electromagnetism on Static Spacetimes của Valeria Michelle Carrión Álvarez xử lý trường hợp điện từ học
- Ashtekar và Magnon, Wald chủ yếu tập trung vào trường vô hướng có khối lượng để đơn giản hóa
Giới hạn của báo chí khoa học và phản biện bài báo
- Bài báo của Wondrak, van Suijlekom, Falcke được đăng trên một tạp chí vật lý uy tín, nhưng có ý kiến cho rằng có thể nó đã không được chuyên gia trong lĩnh vực này thẩm định
- Ngay cả với một bài báo vật lý đăng trên tạp chí có uy tín, thay vì tin nguyên xi, cần kiểm chứng với người thật sự hiểu chủ đề hoặc chuyên gia đáng tin cậy
- Một số bài báo khoa học đã tin vào thông cáo báo chí mà không có kiểm chứng từ chuyên gia, rồi đặt tiêu đề kiểu “vũ trụ sẽ kết thúc sớm hơn dự kiến rất nhiều”
- Kết quả rằng trường hấp dẫn của vật thể tĩnh không tạo ra cặp hạt–phản hạt đã được xác lập nghiêm ngặt từ nhiều thập kỷ trước, và phép tính xấp xỉ mới này gần với một dạng lập luận đại khái hơn nhiều so với việc soi sáng vấn đề bằng góc nhìn mới
1 bình luận
Các ý kiến trên Hacker News
Tất nhiên người nói câu đó là Gandalf. Trước khi phản bác, tôi muốn chỉ ra rằng Gandalf là một pháp sư không cần bận tâm đến những thứ nhỏ nhặt như tính liên tục của không-thời gian
P.S.: https://quoteinvestigator.com/2014/07/13/truth/
Tóm lại, nhóm cách diễn đạt đối chiếu tốc độ lan truyền của dối trá và sự thật đã tiến hóa hơn 300 năm, và câu Jonathan Swift viết năm 1710 có thể được quy cho ông một cách chính đáng. Tuy nhiên, trong câu đó vẫn chưa có phép ví von về đôi giày
Nếu không có giếng hấp dẫn nào mà vận tốc thoát vượt quá tốc độ ánh sáng, thì tôi không hiểu bức xạ Hawking được cho là xảy ra như thế nào trong kịch bản này
Cả hạt ảo và phản hạt ảo đều sống sót, mà cũng không có hạt nào vượt qua chân trời sự kiện, nên rồi chúng sẽ sớm biến mất thôi
Theo tôi biết thì không có cách nào giải thích điều này vừa chính xác vừa trực quan, phi toán học, nên những người truyền thông khoa học thường nói xấp xỉ theo cách có thể khiến khán giả hiểu sai
Chính Hawking cũng từng nói: “Có thể hình dung rằng ngay bên ngoài chân trời sự kiện có một cặp ảo gồm một hạt mang năng lượng âm và một hạt mang năng lượng dương. Bức tranh này về cơ chế gây ra bức xạ nhiệt và sự giảm diện tích chỉ mang tính heuristic, và không nên hiểu quá theo nghĩa đen”
“Lý thuyết trường lượng tử trong không-thời gian cong chỉ có thể nhất quán khi số baryon không được bảo toàn” — điều này đến tận ngày nay vẫn thật sự gây sốc sao? Tôi đã nghĩ đó là kết luận suy ra một cách logic từ bức xạ Hawking của lỗ đen
Tôi đã bị sốc từ lâu rồi và tưởng giờ mọi người đã chấp nhận. Có thể các tính toán của tác giả bài báo đó sai, nhưng bài blog này ném ra một câu như thể đó là chân lý quá hiển nhiên khiến tôi có cảm giác không hay. Lối viết cảm tính kiểu ai không đồng ý là đồ ngốc không phù hợp với một người làm nghề thuyết phục khoa học
Wikipedia[0] cũng trích lời Daniel Harlow, nhà vật lý hấp dẫn lượng tử ở MIT, rằng “bảo toàn số baryon không nhất quán với vật lý của sự bốc hơi lỗ đen thông qua bức xạ Hawking”
[0] https://en.m.wikipedia.org/wiki/Baryon_number
Hơn nữa đây là John Baez. Ông ấy là người hiểu rõ lĩnh vực của mình
Nói về điểm tranh luận thực sự, lý do gây sốc ở đây là vì họ cho rằng số baryon không được bảo toàn ngay cả khi không có lỗ đen can dự
Trong “Comment on ‘Gravitational Pair Production and Black Hole Evaporation’”, Antonio Ferreiro, José Navarro-Salas, Silvia Pla xử lý phương trình mà bài báo đó dùng và đề xuất một cách tốt hơn so với việc dùng phương trình ấy
Họ giải thích rằng “trong khi kết quả được lấy ở bậc thấp nhất của khai triển nhiễu loạn, cách chuẩn để thu được hiệu ứng Schwinger phi nhiễu loạn bằng xấp xỉ trường yếu là tái tổng hợp tất cả các hạng”
Họ cũng nói rằng phương pháp của bài báo bị phê phán thậm chí không xử lý đúng các trường hợp phát sinh trong bối cảnh điện từ, còn trong trường hợp hấp dẫn thì càng khó hơn. Nội dung giống với điều Baez nói, nhưng bài báo được trích dẫn trình bày bằng giọng điệu và phương pháp chuyên môn hơn nhiều
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.13...
Cho đến nay tất cả đều chưa tìm thấy phân rã, và kết luận là chu kỳ bán rã của proton ít nhất là 2.4E34 năm. https://en.wikipedia.org/wiki/Proton_decay#Experimental_evid...
Tôi cũng đã đọc một bài cũ của Quanta Magazine, mô tả thí nghiệm dùng một bể khổng lồ chứa nước rất tinh khiết và nhiều máy dò. Không cần lỗ đen. https://www.quantamagazine.org/no-proton-decay-means-grand-u... (thảo luận HN https://news.ycombinator.com/item?id=13201065)
Liên quan đến kiểu nói rằng điều đó quá hiển nhiên, không đồng ý thì là đồ ngốc, cũng có những lập luận rõ ràng là sai đến mức đồng ý mới thành đồ ngốc. Người ta cứ lặp lại những điều nhảm nhí Penrose đưa ra, mà để chúng hoạt động thì cần một vô hạn kiểu thời gian không mang tính vật lý
Cách giải thích phổ biến hiện nay, gần như khoa học viễn tưởng, là bạn có thể rơi vào lỗ đen và tại chân trời sự kiện thì “không có gì đặc biệt xảy ra”. Rồi ngay khoảng đoạn tiếp theo lại nói rằng người quan sát bên ngoài sẽ không bao giờ quan sát được nạn nhân rơi vào
Hai người quan sát không thể đi đến các kết luận khác nhau trong vấn đề như vậy. Muốn nói thế thì hoặc phải tin rằng vũ trụ đến một lúc nào đó tách nhánh để hai người quan sát có thể bất nhất với nhau, hoặc phải từ bỏ logic, tính nhất quán, người quan sát, và mọi thứ bạn trân trọng với tư cách nhà vật lý
Nếu người quan sát bên ngoài không quan sát được nạn nhân rơi vào, thì nạn nhân không bao giờ rơi vào. Đó là thực tại khách quan. Sơ đồ Penrose nói khác đi là vì nó bao gồm một khoảng thời gian vô hạn không mang tính vật lý
Ngay cả nếu thời gian vô hạn là “có thể đạt tới” thì về toán học cũng không lành mạnh và về vật lý cũng vô nghĩa, mà dù sao cũng không quan trọng vì có bức xạ Hawking. Tuổi thọ của lỗ đen là hữu hạn
Chỉ có một cách diễn giải nhất quán về logic và lành mạnh về vật lý. Không có gì thực sự có thể rơi vào. Vật thể đi vào sẽ chậm lại theo hệ quy chiếu bên ngoài, còn từ góc nhìn của vật thể đó, càng đến gần lỗ đen thì dòng thời gian của lỗ đen dường như càng nhanh hơn. Vì vậy sự bốc hơi Hawking cũng có vẻ nhanh hơn. Để duy trì nhất quán với người quan sát bên ngoài, sự bốc hơi này phải đủ nhanh để nạn nhân không thể chạm tới bất kỳ bề mặt nào. Thay vào đó, lỗ đen lùi ra xa họ và bốc hơi ngày càng nhanh hơn
Những mô hình như vậy và các mô hình tương tự có thể bảo toàn mọi số lượng tử vì không có firewall, không có biên, cũng không có thứ gì để “khởi tạo lại” trường lượng tử. Mọi thứ đều liên tục và nhất quán, các số lượng tử cũng được bảo toàn. Người quan sát bên ngoài sẽ thấy đúng lỗ đen như hiện nay ta kỳ vọng, và lỗ đen vận hành cũng như bốc hơi với cùng hình dạng đó
Tôi có cảm giác trong vũ trụ vẫn còn điều gì đó mà chúng ta đang bỏ sót, và có lẽ cả các lý thuyết đại thống nhất trong một tỷ năm tới cũng sẽ bỏ sót nó
Thảo luận HN khi đó:
Universe expected to decay in 10⁷⁸ years, much sooner than previously thought (phys.org) https://news.ycombinator.com/item?id=43961226 223 points, 5 days ago, 323 comments
Vài ngày trước tôi đã viết một bình luận khá giống ở đây
https://news.ycombinator.com/item?id=43964524
Đúng vậy, bài báo đó không có lý. Cũng chẳng có gì nhiều để nói thêm. Trên các máy chủ preprint thỉnh thoảng vẫn có những bài kiểu không thể qua bình duyệt. Còn nhớ “chất siêu dẫn” của Hàn Quốc khoảng 2 năm trước không. Truyền thông cần cẩn trọng khi viết về những thứ như vậy
“Nếu tôi là một nhà báo khoa học viết bài về diễn biến supposedly gây chấn động này, tôi đã gửi email cho vài chuyên gia để kiểm tra xem nó có thật không”
Với thái độ như vậy thì tất cả mọi người hẳn đã tin Trái Đất phẳng, hoặc Mặt Trời quay quanh Trái Đất. Vì các chuyên gia thời đó cũng tin sai về cả hai điều này
Điều mà vấn đề này cho thấy không hẳn là các tác giả gốc ngớ ngẩn, mà là tri thức đang bị nhốt trong các silo quá nhiều
Nếu mục tiêu là phát triển tri thức của tất cả mọi người thì đây không phải chuyện tốt. Dù trong giới học thuật đang xảy ra điều gì, việc thất bại ngay cả giữa các lĩnh vực tương đối gần nhau cũng không hay
Tôi không nghĩ họ ngớ ngẩn hay có ác ý, nhưng việc thúc đẩy một kết quả ngoài dự đoán như thế mà không xin tư vấn có thể hơi khinh suất
1: https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_field_theory_in_curved...
Nhưng thế giới phức tạp, và rất dễ mắc lỗi khi bước ra ngoài lĩnh vực cốt lõi của mình. Mục đích của quy trình khoa học là đặt kết quả trước mắt những người có khả năng phát hiện sai lầm. Bài blog được liên kết là một ví dụ. Rồi mọi người cãi nhau hoặc cười nhạo nhau, và thế giới vẫn tiếp tục quay. Hệ thống này đã hoạt động
Điều quy trình này làm chưa tốt là lọc các ý tưởng mới trước khi chúng trở thành tiêu đề tin tức. Điều đó chắc chắn không hay, nhưng hoàn toàn không phải là thất bại của học thuật. Những con mắt cần thiết đã hoạt động đúng
Lẽ ra đã có thể sửa sai. Hai năm sau có lẽ họ đã không còn tiếp tục xoay vòng quanh cùng một miệng cống, nhưng giờ vẫn vậy. Khá điển hình và khá nhàm chán
Khi đó người ta cứ tự mình làm tiếp một việc mà ai đó đã có thể nói từ vài tháng, vài năm trước rằng “ở đây có vấn đề”
Nếu ví với giới khoa học thì giống như miệt mài trau chuốt một nhánh trước khi mở pull request, rồi bị bảo rằng “ở đây có một rò rỉ bộ nhớ khổng lồ, hơn nữa thứ anh muốn thì dùng API khác là đã có rồi”
Tôi không chắc có lời giải ở quy mô con người hay không. Địa hình nghiên cứu quá rộng để có thể kết nối mọi người với mọi người, để mọi người cần giúp đều nhận được đầu vào có giá trị, và để mọi người có thể giúp không bị chôn vùi trong rác nửa chín nửa sống. Ngay cả khi giả định động cơ và khuyến khích nghiên cứu ở cả trên lẫn dưới đều thuần túy cũng vậy. Trong phép ví pull request còn có cả những kẻ kiểu spammer CVE nữa
Ít nhất nếu các trường đại học bỏ thái độ muốn phát thông cáo báo chí về bất cứ thứ gì trông có vẻ sẽ được nhấp vào mà không thẩm định, thì đôi khi có thể giảm bớt việc biến thành trò xem công khai bên ngoài học thuật, nhưng cũng không giải quyết được vấn đề gốc rễ
Nhìn vào cuộc thảo luận gốc về bài viết trên HN[1], ở phía dưới có bình luận của A_D_E_P_T giải thích vì sao bài báo không có lý và chỉ tới một trong những phản bác được nhắc trong bài này. Bình luận đó đã bị độc giả HN downvote. Tôi biết vì vài ngày trước khi tôi upvote nó thì nó đã bị hiển thị màu xám rồi
Vì vậy không phải là silo tri thức, mà là những người bình thường như chúng ta chỉ muốn nói về đột phá mới nhất mà không nhìn quá sâu vào nó. Vì nhìn sâu thì mất vui
[1] https://news.ycombinator.com/item?id=43961226
Có cách nào dễ hiểu để biết vì sao vật thể có khối lượng không phát bức xạ hấp dẫn không? Người ta nói một quan sát viên đang gia tốc sẽ thấy một biển bức xạ nhiệt do hiệu ứng Unruh
Nếu đứng trên một hành tinh thì ta đang gia tốc dưới tác dụng của trọng lực, vậy chẳng phải ta sẽ thấy bức xạ Unruh sao? Điều này có liên quan đến bức xạ Hawking không?
Chi tiết này làm tôi chú ý
“Trong [bài báo năm 1975], Ashtekar và Magnon cũng giả định không-thời gian là hyperbolic toàn cục”
Giả định hiện đại không phải là không-thời gian phẳng toàn cục sao?
Không gian phẳng không phải là một giả định. Thuyết tương đối rộng không chỉ định độ cong không gian toàn cục, nên cũng có khả năng nó có độ cong âm hoặc dương toàn cục. Chỉ là cho đến nay chưa có bằng chứng như vậy
Về bản chất, tôi cho rằng trong hố đen có sự “mất đi một chiều”. Để giải thích điều đó nghĩa là gì thì cần một câu chuyện dài hơn nhiều, nên tôi sẽ không thử làm ở đây
Vì vậy, cấu trúc gồm ba quark được gọi là “baryon” có thể được hình thành tùy theo số chiều không gian. Nếu 3 chiều == 3 quark, thì baryon chỉ xuất hiện trong không gian 3 chiều; khi vật chất chạm tới chân trời sự kiện, các quark có thể bị xé ra và sắp xếp lại, trở thành một thứ đơn giản là không còn tồn tại cái gọi là baryon nữa. Chẳng hạn như trong không gian 2 chiều
Tôi nghiêng về ý tưởng rằng ‘bề mặt’ của chân trời sự kiện là nơi các định luật được bảo toàn, còn điểm kỳ dị, hoặc có lẽ toàn bộ bên trong hố đen, có thể hoàn toàn không tồn tại
Nhiều điểm mà thuyết tương đối “phá vỡ” không-thời gian, tức các vấn đề vô hạn và chia cho 0, có thể được giải quyết nếu xem như một chiều biến mất. Ví dụ, co độ dài là việc nén một chiều đến mức biến mất ở tốc độ ánh sáng, và giãn thời gian cũng là việc một chiều bị loại bỏ tại chân trời sự kiện hoặc ở tốc độ ánh sáng
Nếu bạn thấy điều này giống với nguyên lý toàn ảnh thì đúng vậy. Theo quan điểm của tôi, bản thân các phương trình Lorentz cũng biểu diễn cách chuyển đổi trơn tru không gian N chiều thành không gian (N-1) chiều. Nó diễn ra theo dạng gần giống một đường cong hàm mũ tiến tới tiệm cận đúng tại điểm mà một chiều bị “mất”
Lý do “thời gian” luôn có vẻ là một chiều đặc biệt trong bất kỳ tính chiều nào là vì nó là chiều nằm ‘ngay phía trên’ hoặc ‘ngay phía dưới’ trong thứ bậc các chiều. Vì vậy, trong công thức khoảng cách của không gian Minkowski, ‘thời gian’ phải có dấu trái ngược (+/-) với các chiều khác, và điều này vẫn đúng dù xem dấu của thời gian là dương hay âm, tức bất kể quy ước dấu của metric là gì
Tất nhiên, điều này có nghĩa là toàn bộ vũ trụ 4 chiều của chúng ta là một không gian được nhúng trong một không gian lớn hơn, và về mặt kỹ thuật, từ góc nhìn của chiều cao hơn, nó cũng là một dạng “chân trời sự kiện”