Di sản Hawking & Thuyết Thái Cực Vạn Vật

Stephen Hawking (1942–2018) là nhà vật lý lý thuyết quan trọng nhất của thế hệ ông trong lĩnh vực Tương đối Tổng quát gặp cơ học lượng tử. Ông chứng minh một số kết quả đã thay đổi cơ bản cách ta nghĩ về hấp dẫn, hố đen, Big Bang, và bản thân thời gian — và ông công khai để lại cho thế hệ sau một số vấn đề chưa giải quyết. Thuyết Thái Cực Vạn Vật là, theo những cách quan trọng, bước tiếp theo trong chương trình của ông.

1. Các định lý kỳ dị (với Penrose, 1965–70)

Cái Hawking đã chứng minh. Cùng với Roger Penrose, Hawking cho thấy rằng dưới các điều kiện năng lượng hợp lý, Tương đối Tổng quát chắc chắn sản sinh các kỳ dị — Big Bang ở đầu thời gian, và các kỳ dị tại trung tâm của mọi sự sụp đổ hấp dẫn. Toán học của Tương đối Tổng quát buộc các vô cực này tồn tại; ta không thể tránh chúng trong học thuyết của Einstein.

Cái ông để lại chưa giải quyết. Các kỳ dị này LÀ gì? Tại kỳ dị, các định luật vật lý sụp đổ. Hawking nói rõ: "Ta cần một học thuyết mới."

Giải pháp của Thuyết Thái Cực Vạn Vật. Không có kỳ dị. "Kỳ dị" Big Bang chỉ là thời kỳ chia tách dữ dội nhất trong lịch sử của Một Thái Cực — mật độ hữu hạn, độ cong hữu hạn, không sụp đổ. "Kỳ dị" hố đen là các vùng lớp phủ bị vặn cực mạnh, nhưng luôn hữu hạn, vì lớp phủ có một lật nhỏ nhất có ý nghĩa ($h$). Các định lý kỳ dị vẫn đúng về toán trong Tương đối Tổng quát, nhưng cấu trúc lớp phủ rời rạc của Thuyết Thái Cực Vạn Vật làm chúng không liên quan về vật lý: Tương đối Tổng quát là giới hạn vĩ mô của một học thuyết sâu hơn trong đó các vô cực không bao giờ hình thành. Xem Không có Big Bang từ Hư không.

2. Bức xạ Hawking (1974)

Cái Hawking đã chứng minh. Hố đen không hoàn toàn đen. Bằng cách áp dụng lý thuyết trường lượng tử cho không-thời gian cong quanh chân trời hố đen, Hawking cho thấy hố đen phát bức xạ nhiệt ở nhiệt độ:

$$T_H=\frac{\hslash c^3}{8\pi GM{k}_B}$$

Hố đen vì thế bốc hơi qua các khoảng thời gian thiên văn — một hố đen 1 khối lượng mặt trời mất ~$10^{67}$ năm để bốc hơi, nhưng các cái nhỏ hơn đi nhanh hơn, và một hố đen nguyên thuỷ $10^{12}$-kg sẽ bốc hơi hôm nay.

Cái ông để lại chưa giải quyết. Điều gì xảy ra với thông tin? Cơ học lượng tử yêu cầu thông tin về mọi thứ rơi vào hố đen phải được bảo tồn — nhưng nếu hố đen bốc hơi hoàn toàn thành bức xạ nhiệt (mang không có thông tin), thông tin đó bị huỷ. Hawking nổi tiếng đã đặt cược chống lại sự bảo tồn thông tin năm 1997, rồi công khai chấp nhận cuộc cá cược năm 2004 — nhưng không bao giờ sản sinh một cơ chế sạch chỉ ra cách thông tin thoát ra.

Giải pháp của Thuyết Thái Cực Vạn Vật. Thông tin không bị huỷ. Nó bị xoay ra khỏi lát Càn. Cơ chế, trong năm bước:

1. Vật chất rơi vào hố đen và bị xé toạc — các node của nó mất liên kết, rải rác.
2. Các node tự do bị xoay bởi lực kéo đồng pha áp đảo của hố đen vào một hướng pha ngoài Càn — vô hình với ta, nhưng với thông tin được bảo tồn như góc xoay.
3. Các node bị dời chỗ phản ứng ngược lên nội thất hố đen, dần dần làm nó mất đồng pha.
4. Bức xạ Hawking là sự trả lại dần dần các sự lật mất đồng pha qua chân trời — mỗi photon mang một chữ ký pha nhỏ của thông tin ban đầu.
5. Qua toàn bộ quá trình bốc hơi, mọi thông tin ban đầu trở về. Unitarity được bảo tồn. Nghịch lý tan biến.

Bản thân Hawking, cuối đời, phác thảo các ý tưởng theo hướng này ("lông mềm trên hố đen", 2016) — ông cảm nhận giải pháp là hình học. Thuyết Thái Cực Vạn Vật làm cho hình học cụ thể. Xem Nghịch lý Thông tin Hố đen.

3. Đề xuất Không-Biên (với Hartle, 1983)

Cái Hawking đã đề xuất. Cùng với James Hartle, Hawking đề xuất rằng vũ trụ không có biên ban đầu trong không-thời gian — thay vào đó, thời gian "mượt mà tròn lại" thành một hình học Euclidean (thời gian ảo) gần Big Bang. Vũ trụ có thể tự phát xuất hiện từ "hư không" (một trạng thái không có không-thời gian cổ điển) mà không vi phạm vật lý.

Cái ông để lại chưa giải quyết. Đề xuất thanh lịch về toán nhưng khó hiểu về khái niệm — "thời gian ảo" là gì? Ý nghĩa vật lý của "một trạng thái không có không-thời gian cổ điển" là gì? Hầu hết các nhà vật lý coi Đề xuất Không-Biên là gợi ý hơn là chung kết.

Giải pháp của Thuyết Thái Cực Vạn Vật. Vũ trụ không cần xuất hiện từ hư không. Một Thái Cực luôn tồn tại — nó là một đối tượng hình học tự-tồn-tại, tự-chia-tách. "Thời gian ảo" trong Đề xuất Không-Biên tương ứng với hướng xuyên-lát trong Thuyết Thái Cực Vạn Vật: thời gian chạy dọc sợi dây thời gian theo hướng thực; vòng tròn thời-gian-ảo trong Đề xuất Không-Biên là hướng góc vuông góc với nó. Đề xuất Hartle-Hawking không sai — nó đang nhìn thoáng hình học đa-lát của Một bằng ngôn ngữ toán-chính-thức.

4. Mũi tên thời gian (Hawking 1985, rồi 1994)

Cái Hawking đã đề xuất. Hawking ban đầu phỏng đoán rằng nếu vũ trụ bắt đầu co lại, bản thân thời gian sẽ đảo ngược — entropy sẽ giảm, các cốc vỡ sẽ không vỡ nữa. Ông nổi tiếng đổi ý trong Lược sử Thời gian: "Bây giờ tôi nhận ra tôi đã sai." Mũi tên thời gian, ông kết luận, được đặt bởi trạng thái ban đầu entropy thấp của vũ trụ (trạng thái Không-Biên) và tồn tại ngay cả khi vũ trụ sau đó co lại.

Cái ông để lại chưa giải quyết. Vì sao trạng thái ban đầu entropy thấp? "Vì Đề xuất Không-Biên nói thế" không phải câu trả lời thoả đáng với hầu hết các nhà vật lý.

Giải pháp của Thuyết Thái Cực Vạn Vật. Mũi tên thời gian là hướng chia tách: từ ít node (entropy thấp) đến nhiều node (entropy cao). Vũ trụ sơ khai entropy thấp không phải vì một điều kiện ban đầu đặc biệt, mà vì chia tách chưa xảy ra nhiều lần. Mũi tên là cấu trúc — đó là hướng mà số đếm các cấu hình pha riêng biệt tăng. Trực giác của Hawking đúng; Thuyết Thái Cực Vạn Vật cung cấp cơ chế.

5. Bài báo cuối của Hawking (2018, sau khi mất): đa vũ trụ

Cái Hawking đã đề xuất. Trong bài báo cuối của ông với Thomas Hertog, Hawking lập luận rằng đa vũ trụ được tiên đoán bởi các mô hình lạm phát vĩnh cửu là hữu hạn, không vô hạn — và rằng các vũ trụ thay thế có thể truy cập về nguyên tắc qua một biên holographic. Ông qua đời mười ngày sau khi nộp nó.

Sự tiếp tục của Thuyết Thái Cực Vạn Vật. Động thái cuối của Hawking gần như chính xác là động thái của Thuyết Thái Cực Vạn Vật: thay một đa vũ trụ vô hạn bằng một tập hữu hạn, có cấu trúc các lát thực tại thay thế có thể truy cập. Ông chọn biên holographic làm tay cầm hình học; Thuyết Thái Cực Vạn Vật chọn tám lát Bát Quái trên sợi dây thời gian. Bộ máy toán học khác nhau, nhưng kết luận triết học hội tụ: thực tại là đa-lát, hữu hạn, và có thể truy cập tại biên của lát ta. Hawking qua đời di chuyển về phía cái Thuyết Thái Cực Vạn Vật làm hiển nhiên.

Cái Hawking đã cho ta, và cái Thuyết Thái Cực Vạn Vật thêm vào

Hố đen không đen như chúng được vẽ. Chúng không phải những nhà tù vĩnh cửu mà người ta từng nghĩ.