Stephen Hawking là một trong những nhà vật lý lý thuyết vĩ đại nhất của thời hiện đại. Stephen Hawking được biết đến nhiều nhất với sự xuất hiện trên các phương tiện truyền thông đại chúng và cuộc chiến suốt đời chống lại căn bệnh hiếm gặp ASL (hội chứng xơ cứng cột bên teo cơ), nhưng đóng góp vĩ đại thực sự của Stephen Hawking đối với hậu thế lại là sự nghiệp khoa học rực rỡ kéo dài 5 thập kỷ của ông.
Bắt đầu với luận án tiến sĩ năm 1966, công việc đột phá của ông tiếp tục không ngừng nghỉ cho đến bài báo cuối cùng vào năm 2018, hoàn thành chỉ vài ngày trước khi ông qua đời ở tuổi 76.
Stephen Hawking nghiên cứu vật lý, nhưng các học thuyết của ông bị xem là kỳ quặc vào thời điểm ông xây dựng chúng. Tuy nhiên, ngày càng có nhiều bằng chứng mới cho thấy những học thuyết này là đúng và chúng đang dần được chấp nhận vào dòng chính khoa học, từ những học thuyết ấn tượng về hố đen đến giải thích về sự khởi đầu của vũ trụ...
Vụ nổ Lớn (Big Bang) thắng
Stephen Hawking đã có một khởi đầu thuận lợi với luận án tiến sĩ của mình, được viết vào thời điểm quan trọng khi có cuộc tranh luận sôi nổi giữa hai lý thuyết vũ trụ: Vụ nổ Lớn và Trạng thái dừng.
Cả hai lý thuyết đều chấp nhận rằng vũ trụ đang giãn nở, nhưng lý thuyết Vụ nổ Lớn cho rằng vũ trụ giãn nở từ trạng thái vô cùng đặc và vô cùng nóng tại một thời điểm hữu hạn trong quá khứ, trong khi lý thuyết Trạng thái dừng cho rằng vũ trụ giãn nở mãi mãi, vật chất mới liên tục được tạo ra để duy trì mật độ không đổi.
Trong luận án của mình, Stephen Hawking đã chỉ ra rằng, lý thuyết Trạng thái dừng tự mâu thuẫn về mặt toán học. Thay vào đó, ông lập luận, vũ trụ bắt đầu từ một điểm nhỏ, đặc, được gọi là điểm dị thường. Ngày nay, mô tả của Hawking gần như được các nhà khoa học chấp nhận rộng rãi.
Hố đen là có thật
Tên của Stephen Hawking gắn liền với hố đen - một dạng điểm dị thường khác, được hình thành khi một ngôi sao bị sụp đổ hoàn toàn dưới lực hấp dẫn của chính nó. Những tò mò toán học này nảy sinh từ thuyết tương đối rộng của Einstein, và đã được tranh luận trong nhiều thập kỷ khi Hawking chuyển sự chú ý sang chúng vào đầu những năm 1970.
Theo một bài báo trên tạp chí Nature, điểm đột phá thiên tài của Hawking là kết hợp các phương trình của Einstein với các phương trình của cơ học lượng tử, biến những gì trước đây là lý thuyết trừu tượng thành một điều trông giống như nó có thể thực sự tồn tại trong vũ trụ.
Năm 2019, bằng chứng cuối cùng xuất hiện cho thấy Hawking đã đúng khi Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện thu được hình ảnh trực tiếp của hố đen siêu lớn ẩn nấp ở trung tâm của thiên hà khổng lồ Messier 87.
Bức xạ Hawking
Các hố đen có tên như vậy vì lực hấp dẫn của chúng rất mạnh đến mức các photon, hoặc các hạt ánh sáng, không thể thoát ra khỏi chúng. Nhưng trong phát hiện đầu tiên của mình về chủ đề này, Hawking cho rằng, các hố đen phát ra bức xạ cho đến khi chúng cạn kiệt năng lượng và bay hơi.
Bằng cách áp dụng lý thuyết lượng tử - cụ thể là ý tưởng cho rằng các cặp "photon ảo" có thể được tạo ra một cách tự phát từ hư không - Hawking nhận ra rằng, một số photon này dường như bị bức xạ từ hố đen. Dự đoán của Hawking ban đầu đã tạo ra một cuộc tranh cãi nhưng nghiên cứu sâu hơn đã được coi là bước đột phá quan trọng trong lý thuyết vật lý.
Theo Space.com, lý thuyết này gần đây đã được xác nhận trong một thí nghiệm tại Viện Công nghệ Israel. Để thay thế một hố đen thực sự, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một thiết bị tương tự âm thanh - một "hố đen âm thanh" mà từ đó các sóng âm thanh không thể thoát ra ngoài. Họ đã phát hiện ra bức xạ tương đương bức xạ Hawking đúng với dự đoán của nhà vật lý.
Định lý diện tích hố đen
Năm 1971, Hawking đưa ra định lý diện tích hố đen hay còn gọi là định lý diện tích Hawking. Định lý này dự đoán rằng chân trời sự kiện (ranh giới mà từ đó không vật thể nào có thể thoát ra) của một hố đen sẽ không bao giờ co lại.
Theo định lý, diện tích bề mặt của hố đen không thể giảm theo thời gian. Quy tắc này khiến các nhà vật lý quan tâm vì nó có liên quan mật thiết đến một quy tắc khác dường như ấn định thời gian chạy theo một hướng cụ thể: Định luật thứ hai của nhiệt động lực học, nói rằng entropi, hay sự rối loạn, của một hệ kín phải luôn tăng. Vì entropy của hố đen tỷ lệ với diện tích bề mặt của nó, nên cả hai luôn phải tăng.
Phát hiện gần đây về sóng hấp dẫn phát ra từ các cặp hố đen hợp nhất cho thấy Hawking đã đúng một lần nữa. Một nghiên cứu mới của các nhà vật lý tại Viện Công nghệ Massachusetts đã sử dụng sóng hấp dẫn để thu được bằng chứng rằng tổng diện tích của chân trời sự kiện hố đen sẽ không bao giờ giảm.
Thế giới đang dần bắt kịp những dự đoán đáng kinh ngạc của Stephen Hawking. Nhưng vẫn còn khá nhiều học thuyết của ông chưa được chứng minh bằng cách này hay cách khác, như các hố đen nguyên thuỷ, nghịch lý thông tin, đa vũ trụ, những lời tiên tri về ngày tận thế...
