Không Gian Cong và Giếng Hấp Dẫn

Mô tả của Michell và Laplace về sao tối và các thiên thể vô hình lúc đó hoàn toàn thuộc về lý thuyết. Họ không có một chứng cứ nào về những thiên thể kỳ lạ này, và một lượng lớn các nhà khoa học nghĩ rằng thiên thể như vậy không thể tồn tại. Vì vậy, không ai ngạc nhiên khi những tiên đoán về hố đen này chỉ là sự tò mò về toán học. Và hơn một thể kỷ sau đó vài nhà khoa học mới bắt đầu suy nghĩ về chúng.

Tuy nhiên, đầu thế kỷ hai mươi, sự quan tâm không được báo trước về khái niệm về hố đen lại được thắp lên khi một nhà khoa học thiên tài trẻ tuổi người Đức tên Albert Einstein đã đề xuất lý thuyết mới về trọng lực. Một phần của thuyết tương đối rộng của ông, xuất bản năm 1916-1916, đã không chống lại thuyết và phương trình Newton về lực hấp dẫn của vũ trụ. Đúng hơn, phiên bản của Eistein chỉ đơn giản giái thích cách lực hấp dẫn hoạt động khác với của Newton.
 
Einstein:
Vượt thời đại về Không Gian và Thời Gian

Không có nhà khoa học nào khác đóng góp cho con người hiểu biết về tính chất ánh sáng, không gian cong, và sự tồn tại của hố đen hơn nhà vật lý học Albert Einstein. Ông sinh ra ở Ulm, Đức, năm 1879. Không lâu sau đó cha của ông, sản xuất đồ điện, chuyển gia đình tới Munich, và sau đó là Milan, Ý. Khi còn trẻ, Albert học ở Switzerland và vào năm 1900 tốt nghiệp ở Viện Bách Khoa Zurich.

Năm 1905 ông đăng ba bài báo khoa học gây chấn động, một về tính chất ánh sáng, một về kích thước cơ học của hạt nhân nguyên tử, và một đề xuất các nguyên tắc cơ bản mà sau này trở thành thuyết tương đối đặc biệt của ông. Có lẽ phần nổi tiếng nhất của thuyết tương đối đặc biệt này là khối lượng và năng lượng tỷ lệ với nhau. Năm 1915 Einstein xuất bản phiên bẳn thuyết tương đối vượt thời đại của mình, trong đó, ông chỉ ra rằng hấp dẫn là một chức năng của không-thời gian bốn chiều. Trong số các phương trình của thuyết tương đối rộng có một số tiên đoán về sự tồn tại của hố đen.

Einstein nhận giải Nobel vật lý năm 1921 và mất năm 1955. Trong suốt thể kỷ hai mươi, một thí nghiệm khoa học và phát hiện sau đó đã chứng thực sự tiên đoán của ông là chính xác tới mức kinh ngạc, bao gồm sự phát hiện ra hố đen. Ngày nay ông được phong là một trong những nhà khoa học lỗi lạc của mọi thời đại.
Ví dụ, theo Newton hấp dẫn là lực được phát ra từ một vật thể và bằng một cách nào đó xuất phát từ tâm của chúng. Đối với Einstein, lực hấp dẫn không phải là một lực thật sự mà lại thuộc về khái niệm không gian, một ý tưởng cách mạng vì nó cho rằng không gian có một cấu trúc vô hình. Trước Eistein, hầu hết các nhà khoa học và vật lý họ đều chấp nhận không gian là trống rỗng và không có tính chất gì để tác động lên các vật thể đi trong nó. Ngược lại, Eistein đã cho rằng không gian có một “kết cấu” vô hình với tính co giãn, hay bẻ cong được.

Thêm nữa, Einstien tuyên bố, khối lượng các vật thể di chuyển trong không gian tương tác với cấu trúc vô hình của nó bằng cách chìm trong đó và tạo ra chỗ lõm xuống. Các nhà khoa học gọi phần lõm hình giếng kia bằng cái tên “Giếng hấp dẫn.” Theo cách nhìn này, độ sâu của một giếng thế năng phụ thuộc vào khối lượng của vật thể; rõ ràng, vật thể có khối lượng càng lớn nó sẽ chìm lún sâu hơn và tạo ra giếng sâu hơn. Bằng cách này, Eistein nói, một vật có khối lượng rất lơn, như các hành tinh và sao, sẽ bẻ cong cấu trúc co giãn của không gian, và độ cong này con người gọi là hấp dẫn. Arny đơn giản hóa suy luận này:

Tưởng tượng một tấm nệm nước mà bạn đặt một quả bóng chày lên. Quả bóng sẽ tạo ra một vết lõm nhỏ trên bề mặt phẳng của tấm nệm. Nếu một hòn bi được đặt gần quả bỏng chày, nó sẽ lăn theo đường cong để vào vết lõm. Độ cong của vùng không gian quanh quả bóng chày đã tạo ra “hấp dẫn” giữa quả bóng và hòn bi. Bây giờ ta thay quả bóng chày bằng một quả bowling. Nó sẽ tạo ra một phần lõ lớn hon và hòn bi sẽ lăn lâu hơn và nhanh hơn khi nó tông vào giữa. Chúng ta suy ra được lực hấp dẫn của các thiên thể phụ tuộc vào độ cong của không gian. Hấp dẫn cũng hoạt động tương tự, theo thuyết tương đối rộng. Theo thuyết này, khối lượng tạo ra một không gian cong, và hoạt động của hấp dẫn là các vật thể chạy theo đường cong đó.
 
Ý tưởng của nhà vật lý học Albert Eistein về vật chất, năng lượng và thời gian đã tạo ra một cuộc cách mạng.
 
Bây giờ thay suy luận này bằng các thiên thể quen thuộc trong không gian. Dựa vào sự khác nhau về kích thước của các hành tinh khi chúng tiến lại gần nhau. Hành tinh nhỏ hơn đi vào đường cong của giếng hấp dẫn của hành tinh lớn hơn và lăn “xuống dốc” hướng về phía thiên thể lớn hơn. (Điều này tạo ra tác động y hệt như hành tinh lớn hơn “kéo” hành tinh nhỏ hơn trong thuyết của Newton, vì vậy phương trình của Newton vẫn được chấp nhận và kết quả của chúng cho hầu hết các thiên thể vẫn đúng.) Trong thuyết về lực hấp dẫn của Einstein, nếu hành tinh nhỏ hơn di chuyển đủ nhanh, nó sẽ lăn ra khỏi giếng hấp dẫn của hành tinh lớn và tiếp tục con đường của mình. Nếu nó không di chuyển bằng vận tốc thoát, thì nó sẽ bị bẫy trong giếng, trong trường hợp này nó sẽ di chuyển quanh hành tinh lớn hoặc đâm sầm vào nó.

Có Khả Năng Tồn Tại Những Vật Thể Siêu Nặng Không?

Lý thuyết mới về không gian cong tạo ra một sự khuấy động mạnh trong giới khoa học. Nhiều nhà vật lý học, thiên văn học, và các nhà khoa học khác cảm thấy ý tưởng của Einstein hoàn toàn là điều họ cần để thử nghiệm và chứng minh lý thuyết. Nếu không gian thật sự cong và các vật thể nặng tạo ra giếng hấp dẫn, họ kết luận, một cái giếng trọng lực rất sâu có thể làm cong tia sáng. Nói cách khác, dù ánh sáng có đủ nhanh để thoát ra khỏi giếng, cái giếng cũng phải bẻ cong được ánh sáng đủ nhiều để các nhà khoa học có thể tính toán được.

Tấm hình được chụp bởi kính thiên văn không gian Hubble cho thấy một hấp dẫn của một cụm thiên hà ở xa đã bóp méo và bẻ cong ánh sáng những do những thiên thể này phát ra.

Điều họ cần để kiểm tra là một vật thể rất nặng, ít nhất là theo chuẩn của con người. Và vì là vật thể lớn nhất trong Hệ Mặt Trời, Mặt Trời là sự lựa chọn hợp lý. Cuộc thí nghiệm lịch sử đã diễn ra vào 29 Tháng Năm, 1919, trong hiện tượng nhật thực xảy ra ở bờ biển phía tây Trung Phi. “Các ngôi sao sáng hiện ra trên bầu trời ban ngày khi Mặt Trời đang bị che khuất,” Asimov giải thích, “và ánh sáng của chúng đang trên đường đến Trái Đất sẽ đi lướt qua Mặt Trời.”12 Sau khi tính toán dự liệu của lần nhật thực đó, các nhà khoa học đã phát hiện ra ánh sáng từ các ngôi sao xa đã bị bẻ cong khi đi qua Mặt Trời. Thực tế, ánh sáng đã bị bẻ cong một lượng gần chính xác như Einstein đã tiên đoán.

Thuyết về không gian cong của Eistein đã được chứng thực. (Vài thí nghiệm khác chứng minh tính đúng đắn của thuyết tương đối rộng của ông được thực hiện kể từ thời điểm này.) Thuyết tương cũng buộc các nhà khoa học thay thế câu hỏi được đặt ra từ rất lâu bởi Michell và Laplace về các vật thể có hấp dẫn cực lớn. Thí nghiệm trong lần nhật thực đó đã chứng minh lực hấp dẫn của Mặt Trời đã bẻ cong ánh sáng một lượng nhỏ. Vì vậy, các vật thể nặng hơn sẽ bẻ cong ánh sáng nhiều hơn. Và điều này dẫn đến thuyết có khả năng tồn tại những vật siêu nặng, siêu đặc. Nếu vậy, một vạt như vậy sẽ tạo ra một giếng hấp dẫn cực sâu, có thể sâu tới nỗi ánh sáng không thoát ra được. Năm 1939 nhà vật lý J. Robert Oppenheimer và sinh viên của mình George M. Volkoff công bố một bài báo tiên đoàn về sự tồn tại của những ngôi sao siêu đặc có thể có nhưng giếng hấp dẫn siêu sâu, và thậm chí không đáy.

Tuy nhiên vẫn không có bằng chứng quan sát trực tiếp nào về những thiên thể kỳ dị như vậy. Vì vậy trong nhiều năm sau đó, khái niệm về các ngôi sao tối và các tác động kỳ lạ của chúng lên không gia và ánh sáng vẫn nằm trong lĩnh vực khoa học viễn tưởng và điện ảnh. Lần cố gắng đầu tiên về ý tưởng này trên điện ảnh là một chương của seri phim truyền hình Star Trek nguyên gốc lần đầu tiên được công chiếu Năm 1967. Thuyền trưởng Kirk của Star Trek và phi hành đoàn của mình bắt gặp một thiên thể kỳ lạ như là một “sao tối,” đã trở thành một lời tiên đoán. Vào thời điểm đó, sự quan tâm tới những thiên thể như vậy được làm sống lại giữa một nhóm các nhà vật lý học, và chỉ vài tháng sau chương Star Trek được chiếu, nhà vật lý học trường Đại học Princeton John A. Wheerler đã đặt ra thuật ngữ “lỗ đen.” Cái tên được mô tả một cách hoàn hảo và rất quyến rũ, và nó lập tức trở nên nổi tiếng. Sau đó, khái niệm về lỗ đen đã bắt được sự chú ý ngày càng gia tăng của giới vật lý học, thiên văn học, và các nhà khoa học khác, kể cả những người hâm mộ khoa học viễn tưởng. Như Wheerler sau đó cũng nhận xét:

Sự xuất hiện của thuật ngữ lỗ đen năm 1967 bình thường về mặt thuật ngữ nhưng lại có sức mạnh tâm lý. Sau khi cái tên được giới thiệu, càng ngày càng có nhiều nhà thiên văn học và nhà vật lý học thiên thể đánh giá lỗ đen không chỉ là điều tưởng tượng của đầu óc mà là một thiên thể thiên văn đáng giá để bỏ thời gian và tiền của để tìm kiếm nó.13

Thực tế, thời gian và tiền bạc của các nhà khoa học trở thành chìa khóa quan trọng để mở bí ẩn của lỗ đen. Lời dự báo bằng lý thuyết của các nhà khoa học trong các hội thảo trong gần hai thế kỷ chỉ mới là bước khoải đầu. Bước cần thiết kế tiếp, hay mục tiêu, là: càng có nhiều nghiên cứu nghiêm túc và tập trung về khái niệm của nó, bao gồm cả việc hiểu rõ hơn những thiên thể kỳ lạ này từ đâu ra; và một cố gắng nghiêm túc để tìm ra chúng. Từ sau những năm cuối 1960, những mục tiêu này được lấp đầy bởi một sởi các nghiên cứu và phát hiện thú vị đã tạo ra những biến đổi và cải thiện quan trọng cho hiểu biết của loài người về vũ trụ.
 
 11. Arny, Explorations, p. 404.
12. Asimov, Collapsing Universe, p. 94.
13. John A. Wheeler, A Journey into Gravity and Spacetime. New York:
W.H. Freeman, 1990, p. 3.

Hết chương 1
Trịnh Khắc Duy - PAC