TỪ BỨC ẢNH LỖ ĐEN ĐẦU TIÊN
Một hòn đá, hay một thiên thạch, khi bay ngang qua Mặt Trời với vận tốc đủ lớn thì quỹ đạo của nó bị bẻ cong đi. Vận tốc nhỏ hơn một chút thì nó bị Mặt Trời “bắt” để trở thành hành tinh và nếu vận tốc nhỏ hơn nữa thì hòn đá sẽ rơi vào Mặt Trời. Điều này thật sự dễ dàng giải thích dựa vào lực hấp dẫn mà Newton đã phát hiện từ thế kỷ XVII.
Định luật vạn vật hấp dẫn cùng một số phát kiến khác đã đưa Newton trở thành nhà khoa học kiệt suất nhất mọi thời đại. Sự rực rỡ của định luật vạn vật hấp dẫn còn được khẳng định một cách chắc chắn khi lần đầu tiên phát hiện Hải Vương Tinh (Neptune), hành tinh thứ 8 xa nhất trong hệ Mặt Trời, và xác định chính xác vị trí của nó chỉ bằng các phép tính của Newton dựa trên các nhiễu động quỹ đạo của hành tinh thứ 7, Thiên Vương Tinh (Uranus).
Tuy nhiên, đối với Thủy Tinh (Mercury), hành tinh gần Mặt Trời nhất, thì kết quả tính toán của Newton hoàn toàn sai biệt so với quan sát bằng kính thiên văn. Chẳng hạn, theo phép tính vạn vật hấp dẫn, vị trí Thủy Tinh ở điểm A nhưng khi quan sát qua kính thiên văn thì nó ở điểm B. Hai điểm này có khi cách nhau đến 20 độ trên bầu trời, hoàn toàn không phải do sai số của phép tính. Đây là một thất bại của định luật hấp dẫn, một nỗi đau duy nhất của Newton đến nỗi ông không cho phép bất kỳ ai nhắc đến Thủy Tinh nữa.
Thế nhưng, chuyển động các thiên thể dường như không phải là kết quả của lực hấp dẫn.
Trở lại câu chuyện hòn đá bay ngang qua Mặt Trời. Độ cong quỹ đạo bay không phụ thuộc vào khối lượng của hòn đá. Dù hòn đá lớn (lực hấp dẫn lớn) hay nhỏ (lực hấp dẫn nhỏ) thì độ cong quỹ đạo của chúng y hệt như nhau. Chỉ có khối lượng Mặt Trời M và vận tốc bay của hòn đá V quyết định sự chuyển động.
Tương tự cho các hành tinh quay quanh Mặt Trời. Dù đặt tại Trái Đất là Mộc Tinh, Mặt Trăng hay hòn đá thì chúng vẫn quay quanh Mặt Trời 365 ngày. Con số 365 ngày không phụ thuộc độ lớn lực hấp dẫn mà chỉ do khối lượng Mặt Trời quyết định. Ngay tại mặt đất cũng vậy, dù các vật là lớn hay nhỏ nhưng mọi vật đều rơi y hệt như nhau, chỉ phụ thuộc vào khối lượng Trái Đất. Do đó, mọi hình dạng chuyển động đều được phát sinh bởi khối lượng thiên thể (trường hấp dẫn) chứ không phải có nguyên nhân từ lực hấp dẫn.
Mọi vật bay ngang qua Mặt Trời đều bị bẻ cong quỹ đạo. Độ cong quỹ đạo chỉ khác nhau do vận tốc vật bay. Thế nên, ánh sáng ngang qua Mặt Trời cũng phải bị cong đi. Chỉ khác nhau một điều là độ cong của ánh sáng nhỏ hơn độ cong quỹ đạo hòn đá vì ánh sáng bay nhanh hơn. Điều này đã giải thích được nỗi đau kéo dài ba thế kỷ của Newton vì Thủy Tinh rất gần Mặt Trời nên ánh sáng từ nó đến Trái Đất chịu ảnh hưởng rất nhiều từ Mặt Trời.
Hòn đá “nghĩ” rằng nó bay thẳng ngang qua Mặt Trời, nó không “nghĩ” đang bay cong. Cũng giống như Newton ngày xưa nghĩ rằng ánh sáng từ Thủy Tinh đi thẳng đến Trái Đất. Nếu chúng ta, giả thiết là đứng ngoài Thái Dương Hệ, nhìn xuống thì thấy các quỹ đạo ấy là cong. Mà đường cong cần nhiều thời gian hơn để di chuyển. Chẳng hạn, đồng hồ gắn với hòn đá cần 10 giờ để thực hiện đoạn đường thì đồng hồ của chúng ta (đang đứng ngoài thái dương hệ) phải mất đến 15 giờ!
Tính tương đối thời gian và không gian là như vậy. Einstein đã không dùng đến lực hấp dẫn mà sử dụng trường hấp dẫn (do khối lượng các ngôi sao) tạo nên độ cong không gian và làm chậm thời gian.
Xác chết một ngôi sao rất nặng hoặc tâm thiên hà là các lỗ đen. Lỗ đen là nơi có mật độ khối lượng cực kỳ lớn (chứ không phải khối lượng lớn) và chung quanh nó có “chân trời sự kiện” bao quanh để giam cầm vật chất bên trong. Bất cứ vật nào cũng có thể trở thành lỗ đen nếu thu nhỏ lại kích thước. Trái Đất nếu thu nhỏ bằng con kiến sẽ trở thành lỗ đen, có bán kính chân trời sự kiện 9mm. Mặt Trời là một lỗ đen nếu có kích thước bằng trái banh và chân trời sự kiện có bán kính 3km. Ngay khi Mặt Trời bỗng dưng trở thành lỗ đen như vậy thì các hành tinh vẫn quay quanh lỗ đen Mặt Trời bình thường vì sự quay chỉ phụ thuộc vào khối lượng Mặt Trời và các hành tinh đều bên ngoài chân trời sự kiện.
Khi đã rơi vào bên trong chân trời sự kiện thì không thể thoát ra ngoài, ngay cả ánh sáng (có vận tốc lớn nhất có thể có theo khoa học hiện đại). Vì không có thông tin phát ra bên ngoài nên “bên trong lỗ đen là gì” trở thành đề tài của vô số lý thuyết, tranh luận triết học và khoa học viễn tưởng. Giả sử có một sinh vật nào đó bên trong lỗ đen thì nó vẫn nghĩ rằng không gian của nó là bao la nhưng chúng ta thấy rằng rõ ràng là nó cong, bị giới hạn bởi chân trời sự kiện. Một thanh thước “thẳng” mà nó cầm trên tay, chúng ta sẽ thấy đó là một thanh thước “cong”. Sinh vật đó cần 1 giây để giơ cánh tay lên thì chúng ta cần vài chục triệu năm để quan sát trọn vẹn hành động đó. Chúng ta cảm thấy mọi thứ trong đó trôi đi quá chậm. Tuy nhiên, sinh vật trong đó cảm nhận mọi thứ là bình thường.
Một trong những khó khăn để chụp hình các lỗ đen là phía bên ngoài, chung quanh chân trời sự kiện, rất sáng và rất nóng cở vài tỷ độ vì vật chất lao nhanh vào lỗ đen, va chạm với nhau, phát ra ánh sáng trước khi biến mất vào bên trong chân trời sự kiện. Tầm nhìn các kính thiên văn từ nhiều đài quan sát cần phải vượt qua vành đai sáng này mới có thể tiếp cận lỗ đen. Nghĩa là các kính phải có độ phân giải ánh sáng rất cao mới có thể cảm thụ được vùng tối của chân trời sự kiện.
Dĩ nhiên, tấm hình chụp lỗ đen, được tổng hợp từ 8 trạm quan sát trên thế giới, phải qua chỉnh sửa hình ảnh bởi các nhóm chuyên nghiệp trước khi có được bức ảnh đẹp như vậy để công chúng có thể hiểu được. Phần màu đen ở giữa được nhìn thấy là chân trời sự kiện và lỗ đen còn có thể nhỏ hơn. Lỗ đen này là tâm của một thiên hà cách Trái Đất 55 triệu năm ánh sáng. Khối lượng lỗ đen gấp 6,5 tỷ lần khối lượng Mặt Trời và có kích thước chừng bằng Thái Dương Hệ.
Những quan sát lỗ đen trong vòng 50 năm nay đều thấy từ lỗ đen có những “vòi” túa ra, phun vật chất thoát ra ngoài, nghĩa là lỗ đen bức xạ, hay lỗ đen không còn “đen” lắm. Điều này có thể giải thích là sự vận động bên trong lỗ đen khác với thế giới chúng ta. Trong chân trời sự kiện phải có những hạt bay nhanh hơn vận tốc ánh sáng thì chúng mới có thể thoát ra được phía ngoài nó. Tức là, thuyết tương đối không còn đúng nữa.
Hawking đã giải thích hiện tượng lỗ đen bức xạ bằng thuyết “chân không lượng tử” áp dụng vào lỗ đen. Không thể có chân không tuyệt đối tĩnh tại mà chỉ có chân không lượng tử sống động. Người ta đã quan sát được như thế này. Trong chân không luôn luôn xuất hiện vô số các cặp hạt – phản hạt (để bảo toàn điện tích), tồn tại chừng 1 phần tỷ giây rồi biến mất và cứ thế mãi tạo nên một chân không sống động. Các hạt ấy giống như các con ma, hiện rồi biến mất.
Điều này cũng giống như hai người bạn thực hiện một trò chơi: bạn Không cho bạn Có mượn năng lượng tạo ra các cặp hạt. Sau khi bạn Có chơi xong, liền chuyển các hạt đó trở lại thành năng lượng rồi trả về cho bạn Không. Thế là huề và chân không lượng tử sống động là như thế.
Tuy nhiên, nếu chân không này ở gần lỗ đen, nơi dồi dào năng lượng đóng vai trò như một mạnh thường quân, thì lỗ đen, thay thế bạn Có, trả lại năng lượng lại cho Không. Bạn Có nhờ lỗ đen mà có được cặp hạt ấy mãi mãi. Và thế là vật chất được bức xạ ra từ lỗ đen. Luồng vật chất này có thể vận động để trở thành một vũ trụ mới và ngay bên trong lỗ đen cũng có thể đã là một vũ trụ!
Điều này cũng giống như trong triết học phương đông. Vô Cực – cái không có gì – không bao giờ tĩnh tại mà luôn vận động để tạo ra Thái Cực vậy. Rồi từ đó, vũ trụ được tạo thành.
Ảnh: http://fortune.com/2019/04/10/black-hole-photo-2019-5-things-to-know/
Tuy nhiên, đối với Thủy Tinh (Mercury), hành tinh gần Mặt Trời nhất, thì kết quả tính toán của Newton hoàn toàn sai biệt so với quan sát bằng kính thiên văn. Chẳng hạn, theo phép tính vạn vật hấp dẫn, vị trí Thủy Tinh ở điểm A nhưng khi quan sát qua kính thiên văn thì nó ở điểm B. Hai điểm này có khi cách nhau đến 20 độ trên bầu trời, hoàn toàn không phải do sai số của phép tính. Đây là một thất bại của định luật hấp dẫn, một nỗi đau duy nhất của Newton đến nỗi ông không cho phép bất kỳ ai nhắc đến Thủy Tinh nữa.
Thế nhưng, chuyển động các thiên thể dường như không phải là kết quả của lực hấp dẫn.
Trở lại câu chuyện hòn đá bay ngang qua Mặt Trời. Độ cong quỹ đạo bay không phụ thuộc vào khối lượng của hòn đá. Dù hòn đá lớn (lực hấp dẫn lớn) hay nhỏ (lực hấp dẫn nhỏ) thì độ cong quỹ đạo của chúng y hệt như nhau. Chỉ có khối lượng Mặt Trời M và vận tốc bay của hòn đá V quyết định sự chuyển động.
Tương tự cho các hành tinh quay quanh Mặt Trời. Dù đặt tại Trái Đất là Mộc Tinh, Mặt Trăng hay hòn đá thì chúng vẫn quay quanh Mặt Trời 365 ngày. Con số 365 ngày không phụ thuộc độ lớn lực hấp dẫn mà chỉ do khối lượng Mặt Trời quyết định. Ngay tại mặt đất cũng vậy, dù các vật là lớn hay nhỏ nhưng mọi vật đều rơi y hệt như nhau, chỉ phụ thuộc vào khối lượng Trái Đất. Do đó, mọi hình dạng chuyển động đều được phát sinh bởi khối lượng thiên thể (trường hấp dẫn) chứ không phải có nguyên nhân từ lực hấp dẫn.
Mọi vật bay ngang qua Mặt Trời đều bị bẻ cong quỹ đạo. Độ cong quỹ đạo chỉ khác nhau do vận tốc vật bay. Thế nên, ánh sáng ngang qua Mặt Trời cũng phải bị cong đi. Chỉ khác nhau một điều là độ cong của ánh sáng nhỏ hơn độ cong quỹ đạo hòn đá vì ánh sáng bay nhanh hơn. Điều này đã giải thích được nỗi đau kéo dài ba thế kỷ của Newton vì Thủy Tinh rất gần Mặt Trời nên ánh sáng từ nó đến Trái Đất chịu ảnh hưởng rất nhiều từ Mặt Trời.
Hòn đá “nghĩ” rằng nó bay thẳng ngang qua Mặt Trời, nó không “nghĩ” đang bay cong. Cũng giống như Newton ngày xưa nghĩ rằng ánh sáng từ Thủy Tinh đi thẳng đến Trái Đất. Nếu chúng ta, giả thiết là đứng ngoài Thái Dương Hệ, nhìn xuống thì thấy các quỹ đạo ấy là cong. Mà đường cong cần nhiều thời gian hơn để di chuyển. Chẳng hạn, đồng hồ gắn với hòn đá cần 10 giờ để thực hiện đoạn đường thì đồng hồ của chúng ta (đang đứng ngoài thái dương hệ) phải mất đến 15 giờ!
Tính tương đối thời gian và không gian là như vậy. Einstein đã không dùng đến lực hấp dẫn mà sử dụng trường hấp dẫn (do khối lượng các ngôi sao) tạo nên độ cong không gian và làm chậm thời gian.
Xác chết một ngôi sao rất nặng hoặc tâm thiên hà là các lỗ đen. Lỗ đen là nơi có mật độ khối lượng cực kỳ lớn (chứ không phải khối lượng lớn) và chung quanh nó có “chân trời sự kiện” bao quanh để giam cầm vật chất bên trong. Bất cứ vật nào cũng có thể trở thành lỗ đen nếu thu nhỏ lại kích thước. Trái Đất nếu thu nhỏ bằng con kiến sẽ trở thành lỗ đen, có bán kính chân trời sự kiện 9mm. Mặt Trời là một lỗ đen nếu có kích thước bằng trái banh và chân trời sự kiện có bán kính 3km. Ngay khi Mặt Trời bỗng dưng trở thành lỗ đen như vậy thì các hành tinh vẫn quay quanh lỗ đen Mặt Trời bình thường vì sự quay chỉ phụ thuộc vào khối lượng Mặt Trời và các hành tinh đều bên ngoài chân trời sự kiện.
Khi đã rơi vào bên trong chân trời sự kiện thì không thể thoát ra ngoài, ngay cả ánh sáng (có vận tốc lớn nhất có thể có theo khoa học hiện đại). Vì không có thông tin phát ra bên ngoài nên “bên trong lỗ đen là gì” trở thành đề tài của vô số lý thuyết, tranh luận triết học và khoa học viễn tưởng. Giả sử có một sinh vật nào đó bên trong lỗ đen thì nó vẫn nghĩ rằng không gian của nó là bao la nhưng chúng ta thấy rằng rõ ràng là nó cong, bị giới hạn bởi chân trời sự kiện. Một thanh thước “thẳng” mà nó cầm trên tay, chúng ta sẽ thấy đó là một thanh thước “cong”. Sinh vật đó cần 1 giây để giơ cánh tay lên thì chúng ta cần vài chục triệu năm để quan sát trọn vẹn hành động đó. Chúng ta cảm thấy mọi thứ trong đó trôi đi quá chậm. Tuy nhiên, sinh vật trong đó cảm nhận mọi thứ là bình thường.
Một trong những khó khăn để chụp hình các lỗ đen là phía bên ngoài, chung quanh chân trời sự kiện, rất sáng và rất nóng cở vài tỷ độ vì vật chất lao nhanh vào lỗ đen, va chạm với nhau, phát ra ánh sáng trước khi biến mất vào bên trong chân trời sự kiện. Tầm nhìn các kính thiên văn từ nhiều đài quan sát cần phải vượt qua vành đai sáng này mới có thể tiếp cận lỗ đen. Nghĩa là các kính phải có độ phân giải ánh sáng rất cao mới có thể cảm thụ được vùng tối của chân trời sự kiện.
Dĩ nhiên, tấm hình chụp lỗ đen, được tổng hợp từ 8 trạm quan sát trên thế giới, phải qua chỉnh sửa hình ảnh bởi các nhóm chuyên nghiệp trước khi có được bức ảnh đẹp như vậy để công chúng có thể hiểu được. Phần màu đen ở giữa được nhìn thấy là chân trời sự kiện và lỗ đen còn có thể nhỏ hơn. Lỗ đen này là tâm của một thiên hà cách Trái Đất 55 triệu năm ánh sáng. Khối lượng lỗ đen gấp 6,5 tỷ lần khối lượng Mặt Trời và có kích thước chừng bằng Thái Dương Hệ.
Những quan sát lỗ đen trong vòng 50 năm nay đều thấy từ lỗ đen có những “vòi” túa ra, phun vật chất thoát ra ngoài, nghĩa là lỗ đen bức xạ, hay lỗ đen không còn “đen” lắm. Điều này có thể giải thích là sự vận động bên trong lỗ đen khác với thế giới chúng ta. Trong chân trời sự kiện phải có những hạt bay nhanh hơn vận tốc ánh sáng thì chúng mới có thể thoát ra được phía ngoài nó. Tức là, thuyết tương đối không còn đúng nữa.
Hawking đã giải thích hiện tượng lỗ đen bức xạ bằng thuyết “chân không lượng tử” áp dụng vào lỗ đen. Không thể có chân không tuyệt đối tĩnh tại mà chỉ có chân không lượng tử sống động. Người ta đã quan sát được như thế này. Trong chân không luôn luôn xuất hiện vô số các cặp hạt – phản hạt (để bảo toàn điện tích), tồn tại chừng 1 phần tỷ giây rồi biến mất và cứ thế mãi tạo nên một chân không sống động. Các hạt ấy giống như các con ma, hiện rồi biến mất.
Điều này cũng giống như hai người bạn thực hiện một trò chơi: bạn Không cho bạn Có mượn năng lượng tạo ra các cặp hạt. Sau khi bạn Có chơi xong, liền chuyển các hạt đó trở lại thành năng lượng rồi trả về cho bạn Không. Thế là huề và chân không lượng tử sống động là như thế.
Tuy nhiên, nếu chân không này ở gần lỗ đen, nơi dồi dào năng lượng đóng vai trò như một mạnh thường quân, thì lỗ đen, thay thế bạn Có, trả lại năng lượng lại cho Không. Bạn Có nhờ lỗ đen mà có được cặp hạt ấy mãi mãi. Và thế là vật chất được bức xạ ra từ lỗ đen. Luồng vật chất này có thể vận động để trở thành một vũ trụ mới và ngay bên trong lỗ đen cũng có thể đã là một vũ trụ!
Điều này cũng giống như trong triết học phương đông. Vô Cực – cái không có gì – không bao giờ tĩnh tại mà luôn vận động để tạo ra Thái Cực vậy. Rồi từ đó, vũ trụ được tạo thành.
Ảnh: http://fortune.com/2019/04/10/black-hole-photo-2019-5-things-to-know/
Nhận xét
Đăng nhận xét