Cuộc du hành vào lỗ đen (Phần 2) - Kip S. Thorne

 CUỘC DU HÀNH VÀO LỖ ĐEN (Tiếp theo phần 1)

Mặc dù biết là có thể sử dụng những công thức và định lý của hình học cao cấp, nhưng bạn hãy nhớ lại những gì mình đã học được trên Trái Đất rằng: tuy khối lượng và mômen quán tính của một lỗ đen xác định tất cả những thuộc tính của đường chân trời cũng như của không gian xung quanh, nhưng chúng không thể cho biết những thông tin rõ ràng về thế giới bên trong của vật thể kỳ bí này. Thuyết tương đối tổng quát nhấn mạnh rằng, bên trong lỗ đen, gần với kỳ dị, không gian không đồng nhất như hình cầu mà bị xáo trộn một cách mãnh liệt, hoàn toàn giống với đầu mút của màng cao su trong hình 1 nếu hòn đá nặng trịch đó sần sùi đầy răng cưa và nhẩy lên nhảy xuống điên cuồng. Hơn nữa, bản chất hỗn độn bên trong lõi của lỗ đen sẽ không chỉ phụ thuộc khối lượng và mômen động lượng của nó mà còn phụ thuộc vào những chi tiết về vụ co sập của sao mẹ đã sinh ra lỗ đen, cũng như phụ thuộc vào những đặc tính của khí được tạo ra sau này xung quanh nó, những điều mà bạn còn chưa nắm rõ.

"Được rồi," bạn tự nhủ. “Bất kể nó cấu tạo như thế nào, thì cái lõi hỗn độn của nó cũng phải có một chu vi nhỏ hơn rất nhiều so với 1 centimét. Như vậy, minh hầu như sẽ gặp những sai số rất nhỏ nếu mình bỏ qua nó khi tính bán kính của đường chân trời.”

Nhưng một lần nữa, bạn nên nhớ rằng không gian bị xoắn đến cực độ ở gần kỳ dị làm cho vùng hỗn độn có bán kinh lên tới hàng triệu kilômét dù nó chỉ có chu vi bé bằng một phần nhỏ của đơn vị centimét, y như khi hòn đá trong hình 1, đủ nặng, có thể kéo đầu mút biến dạng của màng cao su xuống dưới thật sâu trong khi vẫn để chu vi của miền méo mó hỗn độn này nhỏ một cách đáng kể (nhưng bán kính vẫn rất lớn – H. 1). Những sai số bạn mắc phải trong việc tính bán kinh khi đó sẽ trở nên vô cùng kinh khủng. Như vậy bán kinh của đường chân trời không thể tính một cách đơn giản từ những thông tin nghèo nàn mà bạn đang sở hữu khối lượng lỗ đen và mômen quán tính của nó.

Hình 1. Một hòn đá nặng nằm trên một màng cao su (ví dụ như đó là một tấm vải cao su mà các nghệ sỹ biểu diễn xiếc thường nhào lộn) làm biến dạng nó như hình vẽ. Dạng hình học méo mó của màng cao su hoàn toàn tương tự với sự  hỗn độn của không gian hình học xung quanh và bên trong một lỗ đen. Ví dụ, chu vi của vành tròn đen dày trong hình vẽ nhỏ hơn nhiều so với 2 lần bán kính của nó, cũng như chu vi của đường chân trời lỗ đen nhỏ hơn nhiều so với 2π lần bán kính của nó.

Tạm bỏ qua những băn khoăn, suy tưởng đang trăn trở về không gian bên trong lỗ đen, bạn chuẩn bị cuộc hành trình khám phá vùng lân cận của đường chân trời bí ẩn. Không muốn liều lĩnh đánh cược bằng sự sống của con người, bạn ra lệnh cho một tên lửa thám hiểm, một rô bốt cao 10 centimét mang tên Arnold thực hiện nhiệm vụ đầy nguy hiểm này thay cho mình và truyền những kết quả về tàu vũ trụ. Arnold mang theo những chỉ dẫn vô cùng đơn giản: Anh ta phải khởi động những máy móc của mình để bắt kịp chuyển động quỹ đạo cùng con tàu, sau đó tắt hết các động cơ, và mặc cho sức hút hấp dẫn mãnh liệt của lỗ đen kéo mình vào bên trong. Trong khi "rơi tự do” như vậy, Arnold phải phát ra các chùm laser màu xanh cực nhạy trở về tàu, trên các dao động điện từ của chùm laser đó, anh ta phải mã hoá và kèm theo các thông tin về quãng đường đi, trạng thái hoạt động của hệ thống điện tử của mình, y hệt như một đài phát thanh truyền những bản tin hàng ngày trong sóng radio được truyền đến mọi nhà.

Continue Reading

Cuộc du hành vào lỗ đen (Phần 1) - Kip S. Thorne

Nội dung dưới đây là một vài trích đoạn trong cuốn “Lỗ đen và sự uốn cong của thời gian" - một cuốn sách phổ biến khoa học nổi tiếng của một trong số các nhà vật lý lý thuyết nổi tiếng nhất thế giới hiện nay, giáo sư Kip Thorne, người đã từng đánh cược với Stephen Hawking và đã thắng.

Trong tất cả những khái niệm của kho tàng tư duy nhân loại, từ những con nhân sư huyền bí đến bom khinh khí huỷ diệt, có lẽ thứ kỳ lạ và bí ẩn nhất chính là lỗ đen: một cái lỗ với những biên giới xác định mà mọi thứ đều có thể rơi vào và không thứ gì có thể thoát ra được một cái lỗ có lực hấp dẫn mạnh đến nỗi thậm chí ánh sáng cũng bị nó bắt và giam giữ trong nhà tù nhỏ bé của nó, một cái lỗ có khả năng làm cong không gian và xoắn thời gian. Cũng như con nhân sư hay các loại quái vật khác, lỗ đen dường như thích hợp với vị trí nằm trong vương quốc của các câu chuyện khoa học viễn tưởng hay những điều kỳ bí thời cổ đại hơn là trong Vũ trụ thực tế của chúng ta, Tuy nhiên, những định luật vật lý đã được kiểm chứng, đã tiên đoán một cách chắc chắn rằng Lỗ đen tồn tại. Trong thiên hà của chúng ta, có thể có đến hàng triệu lỗ đen, nhưng bóng tối của chúng đã che dấu sự tồn tại đó trước mắt con người. Các nhà thiên văn học đã phải rất nỗ lực và cố gắng để tìm ra thực thể kỳ lạ này.

Lỗ đen Hades
Hãy tưởng tượng bạn là chủ sở hữu đồng thời là người điều hành một tàu không gian lớn, Với nhiều máy vi tính hiện đại, robot và hàng trăm phi hành gia dưới quyền. Bạn được Hội Địa lý thế giới giao nhiệm vụ khám phá những lỗ đen nằm trong không gian giữa các vì sao và chuyển về Trái Đất những kết quả và những mô tả thi nghiệm của bạn. Sau sáu năm lang thang trong vũ trụ, con tàu của bạn đang từ từ tiến vào vùng lân cận của lỗ đen gần Trái Đất nhất, có tên “Hades" nằm cạnh sao Vega.

Trên màn hình video của con tàu, bạn và các cộng sự đắc lực nhận ra những dấu hiệu cho thấy sự tồn tại của lỗ đen này: Các phân từ khí phân bố một cách rời rạc trong không gian giữa các vì sao, khoảng một phân tử trong một centimet khối, bị hút bởi trường hấp dẫn của lỗ đen (hình 1). Chúng bay về phía lỗ đen từ mọi hướng khác nhau, vô cùng chậm khi ở xa lỗ đen - lúc đó lực hấp dẫn rất nhỏ – và tăng tốc khi lại gần lỗ vì lực hút đã tăng lên mạnh mẽ, thậm chi vận tốc của chúng nhanh gần bằng vận tốc ánh sáng. Nếu bạn không hành động kịp thời, cả con tàu có nguy cơ sẽ bị cuốn theo cùng với những phân tử xấu số.

Nhanh chóng và cẩn thận, trợ lý thân cận nhất của bạn, Kares, điều khiển con tàu thoát khỏi tình trạng nguy cấp và đưa nó vào quỹ đạo chuyển động tròn, sau đó tắt các động cơ. Khi bạn bay theo đường biên của lỗ đen, lực quán tính ly tâm của chuyển động tròn này sẽ giúp con tàu của bạn chống lại lực hấp dẫn của lỗ đen. Con tàu giống như một khẩu súng cao su đồ chơi hồi ban còn bé, buộc trên một đầu sơi dây đang quay tít, bị đẩy ra do lực ly tâm và được giữ lại bởi sức căng của sợi dây, tương tự như lực hấp dẫn của lỗ đen. Trong lúc con tàu đang chuyến động theo quán tính thì bạn và các phi hành gia tiến hành khám phá lỗ đen bí ẩn.

Hình 1

Trước tiên, bạn tiến hành nghiên cứu một cách bị đông: sử dung các kính thiên văn để tìm hiểu sóng điện từ mà các phân tử khí phát xạ khi chúng bay vào lỗ đen. Cách xa lỗ đen, các phân tử này ở trạng thái lạnh, chỉ vài độ Kelvin. Khi đó, chúng dao động rất chậm tạo ra các sóng điện từ với bước sóng dài. Đó chính là sóng vô tuyến (hình 2). Vào gần lỗ đen, nơi lực hấp dẫn kéo các phân tử ngày càng mạnh, chúng va chạm với các phân tử khác và nóng lên tới hàng nghìn đô. Nhiệt lượng toả ra khiến chúng dao dộng ngày càng mạnh và phát ra các sóng điện từ có bước sóng ngăn và bạn nhận ra quang phổ đầy màu sắc: đỏ, da cam, vàng, lục, lam, tím (hình 2). Gần lỗ đen hơn nữa, lúc này trường hấp dẫn đã mạnh hơn rất nhiều và các dòng cuốn vào lỗ đen ngày càng nhanh, va chạm nung nóng các phân tử khí lên đến hàng triệu độ, chúng dao động nhanh đến chóng mặt, phát ra những sóng điện từ có bước sóng cực ngắn: tia X. Khi nhìn thấy các tia X tràn ra xung quanh lỗ đen, gợi cho bạn nhớ tới phát hiện về lỗ đen đầu tiên của các nhà vật lý thiên văn vào năm 1972: Cygnus X-1, cách Trái đất 6,000 năm ánh sáng, trong quá trình họ tìm hiểu về tia X

Hình 2: Phổ sóng điện từ, đi từ sóng vô tuyến có bước sóng rất dài (tần số cực thấp) đến các tia gamma với bước sóng cực ngắn (tần số cao).

Điều chỉnh kính thiên văn ngắm gần vào lỗ đen, bạn thấy những tia gamma từ các nguyên tử bị nung nóng đến nhiệt độ cao. Tiếp đến, hiện ra mờ mờ ngay giữa trung tâm của cảnh tượng chói loà này, một hình cầu lớn, đen hoàn toàn, đó chính là lỗ đen, vết mực dơ giữa nền ánh sàng rực rỡ, tia X và tia gamma từ những nguyên tử đã che dấu cho sự tồn tại của nó. Bạn quan sát những dòng nguyên tử siêu nóng đang cuốn vào lỗ từ mọi phía. Khi đã vào bên trong lỗ đen, chúng nóng hơn bao giờ hết, dao động nhanh hơn bao giờ hết và bức xạ mạnh hơn bao giờ hết, nhưng những bức xạ này cũng không thể thoát khỏi cường độ hấp dẫn dữ dội của lỗ đen. Không gì có thể thoát ra được. Đó chính là nguyên nhân tại sao lỗ đen lại có màu đen, đen như mực.

Continue Reading

Tốc độ lan truyền của lực hấp dẫn - Hai sai lầm của Newton và một lần nữa Einstein lại đúng

Hai nhà khoa học Mỹ, Kopeikin và Ed Fomalont tại Đại học Missouri ở Columbia, lần đầu tiên đã đo được tốc độ lan truyền của lực hấp dẫn, khớp với dự đoán thiên tài của Albert Einstein trong Thuyết tương đối rộng. Thành tựu này ủng hộ cho "Lý thuyết của Tất cả (TOE - Theory of Everything), một lý thuyết trung tâm của vật lý hiện đại nhằm thống nhất toàn bộ các lực trong tự nhiên, tức là thống nhất toàn bộ thế giới vật chất về cùng một bản chất.

Hai sai lầm của Newton
Lực hấp dẫn đã được khám phá từ thế kỉ 17 bởi isaac Newton, một trong những nhà toán học và vật lý vĩ đại nhất của mọi thời đại. Newton thiên tài không những dự đoán được sự tồn tại của lực hấp dẫn mà còn tính được chính xác lực tác dụng giữa hai vật thể có khối lượng, phát minh ra định luật vạn vật hấp dẫn và dùng định luật này để giải thích chuyển động của các thiên thể. Tuy nhiên Newton đã phạm hai sai lầm: Một, ông coi không gian giữa các thiên thể là trống rỗng, lực hấp dẫn có khả năng truyền qua không gian trống rỗng đó để tác dụng lên nhau. Hai, lực hấp dẫn tác dụng tức thời từ vật này lên vật kia, không cần thời gian để đi qua không gian. Nói cách khác, tốc độ lan truyền của lực hấp dẫn là vô hạn.

Sai lầm thứ nhất đã bị Michael Faraday ở thế kỉ 19 bác bỏ. Theo Faraday không thể có không gian trống rỗng và nhất thiết lực phải truyền qua một môi trường trung gian. Môi trường này không nhất thiết được cấu tạo bởi vật chất nhìn thấy, mà có thể bằng một loại vật chất không nhìn thấy được gọi là trường. Lý thuyết về các trường ra đời từ đó. Nhưng sai lầm thứ hai thì phải đợi mãi đến đầu thế kỷ 20, năm 1916, khi Einstein công bố Thuyết tương đối rộng (TTĐR) mới bị bác bỏ. Trong thuyết tương đối này, Einstein nêu lên giả thiết lực hấp dẫn có tốc độ giới hạn, thậm chí ông cho rằng nó bằng tốc độ ánh sáng. Giả thiết này là một trong những cơ sở nền móng của TTĐR. Nếu giả thuyết này sụp đổ thì lý thuyết của Einstein cũng sụp đổ theo. Năm 1919, thí nghiệm của Authur Eddington đo độ lệch của tia sáng phát ra từ một ngôi sao khi nó đi ngang qua gần Mặt Trời, xác nhận hoàn toàn tiên đoán của Einstein về tính cong của không gian, một trong những hệ quả nổi tiếng của TTĐR. Từ đó lý thuyết của Einstein hoàn toàn có sức thuyết phục. Trong gần 100 năm qua, khoa học đã làm lại thí nghiệm của Eddington nhiều lần với những công cụ ngày càng tinh vi hơn, thu được những kết quả ngày càng gần với tính toán lý thuyết của Einstein hơn. Mặt khác, với TTĐR các nhà vũ trụ học đã giải thích và tính toán được hàng loạt hiện tượng thiên văn và vũ trụ một cách chính xác. Do đó đến nay TTĐR đã trở thành một trong những trụ cột của khoa học, thậm chí của cả triết học là nhận thức của loài người nói chung. Không còn ai nghi ngờ nó nữa, người ta chỉ sử dụng nó như một công cụ sắc bén để khám phá những hiện tượng mới, nguyên lí mới của tự nhiên.

Giả thiết về tính giới han của tốc độ lực hấp dẫn có đúng không?
Câu hỏi này từ lâu đã thách thức các nhà khoa học, và là một trong những thách thức vĩ đại nhất. Và phải đợi gần một thế kỉ sau Einstein, đầu năm 2003 mới có câu trả lời: “Một lần nữa Einstein lại đúng”, Kathy Sawyer, ký giả khoa học của nhật báo The Washington Post, phải thot lên như vậy khi đưa tin bình luận về sự kiện vang dội này: Kết quả đo đạc của Fomalont và Kopeikin cho thấy tốc độ lan truyền của lực hấp dẫn bằng 1,06 lần tốc độ ánh sáng, tức bằng 299337km/s trong chân không với sai số 20%.

Nhưng làm thế nào mà hai nhà khoa học đó đã làm được điều kì diệu vậy? Câu trả lời là: Họ đã học kỹ thí nghiệm của Authur Eddington. Vậy đến đây xin độc giả hãy trở lại với Eddington.

Năm 1916, Einstein tiên đoán lực hấp dẫn sẽ làm uốn cong không gian xung quanh nó, và do đó ánh sáng đi qua một vùng ở gần thiên thể có khối lượng lớn cũng sẽ bị cong dưới tác dụng của lực hấp dẫn do thiên thể ấy gây ra. Eddington là người vô cùng sắc sảo khi ông đề nghị kiểm tra tiên đoán của Einstein nhân dip một hiện tượng nhật thực hi hữu xảy ra vào năm 1919, trong đó Trái Đất, Mặt Trời và một ngôi sao biết rõ danh tính nằm gần như thẳng hàng, do vậy ánh sáng từ ngôi sao đến Trái Đất sẽ phải đi ngang qua gần Mặt Trời. Nếu Einstein đúng thì vị trí ngôi sao trên bản đồ sao lúc xảy ra nhật thực sẽ phai lệch đi một chút so với vị trí vốn có, do ánh sáng của nó bị lệch khi đi gần Mặt Trời. Kết qua như trên đã nói, thí nghiệm đã xác nhân tiên đoán của Einstein.

Đến lượt Fomalont và Kopeikin, với chương trình nghiên cứu đã được chuẩn bị từ nhiều năm trước, hai ông đã “chộp” được một hiện tượng cũng vô cùng hi hữu xảy ra một lần trong một thập kỉ: Trái đất, Mộc tinh (một hành tinh trong hệ Mặt Trời) và một quasar cách xa Trái Đất vài tỉ năm ánh sáng, sắp xếp gần như thẳng hàng vào ngày 8 tháng 9 năm 2002. Sóng vô tuyến phát đi từ quasar đó tới Trái Đất khi đi ngang qua gần Mộc tinh sẽ bị lệch dưới tác dụng của lực hấp dẫn của Mộc tinh. Lực hấp dẫn càng lớn thì độ lệch càng lớn. Từ độ lệch thu nhận được từ rất nhiều đài quan sát khác nhau, các nhà khoa học có thể tính được tốc độ truyền của lực hấp dẫn.

Continue Reading

Tên các hành tinh đã được đặt như thế nào theo phương Đông và phương Tây?

Ở phương Tây thời xa xưa người ta cho rằng những hành tinh của hệ Mặt Trời có liên quan tới vận mệnh của loài người. Điều này khiến họ liên tưởng tới các thần linh nên đã lấy tên các vị thần trong thần thoại Hy Lạp đặt tên cho các hành tinh. Người cổ Hy Lạp và cổ La Mã căn cứ vào những đặc điểm riêng của từng hành tinh để gán tên các vị thần cho chúng.

Thuỷ Tinh (Mercury) chuyển động nhanh nhất, lúc ẩn, lúc hiện, lại rất hay bị Mặt Trời che khuất nên rất khó quan sát. Người xưa lấy tên thần sứ giả của các thần, đi đôi dép có cánh, tên là Mercury trong thần thoại La Mã, hay Hermet trong thần thoại Hy Lạp để đặt tên cho hành tinh này.

Continue Reading