Rơi vào trong lỗ đen
Một trong những điều thú vị nhất về lỗ đen là cái xảy ra với những vật/những nhà du hành xui xẻo rơi vào trong chúng, và một người đang đứng nhìn từ một khoảng cách an toàn thấy hiện tượng xảy ra như thế nào. Trước tiên, chúng ta hãy xét cái sẽ trông ra sao nếu bạn đủ vận xui đến mức rơi vào trong lỗ đen.
Một khía cạnh của sự hấp dẫn cho đến đây chưa được nói tới là lực thủy triều. Chúng ta biết rằng lực hút hấp dẫn của một vật trở nên yếu hơn khi chúng ta tiến ra xa nó. Chắc chắn bạn từng nghĩ rằng, khi bạn đứng trên mặt đất, chân của bạn sẽ cảm nhận lực hút của Trái đất mạnh hơn đầu của bạn, vì cái đầu ở xa mặt đất hơn. Điều này thật ra là đúng, nhưng sự chênh lệch trong trường hấp dẫn của Trái đất là quá nhỏ trên một khoảng cách nhỏ như thế nên sẽ không bao giờ cảm nhận được. Mặt khác, chúng ta có thể nhìn thấy rõ ràng hiệu ứng thủy triều của lực hấp dẫn của Mặt trăng tác dụng lên Trái đất. Đây là vì phía Trái đất dối diện với Mặt trăng chịu lực hút hấp dẫn mạnh hơn phía bên kia nên, khi Trái đất quay, gây ra sự dâng lên hàng ngày của nước biển từ đó mà có tên gọi thủy triều.
Khi xét đến lỗ đen, lực hấp dẫn thay đổi kịch tính hơn nhiều và bạn có thể cảm thấy hiệu ứng thủy triều ngay dọc cơ thể của mình. Hiệu ứng này trở nên mạnh không thể chịu nổi và cuối cùng sẽ xé toạc bạn thành những sợi dài trước khi cuối cùng bạn bị ép bẹp dí tại điểm kì dị.
Một lỗ đen nhỏ, vào cỡ vài lần khối lượng mặt trời, có lực thủy triều mạnh đến mức bất cứ nhà du hành nào mon men đến quá gần sẽ bị giết ngay trước khi anh ta hay cô ta băng qua chân trời sự kiện! Một kết cục không hay chút nào phải không? Bạn nghĩ ít nhất bạn có thể có cơ hội đến gần chân trời sự kiện mà không gặp trở ngại gì lớn lắm. May thay, chúng ta có lí do hợp lí để tin rằng có tồn tại những lỗ đen với khối lượng gấp hàng triệu lần khối lượng Mặt trời. Những lỗ đen siêu khối như thế có lực thủy triều lớn hơn rất rất nhiều và người ta có thể dễ dàng băng qua chân trời của sự kiện của một lỗ đen như thế mà không cảm thấy sự bất tiện nào. Khi bạn tiếp tục rơi tự do về phía điểm kì dị, lực thủy triều sẽ có độ lớn tăng dần dần. Như vậy, mặc dù cuối cùng bạn vẫn bị xé toạc ra rồi nén lại thành một điểm có mật độ vô hạn, nhưng ít ra thì lúc này bạn có thể nhìn ngắm một chút trên đường rơi xuống.
Trong tập sách này, bạn có thể nhận thấy7 tôi đang cố gắng trì hoãn trình bày về tác dụng kì lạ của lực hấp dẫn lên thời gian cho đến phần tiếp theo. Tuy nhiên, tôi không thể khiến các lỗ đen bất bình nếu không nói một chút về vấn đề này ở đây. Bên trong một lỗ đen, không gian và thời gian bị cuộn lại đến mức khoảng cách từ chân trời sự kiện đến điểm kì dị không phải là một khoảng cách trong không gian theo ý nghĩa bình thường nữa (theo nghĩa nó có thể được đo theo km hoặc một số đơn vị chiều dài thích hợp khác). Thay vậy, nó trở thành một chiều thời gian. Về cơ bản, khoảng cách xuyên tâm đến tâm của lỗ đen bị thay bởi trục thời gian! Đợi một chút, bạn nghĩ, chúng ta đang nói tới cỡ của những lỗ đen theo bán kính Schwarzschild được xác định rõ ràng nhất theo các đơn vị chiều dài. Sự khác biệt là ở chỗ bán kính Schwarzschild là bán kính nhìn từ bên ngoài lỗ đen. Hãy tưởng tượng đang quan sát một lỗ đen trên một tấm màn sáng làm nổi bật rõ chân trời sự kiện của nó, ví dụ một tinh vân khí phát sáng. Khoảng cách xuyên qua cái đĩa đen này là đường kính của nó, hay hai lần bán kính Schwarzschild của nó. Một khi ở bên trong lỗ đen, mọi thứ rất khác đi.
Sự hoán đổi này của không gian và thời gian giải thích tại sao bất cứ vật nào hễ rơi vào trong lỗ đen là không có chọn lựa nào khác ngoài việc rơi vào trong về phía điểm kì dị. Các nhà vật lí ví von hành trạng này với cách không thể tránh được mà chúng ta chuyển động trong thời gian về phía tương lai. Ngoài ra, vì bạn không thể tiến xa hơn một khi bạn đã tới điểm kì dị, nên điểm này phải đánh dấu sự kết thúc của chính thời gian! Đây là chỗ các điểm kì dị lỗ đen khác với Vụ Nổ Lớn là điểm kì dị đánh dấu sự bắt đầu của thời gian. Chúng giống với điểm kì dị Vụ Co Lớn hơn (điểm đánh dấu sự kết thúc của không gian và thời gian nếu có đủ vật chất trong Vũ trụ để làm cho nó tự co lại).
Thời gian cần thiết để đi từ chân trời sự kiện đến điểm kì dị, khi đo bởi cái gì đó đang rơi vào, tỉ lệ với khối lượng của lỗ đen. Như vậy, với một lỗ đen gấp mười lần khối lượng Mặt trời, sẽ mất khoảng một phần mười nghìn của một giây để đi tới điểm kì dị, trong khi đối với một lỗ đen siêu khối có thể mất đến vài phút.
Một câu hỏi thường được nêu ra là một nhà du hành đang rơi qua chân trời sự kiện của một lỗ đen có để ý thấy sự khác biệt nào hay không (giả sử lỗ đen đó đủ lớn để nhà du hành sống sót trước lực thủy triều). Câu trả lời là không. Cách duy nhất bạn có thể biết được mình đã đi qua chân trời sự kiện (hãy lưu ý làm thế nào mà nhà du hành giờ đã thành bạn rồi? đừng giận hờn nhé, tôi chẳng biết bạn là ai và tôi cũng không muốn một kết cục như thế xảy ra với bất kì ai) sẽ là bạn cố gắng làm dừng chuyển động rơi và trèo trở ra bằng cách bật động cơ tên lửa đẩy bạn ra khỏi tâm của lỗ đen. Theo nhà thiên văn vật lí người Nga và là một chuyên gia hàng đầu về lỗ đen, Igor Novikov, một trong những khía cạnh kì lạ khác nữa của vật lí học lỗ đen và một hệ quả của cách thời gian bị cuộn lại là rằng khi cố làm như vậy (đốt động cơ tên lửa để thoát ra khỏi lỗ đen) bạn sẽ đi tới điểm kì dị còn nhanh hơn so với khi bạn tắt các động cơ đi!
Điều này chắc chắn là rất phản trực giác nhưng ông giải thích nó như sau. Hãy nhớ rằng không có động cơ tên lửa đang cháy thì bạn đang rơi tự do và không chịu bất kì lực hấp dẫn nào (tất nhiên là ngoài lực thủy triều ra). Bằng cách hướng tên lửa của bạn ra xa điểm kì dị và đốt động cơ, bạn sẽ cảm nhận một lực gia tốc hướng lên và, do nguyên lí tương đương, gia tốc này giống như sự cảm giác tác dụng của một trường hấp dẫn. Tuy nhiên, do cách không gian và thời gian hòa quyện bên trong lỗ đen, nên bạn tiếp tục rơi với tốc độ không đổi như trước đó. Lúc này đúng là thời gian của bạn sẽ chậm đi. Đây gọi là sự giãn nở thời gian do hấp dẫn và tôi sẽ trình bày nó trong Chương 6. Có nghĩa là một vật rơi từ chân trời sự kiện đến điểm kì dị sẽ khiến bạn, nói ví dụ thôi, cảm thấy mười giây giờ như có năm giây thôi. Lạ thay!
Trong khi viết chương này, tôi đã nói với vợ tôi, Julie, rằng tôi đã viết tới chỗ tôi mô tả bên trong lỗ đen trông như thế nào. “Rất tối, em nghĩ vậy” là câu đáp ngây ngô và sâu sắc của vợ tôi. Thật ra, nó không hoàn toàn tối đen vì ánh sáng từ Vũ trụ bên ngoài vẫn rơi vào. Sự khác biệt là ở chỗ ánh sáng trở nên bị bẻ cong và tập trung vào một mảng sáng nhỏ. Nó na ná như là nhìn ngọn đèn đang lùi xa từ lối vào một đường hầm tối khi bạn liều lĩnh bước sâu vào trong cái lỗ đó.
Giờ chúng ta hãy xét một nhà quan sát ở xa nhìn thấy cái gì khi một vật rơi vào trong một lỗ đen, để cho đơn giản, ta giả sử nó không quay tròn. Giờ hãy tưởng tượng bạn đang ở trong phi thuyền vũ trụ của mình, neo ở một khoảng cách an toàn bên ngoài chân trời sự kiện. Bạn chứng kiến một người đồng nghiệp đang rơi về phía chân trời sự kiện. Thay vì nhìn thấy anh ta rơi mỗi lúc một nhanh cho đến khi anh ta bất ngờ biến mất qua chân trời đó, tốc độ rơi của anh ta dường như mỗi lúc một chậm đi khi anh ta tiến tới đường chân trời đó, cho đến cuối cùng thì anh ta dừng lại, đóng băng, ngay bên ngoài nó. Sự chậm đi biểu kiến này của vật rơi là do cách lực hấp dẫn ảnh hưởng đến tốc độ trôi của thời gian. Thật vậy, thời gian đúng là chậm đi trong trường hấp dẫn và sự chậm đi này dễ thấy nhất trong trường hấp dẫn mạnh bên ngoài một lỗ đen.
Nếu nhà du hành đã tính rằng anh ta sẽ đi qua chân trời sự kiện lúc mười hai giờ chính xác theo cả hai đồng hồ đã đồng bộ hóa trước đây của bạn, thì bạn có thể, qua một chiếc kính thiên văn mạnh, quan sát thời gian biểu hiện trên đồng hồ của anh ta khi anh ta rơi. Bạn sẽ thấy kim trên đồng hồ của anh ta chạy chậm đi khi anh ta tiến về phía chân trời sự kiện cho đến khi cuối cùng chúng dừng lại đúng lúc mười hai giờ. Thật vậy, tại chân trời sự kiện, thời gian dừng lại. Thỉnh thoảng, người ta đề xuất (sai lầm) rằng bạn sẽ nhìn thấy anh ta đóng băng ở bên ngoài chân trời đó mãi mãi. Thật ra, hình ảnh của anh ta sẽ mờ đi rất nhanh và anh ta sẽ biến mất. Đây không phải là bạn đã “nhìn thấy” anh ta rơi qua chân trời sự kiện, mà vì ánh sáng từ anh ta đi tới bạn đã bị lệch đỏ sang những bước sóng dài đến mức nó nhanh chóng vượt ra khỏi phổ nhìn thấy. Sự lệch đỏ này không giống lắm với những thiên hà ở xa đang lùi ra xa có ánh sáng bị dịch chuyển Doppler. Giờ thì có thêm một ảnh hưởng nữa do sự chậm đi của thời gian ở gần chân trời sự kiện làm cho ánh sáng xuất hiện trước bạn có tần số thấp hơn và, do đó, bước sóng, bị lệch đỏ, dài hơn. Tuy nhiên, nhà du hành đang rơi vào kia lại có khái niệm rất khác về tốc độ thời gian trôi và tính được anh ta rơi vào lỗ đen mỗi lúc một nhanh.
___
7Từ những dòng chú thích đều đặn kiểu như dòng này.
Lỗ đen, lỗ sâu đục và cỗ máy thời gian
Jim Al-Khalili
Bản dịch của Thuvienvatly.com
