Lỗ đen, lỗ sâu đục và cỗ máy thời gian (Phần 55)

Thời gian hấp dẫn

Giờ thì chúng ta đã thấy thời gian được mô tả như thế nào trong thuyết tương đối đặc biệt, nên tôi sẽ trình bày ngắn gọn nó sẽ hành xử như thế nào trong thuyết tương đối tổng quát. Einstein đã chứng minh rằng lực hấp dẫn mang lại một cách khác làm chậm thời gian để chuyển động ở những tốc độ rất cao. Chúng ta đã thấy thuyết tương đối tổng quát mô tả cách những vật thể đồ sộ làm cho không thời gian trong vùng phụ cận của chúng cong đi như thế nào (hãy để ý làm thế nào cuối cùng tôi có thể nói về không thời gian chứ không riêng gì không gian nữa). Giống hệt như như không gian bị giãn ra bên trong trường hấp dẫn, thời gian cũng vậy. Hãy xét hiệu ứng trên thời gian ở gần chân trời sự kiện của một lỗ đen. Một người quan sát đang nhìn, từ một khoảng cách an toàn, một người đang cầm một cái đồng hồ trong khi đang rơi vào lỗ đen sẽ thấy cái đồng hồ chạy chậm đi. Đây là nguyên nhân chúng ta thấy các vật rơi vào trong lỗ đen có vẻ như thể chúng bị đóng băng tại chân trời sự kiện. Đối với chúng ta, thời gian tại chân trời sự kiện là dừng lại. Tuy nhiên, đây không đơn giản là một ảo giác quang học. Chúng ta đã thấy rằng sự giãn nở thời gian trong thuyết tương đối đặc biệt là mang tính tương đối. Hai nhà quan sát đang chuyển động ở tốc độ cao so với nhau, người này sẽ thấy đồng hồ của người kia chạy chậm hơn. Nhưng trong trường hợp hai nhà quan sát ở gần lỗ đen, thì người rơi vào trong sẽ thấy đồng hồ của người quan sát ở xa chạy nhanh hơn!

Bạn có quyền cảm thấy ít bị thuyết phục hơn bởi lập luận này. Xét cho cùng, chưa có ai từng mặt đối mặt với một lỗ đen để kiểm tra một hiệu ứng như thế. Vậy thì làm thế nào chúng ta có thể chắc chắn rằng thời gian thật sự trôi chậm đi? Câu trả lời là chúng ta có thể kiểm tra nó ngay trên Trái đất này. Trường hấp dẫn của Trái đất chẳng thấm vào đâu so với trường hấp dẫn của một lỗ đen, nhưng chúng ta vẫn có thể đo hiệu ứng nhỏ xíu mà nó có đối với thời gian.

Sự giãn nở thời gian do lực hấp dẫn của Trái đất đã được xác nhận bởi một thí nghiệm nổi tiếng do hai người Mĩ thực hiện vào năm 1960. Robert Pound và Glen Rebka đã khai thác hiệu ứng Mossbauer mới được khám phá trước đó, hiệu ứng phát biểu rằng một nguyên tử thuộc một loại nhất định sẽ phát ra ánh sáng thuộc một bước sóng nhất định khi được bơm năng lượng. Và vì bước sóng này tương thích với những nguyên tử khác giống như vậy, nên chúng sẽ dễ dàng hấp thụ ánh sáng trên. Nếu bước sóng ánh sáng thay đổi đi một chút, ví dụ do hiệu ứng Doppler, thì những nguyên tử kia sẽ không thể hấp thụ nó. Pound và Rebka đã đặt một số nguyên tử sắt “phát xạ” tại chân của một tòa tháp cao 23 mét và những nguyên tử giống hệt tại đỉnh tháp. Họ tìm thấy ánh sáng phát ra bởi các nguyên tử tại chân tháp không bị hấp thụ bởi các nguyên tử tại đỉnh tháp, và lí giải rằng nguyên nhân là vì bước sóng của ánh sáng đã bị lệch đỏ. “Sự lệch đỏ do hấp dẫn” này là kết quả trực tiếp của sự chậm đi của thời gian tại chân tháp. Bạn thấy đó, đỉnh tháp ở xa Trái đất hơn và do đó lực hấp dẫn ở đó yếu hơn (tất nhiên, không nhiều cho lắm, nhưng đủ để làm thay đổi bước sóng ánh sáng).

Để hiểu sự lệch đỏ này là sự trôi chậm của thời gian, hãy xét xem một bước sóng thật ra có nghĩa là gì. Bạn có thể nghĩ các nguyên tử sắt là những cái đồng hồ với mỗi đỉnh của sóng ánh sáng mà chúng phát ra là một tiếng “tíc”. Nếu ta thấy những bước sóng dài hơn, thì đó là do thời gian trôi qua nhiều hơn giữa những tiếng tíc liên tiếp và ta nói đồng hồ nguyên tử đang chạy chậm đi. Để đo thời gian đang chậm đi bao nhiêu, Pound và Rebka đã làm cái việc mà tôi nhớ, khi lần đầu tiên tôi học về nó, tôi đã nghĩ rằng đó là một kì công tuyệt đối. Họ cho các nguyên tử tại đỉnh tháp chuyển động xuống với một tốc độ nhất định về phía các nguyên tử tại chân tháp. Các nguyên tử đang chuyển động bây giờ nhìn thấy bước sóng ánh sáng truyền lên gặp chúng hơi bị nén lại do hiệu ứng Doppler. Sự co ngắn lại như thế này của bước sóng có thể điều chỉnh, bằng cách điều khiển tốc độ của các nguyên tử đang rơi xuống, để hồi phục bước sóng ánh sáng đến giá trị đúng của nó và vì thế các nguyên tử đang rơi có thể hấp thụ ánh sáng đó.

Trong những tình huống nhất định, hai hiệu ứng giãn nở thời gian (do thuyết tương đối đặc biệt và do thuyết tương đối tổng quát) có thể tác dụng lên nhau. Xét hai đồng hồ nguyên tử, một ở trên mặt đất và một ở trên một vệ tinh bay vòng quanh Trái đất. Đồng hồ nào sẽ chạy chậm hơn? Đối với đồng hồ trên mặt đất, chuyển động tốc độ cao của đồng hồ trên quỹ đạo sẽ khiến nó chạy chậm hơn, trong khi thực tế thì nó đang quay quanh Trái đất trong trạng thái không trọng lượng sẽ khiến nó chạy nhanh hơn. Hiệu ứng nào sẽ giành phần thắng? Câu trả lời là tùy thuộc vào vệ tinh ở cao bao nhiêu. Các nhà khoa học cần biết cái này khi phân tích thông tin gửi xuống bởi những vệ tinh đạo hàng có đồng hồ nguyên tử của riêng chúng. Lấy ví dụ, nếu một vệ tinh đang bay ở cao độ lớn hơn đường kính của Trái đất, thì nó sẽ ở đủ xa cho sự giãn nở thời gian do hấp dẫn giành phần thắng. Đồng hồ của nó sẽ chạy nhanh hơn đồng hồ trên mặt đất, chúng chạy chậm đi do lực hấp dẫn của Trái đất, sai lệch vài phần triệu của một giây mỗi ngày (một sự không chính xác không thể bỏ qua khi sử dụng các đồng hồ nguyên tử).

Vì thế, bạn hãy nhớ rằng nếu đồng hồ đeo tay của bạn đang chạy chậm đi thì hãy đưa nó lên trên đầu bạn! Nó sẽ chạy nhanh hơn vì nó đang chịu một lực hấp dẫn yếu hơn. Tất nhiên, bạn sẽ không bao giờ có thể đo được một hiệu ứng nhỏ bé như vậy cho dù bạn có nâng cái đồng hồ trên đầu bạn bao lâu chăng nữa.