Xem mẫu
- The lucent library of
science andtechnology
Höë àen
Taác giaã: Don nardo
Dõch: pac
- Mục Lục Don Nardo
Muåc luåc
Mục Lục 2
Lời Người Dịch 3
Lời Nói Đầu 4
Lời Giới Thiệu 6
Đối Mặt với Bí Ẩn Tột Cùng
Chương 1 11
Lực Hấp Dẫn và Lời Tiên Đoán Ban Đầu về Hố Đen
Chương 2 24
Ngôi Sao Chết và Sự Hình Thành Hố Đen
Chương 3 35
Tính Chất và Ứng Dụng Tiềm Tàng của Hố Đen
Chương 4 46
Phát Hiện Hố Đen bằng Phương Pháp Gián Tiếp
Chương 5 57
Hố Đen Khổng Lồ và Số Phận Của Vũ Trụ
Chương 6 70
Hố Đen Có Thể là những Cánh Cổng Vũ Trụ Được Không?
Ghi Chú 82
PAC - CLB Thiên văn Bách Khoa 2
- Lời Người Dịch Don Nardo
Lúâi ngûúâi dõch
Cuốn sách này được lấy từ cuốn Black Hole của tác giả Don Nardo
do thành viên của PAC--Polytechnic Astronomy Club, CLB Thiên Văn
Bách Khoa--dịch. Chúng tôi dịch nó không có mục đích gì hơn là phổ
cập kiến thức cơ bản về thiên văn cho mọi người. Bạn đọc được toàn
quyền in nội dung của nó ra với mục đích cá nhân và phi thương mại.
Nếu muốn phát hành ở trang web khác bạn làm ơn ghi nguồn là PAC
và phobachkhoa.com.
Trong quá trình dịch, không thể tránh khỏi sai sót về lỗi chính tả, lỗi từ
ngữ, hay ngữ pháp, và cũng do hạn chế về trình độ của người dịch nên
nhiều đoạn không lột hết được ý nguyên gốc của tác giả, nên chúng tôi,
những người dịch xin khuyến cáo những ai có khả năng về Anh ngữ thì
nên đọc sách gốc. Mọi sự phản ánh về thiếu sót của ebook xin đưa về
diễn đàn http://phobachkhoa.com/, chúng tôi xin chân thành cảm ơn.
Ở phần cuối, chúng tôi chỉ dịch phần Ghi Chú, các phần còn lại như đọc
thêm, thuật ngữ, tác giả… các bạn có thể tham khảo thêm trong sách
gốc.
Người dịch: © duyb7, nvl_8x.
PAC - CLB Thiên văn Bách Khoa 3
- Lời Nói Đầu Don Nardo
Lúâi noái àêìu
“Thế giới thay đổi trong 100 năm trở lại đây nhanh hơn rất nhiều so với
các thế kỷ khác trong lịch sử. Nguyên nhân không phải do chính trị hay
kinh tế mà là kỹ thuật--các ngành kỹ thuật chảy trực tiếp từ sự phát
triển của khoa học cơ bản.”
--Stephen Hawking, “A Brief History
of Relativity,” báo Time, 2000
C uộc cách mạng khoa học kỹ thuật của thế kỷ hai mươi là thế kỷ mà
nhà vật lý học người Anh Stephen Hawking mô tả trong đoạn trích
trên đã biến đổi sâu sắc vẻ bên ngoài của cuộc sống con người nhanh
chưa từng có. Các phát minh không thể tưởng tượng được trong một
thể kỷ qua không chỉ trở nên bình thường mà còn được xem là cần thết
trong cuộc sống thường nhật. Nhà sử gia khoa học, James Burke viết,
“Chúng ta được bao quanh bởi những hệ thống và vật thể mà chúng ta
dùng chúng một cách bình thường, nhưng chúng lại có ảnh hưởng sâu
sắc đến hành động, suy nghĩ, công việc, giải trí của chúng ta và chúng
kiểm soát cuộc sống của chúng ta.”
Ví dụ, chỉ trong một trăm năm, hệ thống giao thông thay đổi một
cách đột ngột. Năm 1900, xe hơi chạy bằng dầu chỉ mới được giới
thiệu, và chỉ mới có 144 dặm đường bộ của Mỹ được bê tông hóa. Xe
ngựa kéo vẫn chiếm đầy đường phố và thành thị Mỹ. Máy bay vẫn đang
được sáng chế. Ngày nay có tới 217 phương tiện đi lại trên 4 triệu dặm
đường Mỹ. Con người đổ bộ lên Mặt Trăng và các máy bay thương mại
phương tiện chở hành khách đi qua Đại Tây Dương chỉ mất dưới ba giờ.
Sự biến đổi thông tin liên lạc cũng đột ngột tương tự. Trong năm
1900 hầu hết người Mỹ sống và làm việc trên các nông trại không hề có
điện hay thư tín. Chỉ có vài người đã từng nghe radio và nói trên điện
thoại. Một trăm năm sau, 98 phần trăm nhà ở Mỹ có điện thoại và tivi
và hơn 50 phần trăm có máy tính cá nhân. Vài gia đình thậm chí còn có
hơn một cái ti vi và máy tính, và điện thoại di động giờ đã trở nên phổ
biến, ngay cả đối với giới trẻ. Thông tin phát ra từ các vệ tinh liên lạc
dự báo thời tiết toàn cầu và cáp quang học, email, và Internet đã nối
tức thời thông tin liên lạc trên toàn cầu.
PAC - CLB Thiên văn Bách Khoa 4
- Lời Nói Đầu Don Nardo
Có lẽ thước đo ấn tượng nhất về sự thay đổi khoa học và công nghệ
có thể thấy trong ngành y tế và sức khỏe cộng đồng. Vào đầu thế kỷ
hai mươi, độ tuổi trung bình của dân Mỹ là bôn mươi bảy. Cuối thế kỷ
này độ tuổi trung bình đạt tới tám mươi, nhờ vào các tiến bộ trong y tế
bao gồm sự phát triển vắc xin và thuốc kháng sinh, phát minh ra các
dụng cụ chuẩn đoán hiệu quả như tia X, công nghệ chữa bệnh và chăm
sóc trẻ sơ sinh, và sự phát triển trong dinh dưỡng hay kiểm soát các
dịch truyền nhiễm.
Tốc độ thay đổi nhanh chóng có vẻ vẫn tiếp diễn qua thế kỷ thứ hai
khi khoa học đã hé mở thêm về các quá trình vật lý và sinh học như
hiện tượng nóng lên toàn cầu, sự tái tạo của virut, và độ dẫn điện, và
khi con người chấp nhận kiến thức mới là yêu cầu của con người và là
chính sách của nhà nước. Ví dụ, hiệp ước quốc tế đòi hỏi phải cắt giảm
tức thì các khí thải công nghiệp và phương tiện giao thông để hưởng
ứng nghiên cứu cho thấy khả năng nguy hiểm tăng cao đến sự gia tăng
nhiệt độ toàn cầu gây ra do các hoạt động của con người. Việc giữ thế
chủ động trong việc quyết định con đường thay đổi tương lai phụ thuộc
vào giáo dục; con người phải hiểu khả năng ứng dụng của các nghiên
cứu khoa học và các tác động của công nghệ xung quanh chúng ta.
Bộ sách Lucent Library of Science and Technology mô tả sơ lược về
sự đổi mới và phát minh đã thay đổi thế giới hiện đại. Mỗi quyển sách
cố gắng đưa một phát minh khoa học, kỹ thuật, hay hiện tượng phức
tạp trở nên dễ hiểu và thích hợp với người đọc. Vì các phát minh khoa
học thường hiếm khi dể hiểu, nên mỗi quyển sẽ giải thích các ngõ cụt,
các tai nạn may mắn, và phương pháp khoa học cơ bản mà các nghiên
cứu của chủ đề dựa vào. Và mỗi quyển sách lại nghiên cứu ứng dụng
thực tiễn của một phát minh, nhánh của khoa học, hay nguồn gốc khoa
học trong công nghiệp, sức khỏe cộng đồng, và cuộc sống con người,
cũng như các khả năng ứng dụng trong tương lai và tác động dựa trên
các nghiên cứu hiện tại. Các trích dẫn đầu đủ từ các tài liệu, các chú
giải về tiểu sử được đóng khung và các nguồn điện tử, thuật ngữ, bảng
chú dẫn, và các minh họa kỹ thuật đều nằm trong phần bổ sung để
hướng người đọc khám phá sâu hơn cho chủ đề.
PAC - CLB Thiên văn Bách Khoa 5
- Đối Mặt với Bí Ẩn Tột Cùng Don Nardo
LÚÂI GIÚÁI THIÏÅU
ÀÖËI MÙÅT VÚÁI BÑ ÊÍN TÖÅT CUÂNG
Q uancó ệkhávề hềuđen luônt,đèậchthtểlên,tríáng ng ,tượngc ccon loàiười ười.
ni m ố ặ tưở ủa ng
Đã nhi sinh vậ v t lạ đ sợ đượ ng xây
dựng lên trong các câu truyện thần thoại, các chuyện giả tưởng. Khoa
học hiện đại ngày nay cũng đã tiết lộ những thứ quái lạ, đáng lo lắng
không kém của thế giới tự nhiên. Nhưng dẫu sao những thứ này cũng
không thể so sánh với hố đen, một vật thể có lực hấp dẫn lớn đến nỗi
ánh sáng cũng không thể nào thoát ra nỗi và là nơi mà hầu như mọi
định luật của tự nhiên đều bị phá vỡ. Trong những lời ghi lại của nhà
vật lý Kip Thorne, một trong những chuyên gia hàng đầu thế giới
nghiên cứu về hố đen :
Trong tất cả những quan niệm của con người, từ những hình kì lân
xa xưa của những câu truyện thần thoại cho tới những chiếc máng
xả nước của ngành xây dựng hay những quả bom khinh khí, có lẽ
điều kì dị nhất là hố đen: một cái hố trong khoảng không vũ trụ, với
những rào cản nhất định sẽ khiến bất kì vật gì rơi và trong và không
gì có thể trốn thoát, một cái hố với lực hấp dẫn mạnh tới nỗi ánh
sáng cũng bị tóm gọn và giữ trong gọng kìm của nó, một cái hố có
thể bẻ cong không gian và thời gian.
Đối với nhiều người, những ý nghĩ về con quái vật của vũ trụ dường
như giống một cái gì đó ngoài những cuốn tiểu thuyết hay bộ phim
khoa học viễn tưởng. Và theo như lời Thorne: ”các định luật thực
nghiệm khá tốt của vật lý tiên đoán cương quyết rằng hố đen nhất định
tồn tại, ngay trong ngân hà của chúng ta con số cũng có thể lên tới
hàng triệu.”1
Con quái vật bí ẩn
Mặc dù có khả năng tồn tại một số lượng lớn hố đen đang ẩn lấp
ngoài khoảng không vũ trụ, những vật thể lạ lùng này lại không dễ
dàng gì để quan sát và nghiên cứu. Thorne thừa nhận rằng: ” bóng tối
của chúng ẩn dấu đi sự quan sát, các nhà thiên văn sẽ gặp phải những
khó khăn rất lớn trong việc tìm ra chúng.”2 Chính tính lẫn tránh này
PAC - CLB Thiên văn Bách Khoa 6
- Đối Mặt với Bí Ẩn Tột Cùng Don Nardo
truyền cho hố đen một bầu không khí bí ẩn. Và thực tế còn có một lý
do nữa làm cho hố đen trở lên kì lạ với nhiều người là nó là một vật thể
Khí và mảnh vụn vật chất xoay quanh hố đen tạo thành đĩa vật chất mà cuối cùng cũng bị hút
vào trong hố
cực kỳ bí ẩn. Bởi ngay cả ánh sáng cũng bị bẫy vào trong chúng, ngăn
cách khả năng nhìn thấy, khả năng hữu hình của những phần tử trong
vũ trụ, chúng tối, tiên đoán một điềm giở và ở một góc độ nào đó
chúng trở lên đáng sợ. Điều quan trọng nhất là cái gì nằm trong những
hố đen này. Cho dù loài người đã cố gắng lí thuyết hóa chúng bằng mọi
cách, hố đen vẫn một bí ẩn tột cùng. Theo như lời của John Taylor, một
học giả xuất sắc của trường Đại Học Hoàng Gia London:
Kể từ khi con người bắt đầu suy nghĩ, chúng ta đã tôn thờ những
cái mà chúng ta không thể hiểu biết. Nhiều nhiên niên kỷ đã trôi
qua, hiểu biết về thế giới xung quanh chúng ta cũng đã tăng lên khá
nhiều và giờ đây chúng ta đang ở trong tình trạng phải đối mặt với
giới hạn của nhận thức, cái mà chẳng bao giờ có thể xuyên suốt
nếu chúng ta còn dữ lại những dạng vật lý hiện tại. Giới hạn đó
PAC - CLB Thiên văn Bách Khoa 7
- Đối Mặt với Bí Ẩn Tột Cùng Don Nardo
chính là hố đen. Mặc dù cố gắng hết sức chúng ta cũng sẽ chẳng
bao giờ thoát được vật đáng sợ nơi thiên đàng này một khi đã ở
trong đó. Hay chúng ta sẽ chẳng bao giờ tìm ra thứ gì bên trong nó
nếu chúng ta cứ đứng ở ngoài mãi do sợ hãi trước một chuyến đi chỉ
có một chiều.
Tại sao lại phải nghiên cứu hố đen?
Nếu như hố đen thật sự bí ẩn như vậy và ở một góc độ nào đó là
không thể hiểu biết được, và thật dễ dàng để những người không
chuyên băn khoăn liệu chúng có đáng giá để nghiên cứu. Liệu các nhà
thiên văn có nên đầu tư thời gian, năng lượng và tiền bạc để theo đuổi
những nỗ thực tế hơn không? Câu trả lời dường như là không. Rất
nhiều bằng chứng cho thấy hố đen có mối liên quan khá mật thiết tới
nguồn gốc tiến triển của vũ trụ. Trước hết có thể nói những hố đen như
vậy biểu thị lực hấp dẫn đã từng trải qua mọi thời gian. Lực hấp dẫn là
lực níu kéo vũ trụ lại với nhau và các nhà khoa học càng nắm bắt được
nhiều về nó họ càng giải thích được tốt hơn về nguồn gốc và cấu trúc
của vũ trụ . “Một động lực mãnh liệt cho việc tìm ra hố đen” nhà vật lý
Mitchell Begelman và Martin Ress viết, “là chúng là những vật đại diện
cho những nơi mà lực hấp dẫn đã át đi tất cả các lực khác, cho phép
người ta thử nghiệm lý thuyết về lực hấp dẫn dưới những điều kiện
khắc nhiệt nhất.”4
Một trong số rất nhiều lí do khiến các nhà khoa học hào hứng nghiên
cứu hố đen là thực tế là có rất nhiều hố đen liên quan tới nguồn gốc
của các vì sao. Hiểu được hố đen hình thành từ các vì sao như thế nào
chúng ta sẽ biết rất nhiều về giai đoạn tiến hóa cuối cùng của các vì
tinh tú. (Thuật ngữ tinh tú đồng nghĩa với sao.) Đồng thời, cũng làm
tăng thêm chứng cớ cho khả năng rằng sự tiến hóa của các thiên hà--
nơi một khối lượng lớn đang xoay vòng của hàng tỉ ngôi sao--có thể bị
trói chặt vào các quá trình hình thành và vòng đời của các hố đen
khổng lồ tại tâm của các thiên hà.
Thêm vào đó, các nhà khoa học tin rằng hố đen chứa đựng trong nó
rất nhiều đầu mối quan trọng của các mối quan hệ tự nhiên của không
gian và thời gian, đó là giữa thế giới 3 chiều quen thuộc và chiều thứ tư
của thời gian. Các nhà khoa học thường nhắc tới không gian và thời
PAC - CLB Thiên văn Bách Khoa 8
- Đối Mặt với Bí Ẩn Tột Cùng Don Nardo
gian bằng thuật ngữ “không thời gian.” Ở gần hố đen, ”không thời gian
biểu hiện một cách kì dị và rất ‘không thuộc về trực giác’,” Belgerman
chỉ ra rằng :
Ví dụ, thời gian là “đứng yên” đối với một người quan sát đang lượn
lờ quanh chân trời sự cố [bản lề của hố đen], họ có thể thấy được
toàn bộ tương lai bên ngoài vũ trụ mà đối với anh ta chỉ diễn ra
trong một khoảnh khắc ngắn ngủi. Những điều lạ lùng có thể xảy ra
với một người nào đó liều lĩnh đi vào bên trong chân trời sự cố… Sự
không chắc chắn của chúng ta về bên trong hố đen không thể giảm
bớt đi sự tự tin trong những tiên đoán vật lý [những tác động lên vũ
trụ xung quanh chúng]. Tương tự, có rất nhiều bí ẩn nằm sâu bên
trong hạt nhân nguyên tử, nhưng điều này không thể ngăn cản các
nhà vật lý tính toán ra tính chất của nguyên tử.5
Các nhà nghiên cứu đang kiểm tra lần cuối dụng cụ dò tìm tia X, loại bức xạ có thể cho thấy vị trí
của hố đen.
Bởi lẽ đó hố đen dường như có mối liên quan rất gần gũi tới các tính
chất và quá trình nguyên sinh và các quá trình của vũ trụ. Ví dụ, các
PAC - CLB Thiên văn Bách Khoa 9
- Đối Mặt với Bí Ẩn Tột Cùng Don Nardo
chứng cớ cho thấy lực hấp dẫn, quá trình tiến hóa của một tinh tú, sự
hình thành các thiên hà và các tác động của không gian lên thời gian
(và ngược lại) chỉ ra rằng tất cả đều có mối quan hệ tới con quái vật
này của vũ trụ. Và việc truy tìm câu trả lời cho những bí ẩn của hố đen
sẽ mở ra một chương thú vị mới cho những chiến công liên tục của
khoa học.
PAC - CLB Thiên văn Bách Khoa 10
- Lực Hấp Dẫn và Lời Tiên Đoán Ban Đầu về Hố Đen Don Nardo
Chûúng 1
Lûåc hêëp dêîn vaâ lúâi tiïn àoaán ban àêìu vïì höë àen
Hnhiềnaynghườui hkhôngọikhôngi chuyên nghe nói ếđtến hữốngđen.tNhưngỳrấlạt
iện ầ ết m ngườ đều đã
u không bi nh vậ thể k
này chính xác là cái gì và chúng có khả năng làm được những gì. Một
phần là do cái tên của nó hơi không chính xác. Hố đen không phải đơn
giản là một cái lỗ không có gì cả, hay trống rỗng, trong không gian, mà
là một thực thể trong vũ trụ với khối lượng rất lớn. (Khối lượng là đơn vị
đo lượng vật chất có trong một vật thể.) Một hố đen có cấu trúc lỗ hay
đường hầm; nhưng không trống rỗng, nó có các tính chất vật lý, những
thứ có thể đo được bằng các dụng cụ của con người.
Ví dụ, khối lượng lớn của hố đen tạo ra một trường hấp dẫn lớn mà
các nhà khoa học có thể phát hiện ra. Hấp dẫn là lực của tất cả vật chất
kéo các vật thể lại với nhau. Các vật thể nhỏ như các phân tử, đá cuội,
con người, nhà cửa và thậm chí cả bốn, lực hấp dẫn quá nhỏ để giác
quan con người nhận ra hay để các dụng cụ có thể đo đạc được; chỉ có
các hành tinh hay lớn hơn, lực hấp dẫn mới rõ ràng và đo đạc được. Ví
dụ, lực hấp dẫn của Trái Đất giữ Mặt Trăng quay quanh nó, và lực hấp
dẫn của Mặt Trời, ngôi sao nằm tại tâm hệ mặt trời của chúng ta, giữ
Trái Đất và các hành tinh khác quay quanh nó. Tương tự, hố đen tạo ra
lực hấp dẫn hút mọi thứ về phía nó khi chúng đến quá gần. “Thực tế,”
nhà thiên văn học Thomas T. Arny viết,
trường hấp dẫn tạo ra bởi một hố đen không khác các vật thể cùng
khối lượng khác. Ví dụ, nếu Mặt Trời bằng một cách nào đó bất ngờ
biến thành hố đen với khối lượng nó đang có [điều này không thể
xảy ra], Trái Đất vẫn sẽ quay quanh nó giống như bây giờ.6
“Tạo Vật của Hấp dẫn”
Hố đen không chỉ tạo ra một lực hấp dẫn cực lớn, chúng cũng đồng
thời có một quá trình dùng lực hấp dẫn nén một lượng lớn vật chất vào
một khoảng không gian rất nhỏ. Điều này làm cho chúng trở thành các
vật thể cực nặng, hay cực đặc. Cực nặng và khối lượng lớn là các vật
PAC - CLB Thiên văn Bách Khoa 11
- Lực Hấp Dẫn và Lời Tiên Đoán Ban Đầu về Hố Đen Don Nardo
thể có khối lượng lớn hơn nhiều so với cách hành tinh và sao thông
thường, chúng có khổi lượng nhỏ hơn. Thực tế, lực hấp dẫn của hố đen
lớn đến nỗi có thể cầm tù được cả ánh sáng, vật chất có vận tốc lớn
nhất trong tự nhiên. Đó là lý do vì sao hố đen lại có màu đen--không có
ánh sáng thoát ra để cho mắt người hay kính viễn vọng thấy được hinh
dạng nó.
Bức tranh của một thiên hà ở xa hiện rõ những đám mây khí quay tít.
Các nhà thiên văn học cho rằng đám mây khí ở giữa đang ẩn giấu một hố đen.
Dựa vào mối quan hệ giữa hố đen và lực hấp dẫn, hố đen có thể
được gọi là “tạo vật của hấp dẫn.” Vì không thể nghiên cứu hố đen nếu
không biết lực hấp dẫn hoạt động như thế nào, đặc biệt là đối với
trường hợp cực độ như vậy. Thực tế, phải mất nhiều năm miệt mài
nghiên cứu lực hấp dẫn hoạt động như thế nào thì các nhà khoa học
mới lần đầu xác định được sự tồn tại của hố đen, mặc dù tại thời điểm
PAC - CLB Thiên văn Bách Khoa 12
- Lực Hấp Dẫn và Lời Tiên Đoán Ban Đầu về Hố Đen Don Nardo
đó người ta không gọi nó là hố đen và cũng không có một mảnh bằng
chứng nào chứng tỏ sự tồn tại của chúng.
Phát Kiến về Lực Hấp Dẫn của Vũ Trụ
Lý thuyết đầu tiên về hấp dẫn xuất hiện vào năm 1666. Trước ngày
này, các nhà khoa học cho rằng lực giữ con người, nhà cửa, cây cối, và
núi non nằm vững chắc trên Trái Đất và lực giữ cho Trái Đất chuyển
động quanh Mặt Trời là các lực khác nhau riêng biệt. Sau đó một người
đàn ông xuất sắc người Anh tên Issac Newton chỉ ra rằng điều đó
không đúng; cùng lúc đó, ông giải thích lực hấp dẫn hoạt động như thế
nào.
Theo Newton, ông có ý tưởng về lực hấp dẫn lần đầu tiên khi ông
thấy một trái táo rơi từ trên cây xuống. Ông không ngạc nhiên về việc
trái táo rơi xuống và chạm mặt đất, tất nhiên, bởi vì đã có kinh nghiệm
từ lâu đời rằng có một năng lực bí ẩn nào đó luôn kéo mọi vật về phía
tâm Trái Đất. Thứ kích thích mối quan của ông là mối quan hệ giữa
khoảng cách và lực bí ẩn trên. Ông nảy ra suy nghĩ là dù có đứng trên
đỉnh núi cao nhất của thế giới và ném trái táo, nó cũng sẽ chắc chắn rơi
xuống như từ trên cành cây. Điều đó có nghĩa lực bí ẩn này đủ mạnh
để kéo một vật ở độ cao mười ngàn foot. Có thể lực này hút được cả
những vật xa hơn nữa.
Điều này dẫn Newton tới ý nghĩ về Mặt Trăng, nó cách chúng ta cả
trăm ngàn dặm. Có thể, ông suy luận, một lực tương tự làm trái táo rơi
đang kéo Mặt Trăng. Trong trường hợp này, Mặt Trăng đang “rơi” vào
Trái Đất và lý do duy nhất để hay thiên thể này không đụng vào nhau
đó là do Mặt Trăng liên tục chuyển động ra xa, vào không trung, đã
thoát khỏi, hay cân bằng, lực hút bí ẩn kia. Từ nhận thức logic (và đúng
đắn) này, không phải mất công nhiều lắm khi cho rằng một lực y hệt
cũng đang làm cho Trái Đất và các hành tinh khác di chuyển quanh Mặt
Trời. Newton kết luận rằng lực bí ẩn trên, ông gọi là lực hấp dẫn, tồn tại
xuyên suốt vũ trụ, và thậm chí đó là vũ trụ. Để cho thích hợp, ông đã
đặt tên thuyết mới của mình là định luật vạn vật hấp dẫn.
Bằng một phương trình đẹp đẽ, Newton đã biểu thị lực hấp dẫn giữa
hai vật thể phụ thuộc vào hai yếu tố-- khối lượng của các vật và khoảng
PAC - CLB Thiên văn Bách Khoa 13
- Lực Hấp Dẫn và Lời Tiên Đoán Ban Đầu về Hố Đen Don Nardo
cách giữa chúng. Một vật nhỏ với khối lượng nhỏ, ông chỉ ra, sẽ tác
động một lực hút rất bé lên vật khác; một vật rất lớn với khối lượng rất
lớn, như các hành tinh, sẽ tác động một lực hấp dẫn có thể đo đạc
được lên các vật khác. Cùng lúc đó, khoảng cách cũng tham gia vào.
Các vật thể càng xa, Newton nói, sẽ có lực hấp dẫn nhau càng yếu. Và
điều ngược lại cũng đúng, các vật thể càng gần thì hút nhau càng
mạnh. Điều này giải thích vì sao Mặt Trời dễ dàng tác động lực hút của
mình lên Trái Đất, vì nó nằm gần ngôi sao này, nhưng lực hấp dẫn của
Mặt Trời lại không có ý nghĩa gì tới các vì sao khác, vì chúng tồn tại ở
khoảng cách gấp khoảng cách từ Trái Đất tới Mặt Trời cả ngàn lần.
Nhà thiên văn học người Anh Issac Newton đã giới thiệu một phương trình toán học để tính
toán lực hấp dẫn của các vật thể.
PAC - CLB Thiên văn Bách Khoa 14
- Lực Hấp Dẫn và Lời Tiên Đoán Ban Đầu về Hố Đen Don Nardo
Định luật hấp dẫn của Newton làm một cuộc cách mạng cho vật lý
học, đặc biệt cho các nhà nhiên cứu vật lý và thiên văn. Nhà văn khoa
học John Gribbin đã viết:
Newton đã thật sự giải thích được lý do trái táo rơi và chuyển động
của Mặt Trăng chỉ bằng một định luật. Bằng hành động đó, ông đã
giải tỏa được bí ẩn về quy luật vận động của các thiên thể, và mở
mắt cho các nhà khoa học thực tế về quy luật của các hành tinh và
các ngôi sao--quy luật của cả vũ trụ-- có thể được giải thích bằng
một định luật vật lý, định luật mà từ nghiên cứu tới phòng thí
nghiệm được thực hiện ngay trên Trái Đất.7
Vận Tốc Thoát và Những Ngôi Sao Vô Hình
Một trong những vấn đề liên quan tới định luật hấp dẫn của Newton
đó là nó chắc chắn dẫn đến một khái niệm cơ bản về một thứ mà ngày
nay chúng ta gọi là hố đen. Khi nghiên cứu về lực hấp dẫn, một số
thành công tức thì của ông chỉ về điều kiện để thoát khỏi lực hút.
Phương trình của Newton chỉ ra tại sao Trái Đất chuyển động quanh
Mặt Trời mà không bị rơi vào nó; cụ thể, là hành tinh chuyển động ra
xa Mặt Trời nhưng chỉ với vận tốc đủ để cân bằng với lực hấp dẫn mạnh
mẽ kia. Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu Trái Đất đột ngột tăng tốc, vài nhà
khoa học thắc mắc? Một cách hợp lý, nó sẽ vượt khỏi lực hấp dẫn của
Mặt Trời và thoát khỏi sự ràng buộc của ngôi sao.
Vận tốc của một vật thể cần để có thể thoát khỏi lực hấp dẫn của
vật thể khác gọi là vận tốc thoát. Vận tốc thoát của Trái Đất, ví dụ, là
khoảng bảy dặm trên giây, điều đó có nghĩa là một tên lửa hay tàu vũ
trụ phải đạt được vận tốc đó mới thoát khỏi lực hút Trái Đất. Ngược lại,
một tên lửa bay với vận tốc bảy dặm trên giây trên Sao Mộc sẽ không
thoát khỏi hành tinh này. Nguyên nhân là vì Sao Mộc nặng hơn nhiều so
với Trái Đất bởi vậy nó có lực hấp dẫn lớn hơn nhiều. “Vận tốc thoát
của các thế giới khác nhau thì khác nhau,” nhà văn khoa học nổi tiếng
Issac Amov giải thích.
Một thế giới nhẹ hơn Trái Đất… có vận tốc thoát trên bề mặt thấp
hơn…. Mặt khác, những thế giới nặng hơn Trái Đất sẽ có vận tốc
thoát lớn hơn. Không ngạc nhiên khi trong hệ các hành tinh, Sao
PAC - CLB Thiên văn Bách Khoa 15
- Lực Hấp Dẫn và Lời Tiên Đoán Ban Đầu về Hố Đen Don Nardo
Mộc lại có vận tốc thoát lớn nhất…. Trên bề mặt Sao Mộc, vận tốc
thoát lớn hơn 5,4 lần vận tốc thoát trên bề mặt Trái Đất.8
Trong những năm 1700, vài nhà khoa học có những suy nghĩ đáng
kể về ý tưởng rằng vật thể có khối lượng càng lớn sẽ có vận tốc thoát
càng lớn. Một trong những nhà nghiên cứu này là nhà thiên văn học
người Anh John Michell, ông đã nghiên cứu một cách tỷ mỉ về đặc tính
của những ngôi sao. Rõ ràng có nhiều ngôi sao trên trời có khối lượng
lớn hơn Mặt Trời. Michell không biết liệu có giới hạn trên cho kích thước
của các ngôi sao không. Nhưng ít nhất theo lý thuyết, ông đề xuất, tồn
tại những ngôi sao với khối lượng kinh khủng, và như vậy, lực hấp dẫn
của chúng sẽ là khổng lồ. Thêm nữa, vận tốc thoát của những ngôi sao
lớn như vậy cũng vì vậy mà sẽ rất lớn.
John Michell:
Nhà Tiên Phong bị Quên Lãng
Người đầu tiên nhận ra rằng những thiên thể như hố đen có thể tồn tại--nhà
khoa học người Anh John Michell--bây giờ hầu như bị quên lãng hoàn toàn, trừ
các nhà thiên văn học. Trong đoạn trích dưới đây từ cuốn In Search of the Edge
of Time (khảo sát bên rìa thời đại), viết bởi nhà văn khoa học John Gribbin mô tả
về công việc cũng như đóng góp của Michell vào khoa học.
Sinh ra vào năm 1724, Michell… vẫn được biết như là cha đẻ của
ngành địa chấn học [nghiên cứu về động đất]. Ông học ở trường
Đại Học Cambrige, tốt nghiệp năm 1752, và lòng đam mê tới
động đất của ông được hình thành từ một cơn chấn động thảm
khốc tấn công Lisbon (Bồ Đào Nha) năm 1755. Michell đã chứng
minh cơn chấn động kia chắc chắn bắt nguồn từ một trận động
đất ở tâm nằm dưới Đại Tây Dương. Ông trở thành Giáo Sư
Woodwarian tại viện Địa Lý Cambrige năm 1762, một năm sau
khi làm cử nhân thần học…. Michell có nhiều đóng góp cho thiên
văn học, bao gồm việc ược đoán thực sự khoảng cách của một
ngôi sao ở xa, và đề xuất một số cặp sao thấy vào bầu trời
đêm… thật sự là “sao nhị phân,” đang có quỹ đạo quay quanh
nhau…. Đề cập đầu tiên về các ngôi sao tối [ví dụ, hố đen] được
Michell thảo trên giấy tờ khi đọc cuốn Khoa học Hoàng gia…
năm 1783. Đây là một bài luận chi tiết và đồ sộ về cách nghiên
cứu tính chất của các ngôi sao, bao gồm khoảng cách, kích
thước, khối lượng, bằng cách đo ảnh hưởng của lực hấp dẫn lên
ánh sáng phát ra từ bề mặt của chúng.
PAC - CLB Thiên văn Bách Khoa 16
- Lực Hấp Dẫn và Lời Tiên Đoán Ban Đầu về Hố Đen Don Nardo
Điều này dẫn Michell tới một suy nghĩ vận tốc thoát lớn nhất mà một
ngôi sao có thể có được là bao nhiêu. Và với hệ quả của dòng suy luận
logic này, ông tự hỏi không biết điều gì sẽ xảy ra nếu một ngôi sao có
vận tốc thoát đạt tới vận tốc ánh sáng-- 186.000 dặm trên giây. Trong
trường hợp đó, ông kết luận, ngay cả ánh sáng cũng không thoát khỏi
ngôi sao này. Trong một bài báo xuất bản năm 1784, ông viết: “nếu
trong tự nhiên thật sự tồn tại các thiên thể mà… đường kính lớn hơn
500 lần Mặt Trời,” chúng sẽ có lực hấp dẫn và vận tốc thoát khổng lồ.
Vì vậy, ”tất cả ánh sáng phát ra từ nó sẽ bị hút quay trở lại bằng sức
mạnh khổng lồ của lực hấp dẫn của chính mình.” Và vì ánh sáng không
thể thoát khỏi ngôi sao, “chúng ta không thể có thông tin nhìn thấy
được gì từ nó.”9 Nói cách khác, ngôi sao có thể tối và vì vậy vô hình
trước mắt người và kính viễn vọng. Bằng một cách thích đáng, Michell
gọi chúng là “sao tối.”
Michell không phải là nhà khoa học duy nhất ở thời điểm này bị mê
hoặc bởi tác dụng của lực hấp dẫn khổng lồ. Trong năm 1975 nhà khoa
học người Pháp Pierre-Simon Laplace đề cập tới tính toán tương tự một
cách độc lập. Ông viết
Ở đâu đó trên bầu trời, có thể tồn tại những thiên thể không thể
nhìn thấy được với số lượng lớn, và cũng có thể rất lớn, như các vì
sao. Một ngôi sao tỏa sáng với mật độ [dày đặc] như Trái Đất, và có
đường kính gấp hai trăm năm mươi lần Mặt Trời, vì [lực] hấp dẫn
của mình, sẽ không cho các tia [sáng] của nó tới chúng ta; vì vậy có
khả năng các thiên thể lớn nhất trong vũ trụ có thể, vì nguyên nhân
này, mà vô hình.10
Dựa trên những tính toán này, ông gọi những thiên thể giả thuyết
này là les corps obscures, hay “những thiên thể vô hình.”
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
PAC - CLB Thiên văn Bách Khoa 17
- Lực Hấp Dẫn và Lời Tiên Đoán Ban Đầu về Hố Đen Don Nardo
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 học đều
chấp nhận không gian là trống rỗng và không có tính chất gì để tác
PAC - CLB Thiên văn Bách Khoa 18
- Lực Hấp Dẫn và Lời Tiên Đoán Ban Đầu về Hố Đen Don Nardo
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.
PAC - CLB Thiên văn Bách Khoa 19
- Lực Hấp Dẫn và Lời Tiên Đoán Ban Đầu về Hố Đen Don Nardo
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 con tạo ra một sự khuấy động mạnh
trong giới khoa học. Nhiều nhà vật lý học, thiên văn học, và các nhà
PAC - CLB Thiên văn Bách Khoa 20
nguon tai.lieu . vn
