Chương 3 -Uốn cong và lượn sóng(8)

Điểm trung tâm của lỗ đen

Để có một ý niệm về những thang tột bậc có liên quan, lưu ý rằng một ngôi sao có khối lượng như Mặt Trời sẽ trở thành lỗ đen nếu bán kính của nó không có giá trị như bán kính Mặt Trời bằng 700.000 km mà rút lại chỉ còn khoảng 3km. Hãy tưởng tượng: toàn bộ Mặt Trời được ép lại như thế có thể đặt vừa khéo trong vùng Thượng Manhattan. Một thìa “đất” Mặt Trời khi đó nặng ngang cả ngọn núi Everest. Còn để biến Trái Đất thành một lỗ đen thì phải nén nó lại thành một quả cầu bán kính chưa đầy 1 centimét. Một thời gian khá dài, các nhà vật lý hoài nghi, không biết những cấu hình có tính cực đoan như vậy của vật chất liệu có thực sự tồn tại hay không và nhiều người đã nghỉ rằng lỗ đen chẳng qua chỉ phản ánh trí tưởng tượng đã quá mệt mỏi của các nhà lý thuyết.

Tuy nhiên, trong suốt chục năm trở lại đây, những bằng chứng thực nghiệm ngày càng có sức thuyết phục hơn về sự tồn tại của lỗ đen đã được tích tụ dần. Tất nhiên, vì chúng là đen nên không thể quan sát chúng bằng cách quét các kính thiên văn ngang qua bầu trời được. Thay vì thế, các nhà thiên văn tìm kiếm các lỗ đen bằng cách phát hiện những hành vi dị thường của các ngôi sao phát sáng bình thường hơn có thể ở ngay bên ngoài chân trời sự kiện của một lỗ đen nào đó. Ví dụ, khi bụi và khí ở những lớp ngoài của ngôi sao bình thường sức bị hút về phía chân trời sự kiện của lỗ đen, chúng sẽ được gia tốc tới gần vận tốc ánh sáng. Với vận tốc lớn như thế, lực ma sát trong dòng vật chất cuộn xoáy đó sẽ phát sinh một lượng nhiệt rất lớn, làm cho hỗn hợp khí và bụi đó “nóng sáng” phát ra ánh sáng thấy được thông thường và các tia X. Vì bức xạ này được tạo ra ở ngay bên ngoài chân trời sự kiện của lỗ đen, nên có thể thoát ra ngoài và truyền qua không gian đến các đài quan sát trên Trái Đất và được nghiên cứu trực tiếp tại đó. Thuyết tương đối rộng cũng đã đưa những tiên đoán chi tiết về tính chất của bức xạ tia X đó và sự quan sát những tính chất này sẽ cho ta những bằng chứng mạnh mẽ, mặc dù là gián tiếp, về sự tồn tại của các lỗ đen. Ví dụ, ngày càng có nhiều bằng chứng chỉ ra rằng có một lỗ đen rất nặng, có khối lượng lớn gấp 2,5 triệu lần khối lượng Mặt Trời, nằm ngay ở tâm dải Ngân Hà của chúng ta. Tuy nhiên, lỗ đen khổng lồ này còn chưa là gì so với các lỗ đen mà các nhà thiên văn tin rằng chúng nằm ở lõi các quasar sáng khác thường ở rải rác trong khắp Vũ trụ: đó là những lỗ đen nặng gấp hàng tỷ lần Mặt Trời.

Chỉ ít tháng sau khi tìm ra lời giải của mình Schwarzchild đã qua đời do một căn bệnh về da mà ông mắc phải tại mặt trận Nga. Năm đó ông mới 42 tuổi. Cuộc gặp gỡ ngắn ngủi nhưng đầy bi kịch của ông với lý thuyết hấp dẫn của Einstein đã làm phát lộ một trong số những khía cạnh bí ẩn và lạ lùng nhất của thế giới tự nhiên.

Ví dụ thứ hai cho thấy sức mạnh của thuyết tương đối rộng lại với nhau, nhiệt độ tăng lên khủng khiếp, những ngôi sao sẽ tan rã và tạo thành một thứ plasma nóng gồm các hạt sơ cấp của vật chất. Khi cấu trúc tiếp tục co lại, mật độ cũng tăng lên một cách khủng khiếp, hoàn toàn giống như mật độ của plasma nguyên thủy. Khi chúng ta hình dung lần ngược trở lại theo thời gian từ tuổi hiện nay của Vũ trụ quan sát được (khoảng 15 tỷ năm), Vũ trụ như chúng ta biết sẽ co lại tới một kích thước cực nhỏ. Vật chất tạo ra vạn vật - tất cả xe hơi, nhà cửa, cao ốc, núi non trên mặt đất và cả bản thân Trái Đất, Mặt Trăng, sao Thổ, sao Mộc và tất cả các hành tinh khác; rồi Mặt Trời cùng với tất cả các ngôi sao khác trong Ngân Hà; tới thiên hà Andromeda với một trăm tỷ ngôi sao cùng với tất cả các ngôi sao của hơn 100 tỷ thiên hà khác - tất thảy đều bị nén lại tới một mật độ lớn kinh khủng. Và khi lần ngược tới những thời điểm còn sớm hơn nữa, Vũ trụ sẽ được nén lại tới kích thước cỡ như hạt cát và còn nhỏ hơn nữa. Và khi ngoại suy tới “điểm bắt đầu”, thì Vũ trụ dường như chỉ còn là một điểm - hình ảnh mà chúng ta sẽ xem xét lại một cách có phê phán ở chương sau - trong đó toàn bộ vật chất và năng lượng bị nén tới một mật độ và nhiệt độ lớn không thể tưởng tượng nổi. Người ta tin rằng, quả cầu lửa vũ trụ, tức Big Bang, sẽ bùng nổ từ cái hỗn hợp ấy và tung ra những hạt giống mà sau đó tiến hóa thành Vũ trụ như chúng ta biết ngày nay.

Hình ảnh Big Bang như một vụ nổ bắn ra toàn bộ vật chất của Vũ trụ giống như những mảnh của một quả bom nổ văng ra là một hình ảnh hữu ích cần ghi nhận, nhưng cũng dễ dẫn đến hiểu lầm. Khi một quả bom nổ, thì điều đó diễn ra tại một địa điểm cụ thể trong không gian và ở một thời điểm cụ thể trong thời gian. Đồng thời các mảnh của nó văng ra trong không gian xung quanh. Trong khi Big Bang, không có không gian xung quanh nào hết. Khi chúng ta lần ngược lại sự tiến hóa đến thời điểm bắt đầu, sự nén lại cùng nhau của toàn bộ vật chất xảy ra là do toàn bộ không gian cũng bị nén lại. Kích thước quả táo, kích thước hạt đậu và kích thước hạt cát khi lùi dần trở về thời điểm ban đầu là toàn bộ Vũ trụ, chứ không phải là một vật gì đó trong Vũ trụ. Ở thời điểm ban đầu, đơn giản là không có không gian bên ngoài quả bom nguyên thủy nhỏ xíu đó. Thay vì, Big Bang là sự phun ra không gian đã bị nén ép và sự bung ra của nó, giống như sóng thủy triều, đã mang đi theo vật chất và năng lượng cho tới tận hôm nay.