Thuyết tương đối rộng: Vũ
trụ giãn nở
Một trong những tiên đoán kì lạ nhất của thuyết tương đối rộng ra đời khi
chúng ta xét cái xảy ra với vũ trụ xem như một tổng thể.
Không bao lâu sau khi Einstein công bố lí thuyết của ông, nhà khí tượng học
và toán học người Nga Alexander Friedmann và vị linh mục người Bỉ Georges
Lemaître đã chỉ ra rằng vũ trụ sẽ phát triển trước toàn bộ năng lượng mà nó chứa.
Họ cho rằng vũ trụ lúc bắt đầu phải nhỏ và đặc, và giãn nở và loãng dần theo thời
gian. Kết quả là các thiên hà sẽ trôi giạt ra xa nhau.
Thoạt đầu, Einstein hoài nghi kết luận đó của Friedmann và Lemaître, ông
nghiêng về một vũ trụ tĩnh tại. Nhưng một khám phá bơi nhà thiên văn học người
Mĩ Edwin Hubble đã làm thay đổi suy nghĩ của ông.
Vũ trụ thời sơ khai (Ảnh: NASA/Đội Khoa học WMAP)
Hubble phân tích các thiên hà lùi ra xa Dải Ngân hà như thế nào. Ông nhận
thấy các thiên hà ở xa di chuyển ra xa nhanh hơn các thiên hà tương đối ở gần. Các
quan sát của Hubble chứng tỏ rằng vũ trụ thật sự đang giãn nở. Mô hình vũ trụ này
sau đó được gọi tên là Big Bang (Vụ nổ Lớn).
Trong hơn 20 năm qua, vô số các quan sát thực hiện bởi các vệ tinh và các
kính thiên văn cỡ lớn đã xác nhận thêm bằng chứng cho một vũ trụ đang giãn nở
và phát triển. Chúng ta đã thu được một số đo chính xác của tốc độ giãn nở của vũ
trụ và nhiệt độ của “bức xạ tàn dư” để lại từ thời Big Bang, và chúng ta đã có thể
quan sát các thiên hà trẻ khi vũ trụ ở trong giai đoạn trứng nước của nó. Ngày nay,
người ta chấp nhận rằng vũ trụ khoảng chừng 13,7 tỉ năm tuổi.
Thuyết tương đối rộng:
Các lỗ đen
Không bao lâu sau khi Einstein đề xuất lí thuyết tương đối rộng của ông, một
nhà vật lí người Đức tên là Karl Schwarzschild đã tìm ra một trong những nghiệm
đầu tiên và quan trọng nhất của các phương trình trường Einstein. Ngày nay được
gọi là nghiệm Schwarzschild, nó mô tả hình dạng của không-thời gian xung quanh
các ngôi sao cực kì đặc – và nó có một số đặc điểm rất kì lạ.
Trước tiên, ở ngay tại tâm của những vật thể như vậy, độ cong của không-
thời gian trở nên vô hạn – tạo ra một đặc điểm gọi là một kì dị. Một đặc điểm còn lạ
hơn nữa là một mặt cầu không nhìn thấy, gọi là chân trời sự cố, bao xung quanh
điểm kì dị đó. Không có gì, kể cả ánh sáng, có thể thoát ra khỏi chân trời sự cố. Bạn
hầu như có thể nghĩ điểm kì dị Schwarzschild là một cái lỗ trong cấu trúc của
không-thời gian.
Đài thiên văn tia X Chandra đã xác nhận các ý tưởng dựa trên nền thuyết
tương đối của chúng ta về vũ trụ. (Ảnh: Trung tâm Đài thiên văn tia X Chadra)
Vào những năm 1960, nhà toán học người New Zealand Roy Kerr đã phát
hiện ra một họ nghiệm tổng quát hơn cho các phương trình trường Einstein.
Những nghiệm này mô tả những vật thể đang quay tròn, và chúng còn kì lạ hơn cả
nghiệm Schwarzschild.
Các vật thể mà các nghiệm Schwarzschild và Kerr mô tả được gọi là các lỗ
đen. Mặc dù không có lỗ đen nào từng được trông thấy trực tiếp, nhưng có bằng
chứng không thể chối cãi rằng chúng tồn tại. Chúng thường được phát hiện ra qua
tác dụng mà chúng để lại trên các vật thể thiên văn lân cận như các ngôi sao hay
chất khí.
Những lỗ đen nhỏ nhất có thể được tìm thấy xuất hiện cùng với các ngôi sao
bình thường. Khi ngôi sao quay xung quanh lỗ đen, nó từ từ bị hút lấy một phần
vật chất và phát ra tia X. Lỗ đen đầu tiên như vậy được quan sát thấy là Sygnus X-1,
và hiện nay có một số cặp đôi tia X đã được xác định rõ ràng với các lỗ đen chừng
bằng 10 lần khối lượng mặt trời.
Bằng chứng cho những lỗ đen lớn hơn nhiều xuất hiện trong thập niên 1960
khi một số vật thể rất sáng và xa xôi đã được quan sát thấy trên bầu trời. Gọi là các
quasar, chúng phát sinh từ các lỗ đen bị phá hủy có vẻ sinh ra tại lõi của các thiên
hà. Chất khí ở chính giữa của một thiên hà hình thành nên một đĩa xoáy tít khi nó
bị hút vào trong lỗ đen. Sức mạnh của lực hút của lỗ đen làm xoáy tít chất khí làm
phát ra những lượng năng lượng khổng lồ có thể nhìn thấy ở cách xa nhiều tỉ năm
ánh sáng. Các ước tính hiện nay đặt những lỗ đen này nằm trong khoảng giữa một
triệu và một tỉ lần khối lượng của mặt trời. Kết quả là chúng được gọi là các lỗ đen
siêu khối lượng.
Bằng chứng hiện nay ủng hộ cho việc có một lỗ đen siêu khối lượng nằm tại
tâm của mỗi thiên hà, trong đó có thiên hà của chúng ta. Thật vậy, các quan sát quỹ
đạo của các sao nằm gần tâm của Dải Ngân hà cho thấy chúng đang chuyển động
trong những quỹ đạo ngày càng thu hẹp lại. Những quỹ đạo này có thể hiểu được
nếu không-thời gian mà chúng tồn tại trong đó bị bóp méo đáng kể bởi sự có mặt
của một lỗ đen siêu khối lượng gấp hơn 4 triệu lần khối lượng của mặt trời.
Bất chấp tên gọi của chúng, nhà vật lí người Anh Stephen Hawking đã chỉ ra
rằng các lỗ đen có lẽ không hoàn toàn đen. Ông cho rằng, ở gần chân trời sự cố, sự
sản sinh lượng tử của các hạt và phản hạt có thể dẫn tới một sự phát sáng rất yếu.
Lóe sáng này, trở nên nổi tiếng là bức xạ Hawking, cho đến nay chưa được phát
hiện ra vì nó quá mờ nhạt. Nhưng, theo năm tháng, bức xạ Hawking sẽ đủ để lấy
hết năng lượng và khối lượng ra khỏi một lỗ đen, làm cho toàn bộ các lỗ đen cuối
cùng bị bốc hơi và biến mất.
