Cuộc du hành vào lỗ đen (Bài 3)
Bạn cũng cần nhớ rằng thuyết tương đối rộng của Einstein mô tả lực thuỷ triều này là do sự cong của không gian và thời gian, hay, theo ngôn ngữ của Einstein, gọi là sự cong của không-thời gian, gây ra. Lực thuỷ triều và sự biến dạng của không-thời gian luôn luôn đi cùng nhau; yếu tố này luôn xuất hiện kèm theo yếu tố kia, tuy nhiên trong trường hợp thuỷ triều đại dương, sự cong của không-thời gian quá nhỏ bé để có thể đo được bằng các thiết bị còn quá ư là sơ sài như hiện nay.
Còn Arnold thì sao? Tại sao anh ta có thể dễ dàng vượt qua được ảnh hưởng của lực thuỷ triều một cách vô tư như vậy? Vì 2 lý do, DAWN giải thích: trước hết, Anorld có kích thước nhỏ hơn nhiều so với bạn, chỉ vỏn vẹn có 10 centimet chiều cao, và lực thuỷ triều (độ chênh lệch giữa lực hấp dẫn kéo ở đầu và chân anh ta) nhỏ hơn tương ứng; thứ hai, vì tên Robot này được chế tạo từ hợp kim titan siêu bền cho phép nó có thể chịu đựng được lực kéo giãn tốt hơn nhiều so với xương cốt và da thịt của bạn.
Sau đó bạn kinh hoàng nhận ra rằng, khi anh ta rơi qua đường chân trời và đi vào trong vùng kỳ dị, Arnold buộc phải cảm thấy lực thuỷ triều tăng dần độ mạnh cho đến khi thậm chí cơ thể titan siêu bền của anh cũng không thể chống cự được lực thuỷ triều. Chưa đầy 0,0002 giây sau khi vượt qua đường chân trời, cơ thể đã bị xé nát của anh ta đã đến gần kỳ dị trung tâm của lỗ đen. Ở đó, bạn có thể nhớ lại những gì bạn đã học về thuyết tương đối rộng ở trái đất, lực thuỷ triều có thêm sức sống, nó nhảy một vũ điệu điên cuồng, cơ thể Arnold vẫn giữ nguyên hướng trôi lúc đầu, nhưng sau đó chuyển sang một hướng khác, ngày càng nhanh, ngày càng mạnh mẽ, cho đến khi ngay cả những phân tử riêng rẽ cấu thành nên cơ thể của anh ta cũng bị tách rời thành từng mảnh. Đó thực sự là một tính chất của kỳ dị: Nó là một vùng mà độ cong của không-thời gian dao động một cách hỗn loạn tạo ra những lực thuỷ triều kinh rợn.
Trầm ngâm về toàn bộ lịch sử nghiên cứu lỗ đen, bạn nhớ lại rằng vào năm 1965, nhà vật lý người Anh Roger Penrose đã sử dụng mô tả các định luật vật lý dựa trên thuyết tương đối rộng để chứng minh rằng kỳ dị phải tập trung bên trong mọi lỗ đen và năm 1969, nhóm ba nhà vật lý danh tiếng của nước Nga gồm Lifshitz, Khalatnikov và Belinsky đã sử dụng nó để suy ra rằng ở rất gần điểm kỳ dị, lực thuỷ triều phải thăng giáng một cách hỗn loạn, hệt như chiếc kẹo bơ bị kéo từ bên này sang bên kia bởi một cỗ máy làm kẹo. Đó là những năm vàng của nghiên cứu lý thuyết về lỗ đen, thập kỷ 60 và thập kỷ 70! Nhưng do những nhà vật lý của những năm vàng này không đủ thông minh để giải phương trình của thuyết tương đối tổng quát của Einstein, nên họ đã không phát hiện ra một đặc điểm then chốt của lỗ đen. Họ chỉ có thể phỏng đoán rằng bất kỳ khi nào một ngôi sao co sập lại tạo ra một kỳ dị, thì nó cũng phải tạo ra một đường chân trời bao quanh để che giấu kỳ dị đó trước những cái nhìn tò mò của nhân loại; Penrose gọi điều này là “phỏng đoán về sự kiểm duyệt vũ trụ” bởi vì, nếu nó đúng, nó sẽ kiểm duyệt tất cả các thông tin thực nghiệm về các kỳ dị. Người ta sẽ không bao giờ có thể làm các thí nghiệm để kiểm tra sự am hiểu lý thuyết của mình về các kỳ dị, nếu không thì người ta sẽ rất vui lòng trả giá cho việc được bước vào một lỗ đen, chết trong khi thực hiện những phép đo, cho dù không thể gửi những kết quả trở ra khỏi lỗ đen như một kỷ vật về những nỗ lực của người đó.
Mặc dù Dame Abygaile Lyman, vào năm 2003, cuối cùng đã giải quyết được vấn đề phỏng đoán về sự kiểm duyệt vũ trụ là đúng hay sai, nhưng lời giải này hoàn toàn không liên quan đến bạn bây giờ. Chỉ những kỳ dị được ghi trên tập bản đồ của bạn là nằm trong các lỗ đen, và bạn từ chối trả giá bằng cái chết của mình để khám phá chúng.
May mắn thay, bên ngoài mặc dù gần đường chân trời của một lỗ đen nhưng cũng có rất nhiều hiện tượng để chúng ta khám phá. Bạn được yêu cầu tự mình thực hiện các thí nghiệm và báo về cho Hội Địa lý thế giới, nhưng bạn không thể kiểm chứng được chúng khi gần đường chân trời của lỗ đen Hades. Lực thuỷ triều quá lớn. Thay vào đó, bạn phải khám phá một lỗ đen với lực thuỷ triều yếu hơn.
Thuyết tương đối rộng tiên đoán, DAWN nhắc nhở bạn rằng khi một lỗ đen tăng thêm khối lượng của nó thì các lực thuỷ triều tại đường chân trời và ở trên đường chân trời sẽ yếu đi. Biểu hiện có vẻ như nghịch lý này bắt nguồn từ lý do vô cùng đơn giản: Lực thuỷ triều tỉ lệ với khối lượng của lỗ đen chia cho lập phương của chu vi của nó; vì vậy khi khối lượng tăng, chu vi đường chân trời tăng thêo cùng tỷ lệ, lực thuỷ triều gần đường chân trời trên thực tế sẽ giảm. Với một lỗ đen có khối lượng bằng một triệu khối lượng mặt trời, có nghĩa là, 100,000 lần lớn hơn khối lượng của Hades, đường chân trời sẽ lớn hơn 100,000 lần và lực thuỷ triều sẽ nhỏ đi 10 tỷ lần (10 10lần). Điều đó dễ chịu hơn nhiều, chẳng đau đớn chút nào!!! Chẳng có lý do gì cản trở bạn lập kế hoạch cho một chặng mới của cuộc hành trình: một chuyến du hành đến lỗ đen gần nhất có khối lượng bằng một triệu khối lượng mặt trời được nói đến trong lập atlas về lỗ đen của Schechter - một lỗ đen có tên Sagittario nằm tại tâm của Thiên Hà của chúng ta (Ngân Hà), cách đây 30.100 năm ánh sáng.
Vài ngày trước, phi hành đoàn của bạn đã chuyển về trái đất một mô tả chi tiết về cuộc khám phá Lỗ đen Hades, bao gồm những đoạn video quay cảnh tượng bạn bị kéo giãn một cách khổ sở bởi các lực thuỷ triều cũng như những bức ảnh chụp hàng triệu phân tử đang lao như điên như dại vào trong lỗ đen. Những mô tả này sẽ mất khoảng 26 năm để vượt qua khoảng cách 26 năm ánh sáng để trở về trái đất, và cuối cùng khi đến được trái đất nó sẽ được công bố trên toàn cầu với những phô trương ầm ỹ của Hội Địa lý thế giới.
Trong thông báo này, phi hành đoàn cũng nói sơ lược về kế hoạch của bạn chuẩn bị cho cuộc viếng thăm vùng trung tâm Ngân Hà: Tên lửa của con tàu vũ trụ sẽ giảm cường độ phóng để đạt được gia tốc 1-g, do vậy bạn và phi hành đoàn có thể cảm nhận được sự thoải mái của trường hấp dẫn giống như ở trái đất ngay bên trong con tàu. Tàu vũ trụ sẽ tăng tốc về phía trung tâm thiên hà trong một phần hai cuộc hành trình, sau đó nó quay ngược lại một góc 180 độ và giảm tốc độ với gia tốc -1g trong một nửa quãng đường còn lại. Toàn bộ chuyến đi dài 30.100 năm ánh sáng sẽ ngốn của bạn 30.102 năm theo như cách tính toán trên trái đất; nhưng nếu tính trong hệ quy chiếu của tàu vũ trụ thì chỉ mất có 20 năm mà thôi. Điều đó phù hợp với những định luật của Einstein trong thuyết tương đối hẹp, tốc độ cao của con tàu sẽ ảnh hưởng đến sự trôi của thời gian, khi đo trong hệ quy chiếu tàu, thời gian “giãn nở ra”; và sự giãn nở của thời gian này, thực tế, sẽ khiến cho con tàu du hành xử sự hệt như một cỗ máy thời gian, đưa bạn tiến xa vào tương lai của trái đất trong khi tuổi đời của bạn còn rất khiêm tốn so với thước đo hàng triệu năm của vũ trụ.
Bạn giải thích với Hội Địa lý thế giới rằng thông báo tiếp theo của bạn sẽ trở về từ vùng lân cận của trung tâm Ngân Hà, sau khi bạn đã khám phá ra lỗ đen có khối lượng một triệu lần mặt trời, lỗ đen Sagittario. Những thành viên của Hội có lẽ sẽ phải trải qua một giấc ngủ đông dài đến 60.186 năm nếu họ muốn sống sót để tiếp nhận những thông báo này của bạn (30.102-26=30.076 năm từ lần họ nhận được những tin nhắn của bạn đến khi bạn tiếp cận được trung tâm Ngân Hà, cộng thêm 30.110 năm để thông báo tiếp theo của bạn vượt qua chặng đường dài từ tâm Ngân Hà trở về trái đất.
Sagittario
Sau cuộc hành trình 20 năm đằng đẵng theo hệ thời gian của tàu vũ trụ, con tàu của bạn giảm tốc độ để tiến vào bên trong tâm Thiên Hà. Ở khoảng cách này, bạn có thể nhìn thấy một hỗn hợp vô cùng phong phú của khí và bụi vũ trụ đang chảy vào bên trong một lỗ đen khổng lồ từ mọi phương hướng. Kares điều chỉnh tên lửa giảm tốc độ để đưa con tàu vào một quỹ đạo tròn ở trên khá xa đường chân trời. Bằng cách đo chu vi và chu kỳ chuyển động của bạn trên quỹ đạo, sau đó thay vào các công thức cổ điển của Newton , bạn tính được khối lượng của lỗ đen. Nó bằng một triệu lần khối lượng của mặt trời, đúng như những số liệu được in trong tập atlas về lỗ đen của Schechter. Do không có những hiện tượng xoáy lốc trong dòng các khí và bụi đang cuốn vào lỗ đen, bạn suy ra rằng lỗ đen này quay không đáng kể lắm; đường chân trời của nó, như vậy, phải có dạng cầu và chu vi là 18,5 triệu kilômét, tám lần lớn hơn chu vi quỹ đạo của mặt trăng quay xung quanh trái đất.
Sau khi khảo sát kỹ lưỡng hơn dòng khí cuốn vào lỗ đen, bạn chuẩn bị để hạ xuống gần đường chân trời. Để an toàn hơn, Kares thiết lập một liên kết thông tin bằng laser giữa khoang du hành của bạn và máy tính chủ DAWN đặt tại tàu vũ trụ. Sau đó, bạn thoát ra khỏi bụng tàu, quay đầu của thiết bị thám hiểm nhỏ bé về hướng chuyển động tròn trên quỹ đạo, và bắt đầu từ từ giảm động cơ để chuyển động quỹ đạo chậm dần đẩy bạn theo quỹ đạo xoắn ốc vào phía trong.
Tất cả diễn ra đều đúng như mong đợi cho đến khi bạn tới gần quỹ đạo có chu vi 55 triệu kilômét - chỉ bằng ba lần chu vi của đường chân trời. Động cơ tên lửa giảm dần, thay vì bạn lái chậm rãi theo những quỹ đạo tròn của đường xoắn ốc, bạn lại bị kéo tuột một cách chết người thẳng vào bên trong đường chân trời. Trong tình trạng hoảng loạn đến tột độ, bạn quay tàu thám hiểm và tăng tốc mạnh để di chuyển về quỹ đạo ngoài 55 triệu kilômét.
“Cái khỉ gió gì đã diễn ra vậy!!???” - bạn tức tối hỏi DAWN qua liên kết laser.
“Tikhii, tikhii,” cô ta dịu dàng trả lời đầy vô cảm. “Anh đã lập trình cho quỹ đạo của anh bằng cách sử dụng định luật vạn vật hấp dẫn của Newton . Nhưng những lý thuyết của Newton chỉ là dạng gần đúng của các định luật hấp dẫn thực sự được tạo lập trong vũ trụ mà thôi. Nó là một phép gần đúng tuyệt vời chỉ khi chúng ta ở cách xa đường chân trời. Chính xác hơn rất nhiều là dùng thuyết tương đối rộng của Einstein; chúng phù hợp hơn nhiều với các định luật hấp dẫn thực sự ở gần đường chân trời, và chúng dự đoán rằng, khi anh ở gần đường chân trời, lực hấp dẫn trở nên mạnh mẽ hơn nhiều so với những gì Newton đã từng nghĩ đến. Để duy trì được trên quỹ đạo tròn, lực hấp dẫn ngày càng tăng này phải cân bằng với lực quán tính ly tâm, và như vậy anh phải làm mạnh thêm lực ly tâm tác dụng lên con tàu, điều đó có nghĩa là phải tăng tốc độ chuyển động của quỹ đạo quanh lỗ đen: Khi anh vượt qua quỹ đạo ba lần chu vi của đường chân trời, anh phải quay con tàu và tăng động cơ đẩy mạnh về phía trước. Nhưng do, thay vì làm thế, anh lại cho động cơ đẩy lùi lại phía sau, làm chậm chuyển động của anh lại, nên trường hấp dẫn đã áp đảo lực ly tâm của anh khi anh vượt qua quỹ đạo ba lần chu vi đường chân trời và hút mạnh anh về phía lỗ đen”.
“Cái máy tính chết tiệt” - bạn tự nhủ. – “Nó luôn trả lời những câu hỏi của ta, nhưng nó không bao giờ tự động đưa ra những thông tin quan trọng và cốt yếu. Nó không bao giờ cảnh báo ta khi ta thực hiện sai một bước nào đó!” Bạn biết rõ nguyên nhân mà, dĩ nhiên là như vậy. Cuộc sống loài người sẽ mất hết vẻ đẹp phong phú và những điều thú vị nếu các máy tính được phép đưa ra những cảnh báo bất cứ khi nào một hành vi sai sót sắp được thực hiện.
Kìm nén nỗi bực dọc của mình, bạn quay đầu con tầu thăm dò của mình và lần lượt khởi động một chuỗi thao tác thận trọng: để tăng lực đẩy tiến về phía trước, chuyển động xoắn vào phía trong, chuyển động tròn, lại tăng lực đẩy tiến về phía trước, chuyển động xoắn ốc vào trong, lại chuyển động tròn…, cứ như vậy con tàu đưa bạn từ quỹ đạo có chu vì bằng ba lần chu vi đường chân trời cho đến 2,5 rồi 2,0; 1,6; 1,55; 1,51; 1,505 đến 1,501 và… Thật đáng thất vọng! Khi bạn càng tiến sâu về phía lỗ đen, những quỹ đạo tròn càng ngày càng thu hẹp lại, nhưng cho đến lúc tốc độ chuyển động xoắn ốc của bạn đạt đến tốc độ ánh sáng, thì quỹ đạo khi đó cũng mới chỉ ở mức 1,5 lần chu vi đường chân trời. Nhưng do bạn không thể di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng, nên không có hi vọng gì để tiến gần hơn tới đường chân trời theo cái cách khổ sở này.
Một lần nữa bạn lại gọi DAWN để cầu cứu và một lần nữa cô ta lại dịu dàng giải thích với bạn rằng: bên trong chu vi 1,5 lần của đường chân trời không thể tồn tại một quỹ đạo chuyển động tròn nào cả. Lực hút hấp dẫn ở đây mạnh đến nỗi nó không thể bị cân bằng bởi bất cứ lực quán tính ly tâm nào, kể cả khi một vật thể men theo lỗ đen với tốc độ của ánh sáng. Nếu bạn muốn tiến vào sâu hơn, DAWN nói, bạn phải rời bỏ quỹ đạo tròn quen thuộc của mình và thay vào đó là lao thẳng xuống đường chân trời của lỗ đen, với sự giúp đỡ của tên lửa đẩy mạnh bạn về phía sau, để giữ cho bạn không bị hút tụt một cách thảm khốc vào bên trong. Lực tạo ra bởi những tên lửa này sẽ hỗ trợ bạn chống lại trường hấp dẫn của lỗ đen khi bạn từ từ hạ thấp và sau đó giúp bạn bay lơ lửng ngay trên đường chân trời, giống một nhà du hành vũ trụ treo lơ lửng trên bề mặt của mặt trăng.
Rút kinh nghiệm những lần trước, bạn hỏi DAWN một vài lời khuyên về những hệ quả của việc duy trì cường độ làm việc đều đặn và mạnh mẽ của các tên lửa như trên. Bạn giải thích rằng bạn muốn bay lơ lửng tại vị trí 1,0001 lần chu vi đường chân trời, nơi mà tất cả các hiệu ứng của đường chân trời có thể được thí nghiệm và nhận biết, nhưng với điều kiện là từ đó bạn có thể thoát ra khỏi lỗ đen một cách dễ dàng. Nếu bạn hỗ trợ tàu thăm dò bằng một hệ thống tên lửa hoạt động tốt, thì khi đó bạn sẽ chịu tác dụng của một gia tốc có giá trị như thế nào? “Một trăm năm mươi triệu lần gia tôc trọng trường của trái đất”. – DAWN thản nhiên trả lời.
Mất hết can đảm và cảm thấy vô cùng chán nản, bạn ngừng mọi hoạt động, men theo đường xoắn ốc quay trở về con tàu vũ trụ quen thuộc.
Sau một giấc ngủ dài, nối tiếp bằng năm giờ liền vật lộn tính toán với những công thức nhằng nhịt về lỗ đen của thuyết tương đối rộng, rồi đến ba giờ tra cứu mòn mỏi trong tập atlas về lỗ đen của Schechter, cuối cùng là một giờ đồng hồ hội ý cùng phi hành đoàn, bạn quyết định lập ra một kế hoạch mới cho giai đoạn tiếp theo của cuộc thám hiểm đầy trắc trở này.
Phi hành đoàn của bạn ngay sau đó truyền về trái đất thông báo tiếp theo cho Hội Địa lý thế giới (với một giả thiết lạc quan rằng hi vọng Hội này vẫn còn tồn tại), một bản kê khai về những thí nghiệm của bạn với Sagittario. Ở cuối bản báo cáo của họ, phi hành đoàn mô tả kế hoạch tiếp theo như sau:
Những tính toán của bạn chứng tỏ rằng với lỗ đen càng lớn thì tên lửa cần hỗ trợ để lơ lửng tại vị trí cỡ 1,0001 lần chu vi đường chân trời càng yếu. Và để có thể đạt được một gia tốc đau đớn nhưng có thể chịu đựng được là 10 lần gia tốc trọng trường ở trái đất, lỗ đen phải có khối lượng là 15 nghìn tỷ lần khối lượng mặt trời (15.10 12lần). Lỗ đen gần nhất có những tính chất trên có tên là Gargantua, nằm cách xa 100,000 (10 5) năm ánh sáng từ đám thiên hà Virgo mà dải Ngân Hà của chúng ta đang quay quanh. Thực tế thì, nó ở gần với quasar 3C273, 2 tỉ (2.10 9) năm ánh sáng tính từ dải Ngân Hà và 10 phần trăm khoảng cách đến biên giới của miền quan sát được của vũ trụ.
Kế hoạch mà phi hành đoàn của bạn giải thích trong bản thông báo, là một chuyến du ngoạn đến Gargantua. Sử dụng gia tốc 1-g đầy hữu ích trong một nửa quãng đường và giảm tốc với nhịp độ cũng 1-g trong phần còn lại, khi đó chuyến viếng thăm này sẽ lấy đi của bạn 2 tỉ năm nếu đo bằng đồng hồ ở trái đất, nhưng may thay, với sự kỳ diệu của quá trình giãn nở thời gian gây ra bởi vận tốc lớn, bạn chỉ phải bỏ ra có 42 năm trong hệ thời gian của chính bạn mà thôi và phi hành đoàn trong con tàu vũ trụ thân yêu. Nếu những thành viên của Hội Địa lý thế giới không vui lòng chấp nhận tiếp một giấc ngủ đông kéo dài thêm 4 tỉ năm nữa (2 tỉ năm để con tàu tiếp cận Gargantua và 2 tỉ năm để nó truyền các báo cáo về trái đất), thì có lẽ họ buộc phải từ bỏ việc nhận những tín hiệu tiếp theo của bạn vậy.
