Hố đen là một hiện tượng vũ trụ kỳ bí và thú vị, thách thức mọi định luật vật lý. Từ việc có thể nuốt trọn một ngôi sao, cho đến vặn xoắn cấu trúc không gian - thời gian và sản sinh ra lực hấp dẫn cực lớn, hố đen dường như luôn khiến chúng ta thắc mắc vì những điều phi tự nhiên liên quan đến nó.
Trong một video trình chiếu tại Lễ hội Khoa học Thế giới, một đối tác xuất bản của Britannica là Prian Greene đã tiết lộ rằng câu chuyện về các hố đen bắt nguồn từ nhà khí tượng học kiêm nhà toán học, nhà thiên văn học người Đức Karl Schwarzschild.
Trong Thế chiến I, ông được cử đến mặt trận Nga để hỗ trợ tính toán quỹ đạo ném bom. “Và bằng cách nào đó, giữa chiến trường, ông được tiếp cận với tài liệu về thuyết tương đối của Einstein, và đã thực hiện một số phép tính dựa trên nó” - Green nói. Thông qua những tính toán đó, Schwarzschild nhận ra rằng khi những khối cầu với khối lượng đáng kể sụp đổ và bị nghiền thành những mảnh với kích cỡ rất nhỏ, lực hấp dẫn sẽ mạnh đến nỗi không thứ gì trong vùng ảnh hưởng của một hố đen có thể thoát khỏi lực kéo của nó. Giống như thuyết của Einstein đã dự đoán: hố đen vặn xoắn, bẻ cong, và làm biến dạng không - thời gian.
Hố đen vặn xoắn, bẻ cong và làm biến dạng không - thời gian.
Để hiểu tại sao thời gian lại chậm đi khi một vật thể tiến gần đến hố đen, bạn cần hiểu sự giãn nở thời gian là gì. Einstein - bị ám ảnh bởi thời gian và không gian - là người đầu tiên nhận ra rằng thời gian chỉ có tính tương đối. Sau hơn một thập kỷ nghiên cứu, Einstein xuất bản thuyết tương đối vào năm 1915, gây sốc cho toàn bộ các tín đồ theo học thuyết Newton và mở ra một cuộc cách mạng về khoa học.
Einstein lý luận rằng dù các định luật vật lý là bất biến trong vũ trụ, tốc độ hay chuyển động thời gian, và không gian lại không hề bất biến mà chỉ mang tính tương đối. Nhưng tương đối đối với thứ gì? Câu trả lời là dưới góc nhìn của người quan sát.
Einstein thường nói về những chuyến tàu và sự khác biệt trong nhận thức về thời gian và tốc độ của những người ở trên và dưới một con tàu đang chạy. Ví dụ, ông chỉ ra rằng một đoàn tàu đang tăng tốc sẽ di chuyển nhanh hơn nhiều đối với một người đang đứng trên sân ga so với một người đang đuổi theo đoàn tàu đó trên một đoàn tàu khác chạy song song với nó. Điều này đã dẫn đến hàng loạt những thử nghiệm được thực hiện với đồng hồ và đồng hồ nguyên tử, và những câu trả lời rút ra được chứng minh rằng Einstein đã đúng: thời gian không bất biến, và nó có thể giãn nở.
Nhưng nói chính xác một cách khoa học, thì thời gian không thay đổi dựa theo vị trí một người quan sát; nó thay đổi vì những thay đổi trong lực hấp dẫn. Các nhà khoa học đã chứng minh những thay đổi này trong thời gian bằng cách đo đạc các đồng hồ nguyên tử đặt trên đỉnh các tòa cao ốc và trên mặt đất, hoặc trên các vệ tinh đang bay trong quỹ đạo và trên Trái đất. Vậy thì, nếu lực hấp dẫn có thể thay đổi thời gian, điều gì sẽ xảy ra với thời gian nếu có sự hiện diện của các lực hấp dẫn siêu lớn của một hố đen?
Phải có một vật thể cực lớn, như một hố đen, mới tạo ra được một sự khác biệt đáng chú ý trong dòng thời gian.
Khi nói đến mối quan hệ giữa thời gian và hố đen, chúng ta có ví dụ rõ rệt nhất về sự giãn nở thời gian, bởi hố đen là những vật thể đặc nhất trong vũ trụ và có lực hấp dẫn lớn nhất. NASA JPL đã nghiên cứu về hố đen để hiểu được tương tác giữa không gian và thời gian. Nhóm giải thích rằng khi một vật thể đến gần một hố đen, dòng thời gian sẽ chậm lại từ góc nhìn của người quan sát, vốn đang trải nghiệm dòng thời gian khi nó không bị ảnh hưởng bởi hố đen.
Ví dụ, nếu một ngôi sao đến gần một hố đen và chúng ta có thể thấy ngôi sao đó từ Trái đất bằng một kính thiên văn, chúng ta sẽ thấy nó chậm dần đi cho đến khi nó thực sự bị đóng băng trong dòng thời gian, và chúng ta sẽ không bao giờ thấy nó rơi vào hố đen! Tuy nhiên, từ góc nhìn của ngôi sao đó thì thời gian vẫn trôi đi như bình thường.
Thuyết tương đối của Einstein nói rằng thời gian sẽ chậm đi ở gần bất kỳ vật thể kích thước lớn nào do lực hấp dẫn của nó. Đó được gọi là sự giãn nở thời gian vì lực hấp dẫn, vốn tăng lên theo cấp số nhân ở gần các hố đen. Các hố đen từng là những ngôi sao đang chết, đôi lúc có khối lượng gấp hàng trăm hay hàng ngàn lần Mặt trời của chúng ta, nhưng bị sụp đổ và nén lại thành một kích cỡ rất nhỏ. “Phải có một vật thể cực lớn, như một hố đen, mới tạo ra được một sự khác biệt đáng chú ý trong dòng thời gian. Vẫn còn rất nhiều điều cần tìm hiểu về những gì xảy ra với thời gian và không gian bên trong một hố đen” - theo Ota Lutz của NASA JPL.