Lỗ đen tác động đến thời gian, không gian như thế nào?

Ở một khoảng cách đủ xa, lỗ đen vũ trụ có các tương tác giống với tất cả những vật thể khổng lồ khác trong không gian như hành tinh hay Mặt trời. Thế nhưng ở vùng không gian tiệm cận, mọi chuyện hoàn toàn khác.

Nếu như có thể đến đủ gần một hố đen, bạn sẽ thấy trọng lực ở vùng không gian gần nó không còn “tuyến tính” như những ngôi sao khác: Không tăng dần đều mà tăng vọt rất nhanh.

Chuyến du hành của không - thời gian

Giả sử chúng ta đang bay trên một phi thuyền được trang bị động cơ phản lực ánh sáng, khi tới gần chân trời sự kiện - vùng không gian ngăn cách giữa hố đen và mọi vật chất bên ngoài - bạn sẽ thấy rằng ngay cả các photon do động cơ ánh sáng phát ra, cũng không đủ nhanh để thoát khỏi trọng lực cực hạn của "gã khổng lồ" đang cố "nuốt" lấy chúng.

Cuối cùng, chiếc phi thuyền cùng với bạn sẽ bị kéo giãn thành một sợi dây dài có độ dày đúng 1 nguyên tử, và hoàn toàn bị "nuốt chửng".

Đó là viễn cảnh được "đề xuất" bởi các nhà khoa học khi có ai đó, hay vật gì đó cố tiếp cận một dị điểm - điểm có khối lượng cực lớn trong một thể tích cực nhỏ (gần như không có thể tích). Khi đó, trường trọng lực mà nó tạo ra sẽ là cực hạn, không thứ gì có thể thoát khỏi lực hút của nó.

Tuy nhiên, lại có một thực tế khá vô lý ở đây. Giả sử trường hấp dẫn của hố đen là cực hạn (lớn vô cùng) thì ở bất kì khoảng cách nào trong không gian, nó cũng phải lớn vô cùng (vô cùng lớn chia cho bất cứ số nào cũng là vô cùng lớn), và mọi vật chất trong vũ trụ ắt hẳn phải bị “nuốt chửng” hết.

Thế nhưng ở một khoảng cách đủ lớn, hố đen dường như khá hiền lành và không tương tác, chỉ có vùng không gian đủ gần mới bị "xơi tái". Chính điều đó làm các nhà khoa học phải nghĩ ra một mô hình khác để giải thích (thực tế phải nghĩ ra mô hình trước rồi mới tiên đoán sự tồn tại của hố đen). Đó chính là mô hình không-thời gian (space-time model).

Chính mô hình không-thời gian, với giả thuyết cho rằng thời gian cũng là một chiều của không gian vật lý, đã dẫn đến kết luận thú vị về số phận chiếc phi thuyền mà chúng ta đề cập bên trên: Nó chẳng bao giờ bị “nuốt” cả.

Vì đối với người ở bên ngoài quan sát, dường như thời gian bị “ngưng đọng” ngay khi vật chất của chiếc phi thuyền “chạm” vào chân trời sự kiện. Tuy vậy, đối với bản thân người trên chiếc phi thuyền thì họ vẫn cảm nhận thời gian trôi bình thường.

Sự khác biệt về tác động của thời gian đối với “người quan sát” và “người được quan sát” chính là trọng tâm thuyết tương đối rộng của Einstein.

"Cỗ máy thời gian" là có thật

Du hành thời gian là có thật. Nếu muốn đi đến tương lai, hãy làm một chuyến nghỉ mát tới hố đen gần Trái đất nhất. Sau 1 tuần nghỉ dưỡng, quay về nhà và bạn sẽ là người cổ đại, bởi khi đó thời gian ở Trái đất đã trôi qua hàng chục thế kỉ.

Trọng lực cực hạn của hố đen theo giả thuyết về sự liên tục của trường không-thời gian chính là nguyên nhân gây ra sự “kéo giãn” thời gian này.

Ở vùng trung tâm, Trái đất có khối lượng rất lớn, làm cong trường không-thời gian xung quanh nó. Như vậy, có thể thấy rằng nếu bạn ở Trái đất, do không-thời gian ở đây không còn là mặt phẳng, hiển nhiên khoảng cách giữa 2 điểm trên lưới sẽ dài hơn so với không gian xung quanh ở xa Trái đất.

Điều này có nghĩa, thời gian ở Trái đất trôi chậm hơn ở trên không gian. Nhận định này đã được thử nghiệm nhiều lần bởi các phi hành gia trên trạm không gian ISS.

Không cần ra ngoài không gian, chỉ cần sống trên đỉnh ngọn Everest, mỗi năm của bạn sẽ dài bằng 1 năm bình thường ở đồng bằng cộng thêm 1 phần tỷ giây. Đó là vì ở trên đỉnh Everest trọng lực Trái đất yếu hơn, đường cong không-thời gian bớt cong hơn ở mặt nước biển. Khác biệt này quá nhỏ nên chúng ta thường không quan tâm.

Như vậy khi tới gần một dị điểm, đường cong không-thời gian sẽ trở nên cực hạn và khoảng cách giữa 2 mắt lưới (giả sử có độ dài 1 giây) sẽ trở nên dài không tưởng, và thời gian có thể coi là "dừng lại".

Đương nhiên, để “bẻ cong” thời gian được như vậy, lỗ đen đã phải tiêu tốn rất nhiều năng lượng. Đầu tiên là "ăn" mất lõi của ngôi sao đã sinh ra nó, sau đó là hằng hà sa số các thiên thể xung quanh.

Quay trở lại câu chuyện du hành thời gian, nếu con tàu vũ trụ của bạn đủ mạnh (đốt đủ năng lượng để chống lại trọng lực cực hạn của hố đen), giúp bạn quay trở lại Trái đất sau khi đã lỡ “du lịch 1 tuần” tại hố đen, thì khi đó bạn sẽ là người của quá khứ.

Tuy nhiên, nên nhớ là lượng năng lượng bạn tiêu tốn cũng phải bằng với năng lượng hố đen đã tiêu tốn để tạo ra trọng lực siêu hạn của nó. Nói cách khác, bạn có thể phải “đốt cháy” cả thiên hà mới đủ sức đi tới tương lai của không-thời gian.

Như hình mình họa bên trên, hố đen (ngoài cùng bên phải) đã kéo bạn xuống đáy, thì nếu muốn lên lại, bạn phải tốn chừng đó "công sức" mà nó đã bỏ ra. Chính sự kéo dài vô hạn của một đơn vị thời gian ở vùng không gian gần hố đen, có thể hình dung rằng, khi chạm vào hố đen thì thời gian sẽ kéo dài vô tận, tức "dừng lại". Như vậy cố gắng đi tới hố đen cũng chính là cố gắng để "dừng" thời gian.

Thuyết tương đối rộng của Einstein nói rằng: Người quan sát ở ô lưới bên ngoài vùng ảnh hưởng của hố đen sẽ thấy 1 giây là 1 giây. Còn người ở trong hố đen đang “trải nghiệm” một giây (khoảng cách 2 mắt lưới) dài hơn bên ngoài rất nhiều.

Do đó, người bên ngoài sẽ thấy người bên trong "đi" mãi không hết 1 giây, nói cách khác, càng bay càng chậm dần, cuối cùng dừng lại ngay bên ngoài hố đen mà không bao giờ chạm tới nó.