hố đen

“Thế giới thay đổi trong 100 năm trở lại đây nhanh hơn rất nhiều so với các thế kỷ khác trong lịch sử. Nguyên nhân không phải do chính trị hay kinh tế mà là kỹ thuật--các ngành kỹ thuật chảy trực tiếp từ sự phát triển của khoa học cơ bản.”

The lucent library of science andtechnology Höë àen Taác giaã: Don nardo Dõch: pac Mục Lục Don Nardo PAC - CLB Thiên văn Bách Khoa 2 Muåc luåc Mục Lục 2 Lời Người Dịch 3 Lời Nói Đầu 4 Lời Giới Thiệu 6 Đối Mặt với Bí Ẩn Tột Cùng Chương 1 11 Lực Hấp Dẫn và Lời Tiên Đoán Ban Đầu về Hố Đen Chương 2 24 Ngôi Sao Chết và Sự Hình Thành Hố Đen Chương 3 35 Tính Chất và Ứng Dụng Tiềm Tàng của Hố Đen Chương 4 46 Phát Hiện Hố Đen bằng Phương Pháp Gián Tiếp Chương 5 57 Hố Đen Khổng Lồ và Số Phận Của Vũ Trụ Chương 6 70 Hố Đen Có Thể là những Cánh Cổng Vũ Trụ Được Không? Ghi Chú 82 Lời Người Dịch Don Nardo PAC - CLB Thiên văn Bách Khoa 3 Lúâi ngûúâi dõch Cuốn sách này được lấy từ cuốn Black Hole của tác giả Don Nardo do thành viên của PAC--Polytechnic Astronomy Club, CLB Thiên Văn Bách Khoa--dịch. Chúng tôi dịch nó không có mục đích gì hơn là phổ cập kiến thức cơ bản về thiên văn cho mọi người. Bạn đọc được toàn quyền in nội dung của nó ra với mục đích cá nhân và phi thương mại. Nếu muốn phát hành ở trang web khác bạn làm ơn ghi nguồn là PAC và phobachkhoa.com. Trong quá trình dịch, không thể tránh khỏi sai sót về lỗi chính tả, lỗi từ ngữ, hay ngữ pháp, và cũng do hạn chế về trình độ của người dịch nên nhiều đoạn không lột hết được ý nguyên gốc của tác giả, nên chúng tôi, những người dịch xin khuyến cáo những ai có khả năng về Anh ngữ thì nên đọc sách gốc . Mọi sự phản ánh về thiếu sót của ebook xin đưa về diễn đàn http://phobachkhoa.com/ , chúng tôi xin chân thành cảm ơn. Ở phần cuối, chúng tôi chỉ dịch phần Ghi Chú, các phần còn lại như đọc thêm, thuật ngữ, tác giả… các bạn có thể tham khảo thêm trong sách gốc. Người dịch: © duyb7, nvl_8x. Lời Nói Đầu Don Nardo PAC - CLB Thiên văn Bách Khoa 4 Lúâi noái àêìu “Thế giới thay đổi trong 100 năm trở lại đây nhanh hơn rất nhiều so với các thế kỷ khác trong lịch sử. Nguyên nhân không phải do chính trị hay kinh tế mà là kỹ thuật--các ngành kỹ thuật chảy trực tiếp từ sự phát triển của khoa học cơ bản.” --Stephen Hawking, “A Brief History of Relativity,” báo Time , 2000 uộc cách mạng khoa học kỹ thuật của thế kỷ hai mươi là thế kỷ mà nhà vật lý học người Anh Stephen Hawking mô tả trong đoạn trích trên đã biến đổi sâu sắc vẻ bên ngoài của cuộc sống con người nhanh chưa từng có. Các phát minh không thể tưởng tượng được trong một thể kỷ qua không chỉ trở nên bình thường mà còn được xem là cần thết trong cuộc sống thường nhật. Nhà sử gia khoa học, James Burke viết, “Chúng ta được bao quanh bởi những hệ thống và vật thể mà chúng ta dùng chúng một cách bình thường, nhưng chúng lại có ảnh hưởng sâu sắc đến hành động, suy nghĩ, công việc, giải trí của chúng ta và chúng kiểm soát cuộc sống của chúng ta.” Ví dụ, chỉ trong một trăm năm, hệ thống giao thông thay đổi một cách đột ngột. Năm 1900, xe hơi chạy bằng dầu chỉ mới được giới thiệu, và chỉ mới có 144 dặm đường bộ của Mỹ được bê tông hóa. Xe ngựa kéo vẫn chiếm đầy đường phố và thành thị Mỹ. Máy bay vẫn đang được sáng chế. Ngày nay có tới 217 phương tiện đi lại trên 4 triệu dặm đường Mỹ. Con người đổ bộ lên Mặt Trăng và các máy bay thương mại phương tiện chở hành khách đi qua Đại Tây Dương chỉ mất dưới ba giờ. Sự biến đổi thông tin liên lạc cũng đột ngột tương tự. Trong năm 1900 hầu hết người Mỹ sống và làm việc trên các nông trại không hề có điện hay thư tín. Chỉ có vài người đã từng nghe radio và nói trên điện thoại. Một trăm năm sau, 98 phần trăm nhà ở Mỹ có điện thoại và tivi và hơn 50 phần trăm có máy tính cá nhân. Vài gia đình thậm chí còn có hơn một cái ti vi và máy tính, và điện thoại di động giờ đã trở nên phổ biến, ngay cả đối với giới trẻ. Thông tin phát ra từ các vệ tinh liên lạc dự báo thời tiết toàn cầu và cáp quang học, email, và Internet đã nối tức thời thông tin liên lạc trên toàn cầu. C Lời Nói Đầu Don Nardo PAC - CLB Thiên văn Bách Khoa 5 Có lẽ thước đo ấn tượng nhất về sự thay đổi khoa học và công nghệ có thể thấy trong ngành y tế và sức khỏe cộng đồng. Vào đầu thế kỷ hai mươi, độ tuổi trung bình của dân Mỹ là bôn mươi bảy. Cuối thế kỷ này độ tuổi trung bình đạt tới tám mươi, nhờ vào các tiến bộ trong y tế bao gồm sự phát triển vắc xin và thuốc kháng sinh, phát minh ra các dụng cụ chuẩn đoán hiệu quả như tia X, công nghệ chữa bệnh và chăm sóc trẻ sơ sinh, và sự phát triển trong dinh dưỡng hay kiểm soát các dịch truyền nhiễm. Tốc độ thay đổi nhanh chóng có vẻ vẫn tiếp diễn qua thế kỷ thứ hai khi khoa học đã hé mở thêm về các quá trình vật lý và sinh học như hiện tượng nóng lên toàn cầu, sự tái tạo của virut, và độ dẫn điện, và khi con người chấp nhận kiến thức mới là yêu cầu của con người và là chính sách của nhà nước. Ví dụ, hiệp ước quốc tế đòi hỏi phải cắt giảm tức thì các khí thải công nghiệp và phương tiện giao thông để hưởng ứng nghiên cứu cho thấy khả năng nguy hiểm tăng cao đến sự gia tăng nhiệt độ toàn cầu gây ra do các hoạt động của con người. Việc giữ thế chủ động trong việc quyết định con đường thay đổi tương lai phụ thuộc vào giáo dục; con người phải hiểu khả năng ứng dụng của các nghiên cứu khoa học và các tác động của công nghệ xung quanh chúng ta. Bộ sách Lucent Library of Science and Technology mô tả sơ lược về sự đổi mới và phát minh đã thay đổi thế giới hiện đại. Mỗi quyển sách cố gắng đưa một phát minh khoa học, kỹ thuật, hay hiện tượng phức tạp trở nên dễ hiểu và thích hợp với người đọc. Vì các phát minh khoa học thường hiếm khi dể hiểu, nên mỗi quyển sẽ giải thích các ngõ cụt, các tai nạn may mắn, và phương pháp khoa học cơ bản mà các nghiên cứu của chủ đề dựa vào. Và mỗi quyển sách lại nghiên cứu ứng dụng thực tiễn của một phát minh, nhánh của khoa học, hay nguồn gốc khoa học trong công nghiệp, sức khỏe cộng đồng, và cuộc sống con người, cũng như các khả năng ứng dụng trong tương lai và tác động dựa trên các nghiên cứu hiện tại. Các trích dẫn đầu đủ từ các tài liệu, các chú giải về tiểu sử được đóng khung và các nguồn điện tử, thuật ngữ, bảng chú dẫn, và các minh họa kỹ thuật đều nằm trong phần bổ sung để hướng người đọc khám phá sâu hơn cho chủ đề. Đối Mặt với Bí Ẩn Tột Cùng Don Nardo PAC - CLB Thiên văn Bách Khoa 6 LÚÂI GIÚÁI THIÏÅU ÀÖËI MÙÅT VÚÁI BÑ ÊÍN TÖÅT CUÂNG uan niệm về hố đen luôn đè chặt lên trí tưởng tượng của loài người. Đã có khá nhiều sinh vật, vật thể lạ, đáng sợ, được con người xây dựng lên trong các câu truyện thần thoại, các chuyện giả tưởng. Khoa học hiện đại ngày nay cũng đã tiết lộ những thứ quái lạ, đáng lo lắng không kém của thế giới tự nhiên. Nhưng dẫu sao những thứ này cũng không thể so sánh với hố đen, một vật thể có lực hấp dẫn lớn đến nỗi ánh sáng cũng không thể nào thoát ra nỗi và là nơi mà hầu như mọi định luật của tự nhiên đều bị phá vỡ. Trong những lời ghi lại của nhà vật lý Kip Thorne, một trong những chuyên gia hàng đầu thế giới nghiên cứu về hố đen : Trong tất cả những quan niệm của con người, từ những hình kì lân xa xưa của những câu truyện thần thoại cho tới những chiếc máng xả nước của ngành xây dựng hay những quả bom khinh khí, có lẽ điều kì dị nhất là hố đen: một cái hố trong khoảng không vũ trụ, với những rào cản nhất định sẽ khiến bất kì vật gì rơi và trong và không gì có thể trốn thoát, một cái hố với lực hấp dẫn mạnh tới nỗi ánh sáng cũng bị tóm gọn và giữ trong gọng kìm của nó, một cái hố có thể bẻ cong không gian và thời gian. Đối với nhiều người, những ý nghĩ về con quái vật của vũ trụ dường như giống một cái gì đó ngoài những cuốn tiểu thuyết hay bộ phim khoa học viễn tưởng. Và theo như lời Thorne: ”các định luật thực nghiệm khá tốt của vật lý tiên đoán cương quyết rằng hố đen nhất định tồn tại, ngay trong ngân hà của chúng ta con số cũng có thể lên tới hàng triệu.” 1 Con quái vật bí ẩn Mặc dù có khả năng tồn tại một số lượng lớn hố đen đang ẩn lấp ngoài khoảng không vũ trụ, những vật thể lạ lùng này lại không dễ dàng gì để quan sát và nghiên cứu. Thorne thừa nhận rằng: ” bóng tối của chúng ẩn dấu đi sự quan sát, các nhà thiên văn sẽ gặp phải những khó khăn rất lớn trong việc tìm ra chúng.” 2 Chính tính lẫn tránh này Q Đối Mặt với Bí Ẩn Tột Cùng Don Nardo PAC - CLB Thiên văn Bách Khoa 7 truyền cho hố đen một bầu không khí bí ẩn. Và thực tế còn có một lý do nữa làm cho hố đen trở lên kì lạ với nhiều người là nó là một vật thể Khí và mảnh vụn vật chất xoay quanh hố đen tạo thành đĩa vật chất mà cuối cùng cũng bị hút vào trong hố cực kỳ bí ẩn. Bởi ngay cả ánh sáng cũng bị bẫy vào trong chúng, ngăn cách khả năng nhìn thấy, khả năng hữu hình của những phần tử trong vũ trụ, chúng tối, tiên đoán một điềm giở và ở một góc độ nào đó chúng trở lên đáng sợ. Điều quan trọng nhất là cái gì nằm trong những hố đen này. Cho dù loài người đã cố gắng lí thuyết hóa chúng bằng mọi cách, hố đen vẫn một bí ẩn tột cùng. Theo như lời của John Taylor, một học giả xuất sắc của trường Đại Học Hoàng Gia London: Kể từ khi con người bắt đầu suy nghĩ, chúng ta đã tôn thờ những cái mà chúng ta không thể hiểu biết. Nhiều nhiên niên kỷ đã trôi qua, hiểu biết về thế giới xung quanh chúng ta cũng đã tăng lên khá nhiều và giờ đây chúng ta đang ở trong tình trạng phải đối mặt với giới hạn của nhận thức, cái mà chẳng bao giờ có thể xuyên suốt nếu chúng ta còn dữ lại những dạng vật lý hiện tại. Giới hạn đó Đối Mặt với Bí Ẩn Tột Cùng Don Nardo PAC - CLB Thiên văn Bách Khoa 8 chính là hố đen. Mặc dù cố gắng hết sức chúng ta cũng sẽ chẳng bao giờ thoát được vật đáng sợ nơi thiên đàng này một khi đã ở trong đó. Hay chúng ta sẽ chẳng bao giờ tìm ra thứ gì bên trong nó nếu chúng ta cứ đứng ở ngoài mãi do sợ hãi trước một chuyến đi chỉ có một chiều. Tại sao lại phải nghiên cứu hố đen? Nếu như hố đen thật sự bí ẩn như vậy và ở một góc độ nào đó là không thể hiểu biết được, và thật dễ dàng để những người không chuyên băn khoăn liệu chúng có đáng giá để nghiên cứu. Liệu các nhà thiên văn có nên đầu tư thời gian, năng lượng và tiền bạc để theo đuổi những nỗ thực tế hơn không? Câu trả lời dường như là không. Rất nhiều bằng chứng cho thấy hố đen có mối liên quan khá mật thiết tới nguồn gốc tiến triển của vũ trụ. Trước hết có thể nói những hố đen như vậy biểu thị lực hấp dẫn đã từng trải qua mọi thời gian. Lực hấp dẫn là lực níu kéo vũ trụ lại với nhau và các nhà khoa học càng nắm bắt được nhiều về nó họ càng giải thích được tốt hơn về nguồn gốc và cấu trúc của vũ trụ . “Một động lực mãnh liệt cho việc tìm ra hố đen” nhà vật lý Mitchell Begelman và Martin Ress viết, “là chúng là những vật đại diện cho những nơi mà lực hấp dẫn đã át đi tất cả các lực khác, cho phép người ta thử nghiệm lý thuyết về lực hấp dẫn dưới những điều kiện khắc nhiệt nhất.” 4 Một trong số rất nhiều lí do khiến các nhà khoa học hào hứng nghiên cứu hố đen là thực tế là có rất nhiều hố đen liên quan tới nguồn gốc của các vì sao. Hiểu được hố đen hình thành từ các vì sao như thế nào chúng ta sẽ biết rất nhiều về giai đoạn tiến hóa cuối cùng của các vì tinh tú. (Thuật ngữ tinh tú đồng nghĩa với sao.) Đồng thời, cũng làm tăng thêm chứng cớ cho khả năng rằng sự tiến hóa của các thiên hà-- nơi một khối lượng lớn đang xoay vòng của hàng tỉ ngôi sao--có thể bị trói chặt vào các quá trình hình thành và vòng đời của các hố đen khổng lồ tại tâm của các thiên hà. Thêm vào đó, các nhà khoa học tin rằng hố đen chứa đựng trong nó rất nhiều đầu mối quan trọng của các mối quan hệ tự nhiên của không gian và thời gian, đó là giữa thế giới 3 chiều quen thuộc và chiều thứ tư của thời gian. Các nhà khoa học thường nhắc tới không gian và thời Đối Mặt với Bí Ẩn Tột Cùng Don Nardo PAC - CLB Thiên văn Bách Khoa 9 gian bằng thuật ngữ “không thời gian.” Ở gần hố đen, ”không thời gian biểu hiện một cách kì dị và rất ‘không thuộc về trực giác’,” Belgerman chỉ ra rằng : Ví dụ, thời gian là “đứng yên” đối với một người quan sát đang lượn lờ quanh chân trời sự cố [bản lề của hố đen], họ có thể thấy được toàn bộ tương lai bên ngoài vũ trụ mà đối với anh ta chỉ diễn ra trong một khoảnh khắc ngắn ngủi. Những điều lạ lùng có thể xảy ra với một người nào đó liều lĩnh đi vào bên trong chân trời sự cố… Sự không chắc chắn của chúng ta về bên trong hố đen không thể giảm bớt đi sự tự tin trong những tiên đoán vật lý [những tác động lên vũ trụ xung quanh chúng]. Tương tự, có rất nhiều bí ẩn nằm sâu bên trong hạt nhân nguyên tử, nhưng điều này không thể ngăn cản các nhà vật lý tính toán ra tính chất của nguyên tử. 5 Các nhà nghiên cứu đang kiểm tra lần cuối dụng cụ dò tìm tia X, loại bức xạ có thể cho thấy vị trí của hố đen. Bởi lẽ đó hố đen dường như có mối liên quan rất gần gũi tới các tính chất và quá trình nguyên sinh và các quá trình của vũ trụ. Ví dụ, các Đối Mặt với Bí Ẩn Tột Cùng Don Nardo PAC - CLB Thiên văn Bách Khoa 10 chứng cớ cho thấy lực hấp dẫn, quá trình tiến hóa của một tinh tú, sự hình thành các thiên hà và các tác động của không gian lên thời gian (và ngược lại) chỉ ra rằng tất cả đều có mối quan hệ tới con quái vật này của vũ trụ. Và việc truy tìm câu trả lời cho những bí ẩn của hố đen sẽ mở ra một chương thú vị mới cho những chiến công liên tục của khoa học. . Đầu về Hố Đen Chương 2 24 Ngôi Sao Chết và Sự Hình Thành Hố Đen Chương 3 35 Tính Chất và Ứng Dụng Tiềm Tàng của Hố Đen Chương 4 46 Phát Hiện Hố Đen bằng. giấu một hố đen. Dựa vào mối quan hệ giữa hố đen và lực hấp dẫn, hố đen có thể được gọi là “tạo vật của hấp dẫn.” Vì không thể nghiên cứu hố đen nếu không