Vận Tốc Ánh Sáng Trong Không Gian Của Hố Đen

Chúng ta thường nghe nói, tưởng vậy nhưng không phải vậy. Một câu nói thật đơn giản trong dân gian cũng có thể hàm chứa được một chân lý sâu xa nếu chúng ta hiểu nó đến nơi đến chốn. Bài viết này chứng minh vận tốc của ánh sáng không phải là một hằng số

bất biến như chúng ta thường ghi nhận trong học thuyết Động học cổ điển của Newton. Lý thuyết tương đối của Einstein đã chứng minh cho chúng ta biết rằng ý nghĩa của những phạm trù chỉ có giá trị ở một hệ quy chiếu nhất định nào đó. Đem những phạm trù ở hệ quy chiếu này áp dụng vào hệ quy chiếu khác sẽ cho ra những kết quả khác. Hiểu được chân lý này thì chúng ta sẽ có lòng bao dung hơn khi nhận thức sự việc từ những lăng kính khác nhau.

Trong chiều hướng này, tòa soạn SH xin giới thiệu quí đọc giả một bài viết rất công phu của tác giả Lê Văn Cường. (SH)

Einstein, nhà bác học lớn của thế kỷ 20, đã mở rộng tri thức của nhân loại khi ông chỉ rõ không gian và thời gian đều mang tính tương đối chứ không phải tuyệt đối, không thay đổi như nhận thức khoa học trước đó, (thời khoa học nhận thức không gian và thời gian là tuyệt đối không đổi theo nhận thức của Newton).

Chúng ta hoàn toàn đồng ý với thuyết tương đối của Einstein về tính tương đối của không gian và thời gian, theo đó, không gian và thời gian thay đổi, co lại, và dãn ra khi bị trường hấp dẫn mạnh bóp méo. Nghĩa là không gian và thời gian phụ thuộc vào trường hấp dẫn, trường hấp dẫn thay đổi thì không gian và thời gian cũng thay đổi. Nhưng chúng ta không thể đồng ý với thuyết tương đối của Einstein với tiên đề thứ 2 nói rằng vận tốc ánh sáng là hằng số, tuyệt đối không thay đổi, và c=300.000 km/s đúng ở mọi hệ quy chiếu quán tính.

Chứng cứ của việc này được chỉ ra như sau:

Như các nhà khoa học đã xác định: Lực hấp dẫn của Hố đen trong vũ trụ cực mạnh. Nó đã bóp méo không gian và thời gian xung quanh Hố đen. Nếu hệ thống đo lường không gian của chúng ta được biểu thị bằng khoảng cách là 1 km (một kilometer) và thời gian trôi là t=1 s ( một giây), thì hệ thống đo lường tại không gian xung quanh Hố đen sẽ là km’=km.γ = 1 km.γ và thời gian trôi là t’= t.γ = 1 s.γ . (Trong đó γ được gọi là hệ số co dãn, γ > 1 . Để hiểu về hệ số co dãn γ , đề nghị xem phần Ý nghĩa thời gian, “Appendix, A:  the meaning of time” , trong bài: “Light velocity changes as space and time change”,  tại website:  http://wbabin.net/feast/cuong27.pdf ).

Trong trường hợp của Hố đen, hệ số co dãn γ có thể đạt tới ∞ . Ví dụ: thời gian t’ trôi tại Hố đen chỉ có 1 s’ , ( một giây của Hố đen) có thể cũng tương ứng với thời gian t trôi một thế kỷ: (1.s.∞) tại trái đất, ( t’ = t.γ  →  1.s’ = 1.s.∞ ). (Nôm na dễ hiểu theo nhận thức của dân gian về Đạo Phật, một ngày trên cõi Trời, cõi Thiên tương ứng bằng một trăm năm đã trôi ở trần thế).

Hiểu được sự tương đối của thời gian như vậy, bây giờ chúng ta xem xét cụ thể vận tốc ánh sáng khi nó di chuyển trong không gian của Hố đen. Để dễ hiểu đối với mọi người, chúng ta giả thiết những ví dụ thật đơn giản như sau:

Giả thiết tại không gian trống rỗng trong vũ trụ có 2 điểm A và B. Khoảng cách từ A tới B là AB=90.000.000 km . Tại điểm A là trái đất của chúng ta và tại điểm B là một hành tinh có khối lượng tương đương với khối lượng của trái đất. Nghĩa là trường hấp dẫn của hành tinh và của trái đất là như nhau. Do đó hệ thống đo lường không gian được biểu thị bằng km và thời gian biểu thị bằng s của hành tinh và trái đất cũng như nhau. Tại trái đất, bố trí một ngọn đèn pha chiếu tia sáng về phía hành tinh và một đồng hồ đo thời gian trôi khi tia sáng xuất phát tại điểm A (trái đất) di chuyển tới điểm B (hành tinh) rồi lại quay trở về điểm xuất phát A. Tại điểm B (hành tinh) đặt một tấm gương nhằm phản xạ tia sáng từ điểm A (trái đất) chiếu tới sao cho nó quay về đúng điểm A.  

Chúng ta những người quan sát đứng trên trái đất bật đèn chiếu tia sáng tới điểm B (hành tinh), đồng thời dùng đồng hồ đo thời gian trôi khi tia sáng xuất phát từ A tới B và quay trở về A. (Xem minh họa tại Hình: 1 ).

Hình: 1

Theo nguyên lý không đổi của vận tốc ánh sáng (c=300.000 km/s), chúng ta dễ dàng tính toán thời gian trôi t khi tia sáng xuất phát từ A tới B và phản xạ quay về A trùng khớp với đồng hồ đo thời gian là:

Thời gian = 2.(AB / vận tốc ánh sáng)

t= 2.﴾90.000.000 km /(300.000 km/s)﴿ = 600 s

Sự tính toán thời gian t= 600 s này trùng khớp với đồng hồ đo thời gian tại trái đất khi tia sáng xuất phát từ A tới B rồi lại phản xạ từ B quay về A là chuyện bình thường. Nhưng nếu giả thiết tại vị trí điểm B, (khoảng cách AB=90.000.000km không thay đổi), Hành tinh được thay thế bằng một Hố đen, thì thời gian t khi tia sáng xuất phát từ A di chuyển tới B rồi phản xạ về A sẽ không còn là t=600 s nữa. Bởi lẽ không gian và thời gian xung quanh Hố đen đã bị biến đổi do trường lực hấp dẫn mạnh của Hố đen. Hệ thống đo lường không gian và thời gian của Hố đen không phải là km và s nữa mà là km’= km.γ và s’=s.γ .

Theo tiên đề thứ nhất của Thuyết tương đối:  “Dù là hệ quy chiếu đứng yên hay chuyển động thẳng đều thì mọi quy luật vật lý diễn ra tại các Hệ quy chiếu cũng đều như nhau”.  Chúng ta thấy Hố đen đứng yên tại vị trí B, có thời gian và không gian biến đổi tương đương như một Hệ quy chiếu chuyển động thẳng đều cực nhanh gây ra hiệu ứng biến đổi không gian, thời gian quanh nó. Nghĩa là mọi quy luật vật lý và các phép tính toán tại Hố đen và tại trái đất đều như nhau. Ví dụ cách tính vận tốc tại Hố đen và tại trái đất đều là vận tốc=quãng đường /thời gian . Đồng thời tại Hố đen thì phải tính theo hệ thống đo lường của Hố đen. Do đó, với hệ thống đo lường không gian: km’=km.γ và thời gian s’=s.γ của Hố đen thì vận tốc ánh sáng tại không gian của Hố đen sẽ phải là c’=300.000 km.γ/s.γ mới đúng.

Nhưng với c’=300.000 km.γ /s.γ trong không gian của Hố đen và c=300.000 km/s trong không gian của trái đất, bất kỳ ai cũng đúng khi giản ước theo toán học những số hạng giống nhau là γ tại tử số và mẫu số để khẳng định c’= c .

c’=300.000km.γ/s.γ =c= 300.000km/s

Tính toán giản ước phương trình để c’= c như thế là đúng về toán học, nhưng trình độ nhận thức còn thấp vì chưa hiểu sâu về ý nghĩa vật lý và tính đồng dạng của vận tốc ánh sáng. Và nếu chưa hiểu sâu sự khác nhau giữa c’=300.000km.γ/s.γ và c=300.000km/s thì chính chúng ta tự phủ định mình, bởi lẽ :

Trước hết là có sự khập khiễng khi lấy hệ thống đo lường về vận tốc v=km/s tại trái đất để áp đặt vào hệ thống đo lường không gian: km.γ và thời gian: s.γ của Hố đen. Sau đó lại phủ định thời gian trôi t’ tại Hố đen là rất chậm so với thời gian trôi t tại trái đất mà trước đó đã công nhận. Vì với khoảng cách AB=90.000.000 km , (trong đó AB = AI + IB ; AI=IB= 45.000.000 km), và c’=c , người quan sát trên trái đất đúng khi tính toán thời gian trôi t khi tia sáng xuất phát từ A (trái đất) tới B (Hố đen) rồi phản xạ quay về A như sau:

t = 2.(AI/c + IB/c’)      

t = 2.﴾45.000.000km/(300.000km/s)+45.000.000km/(300.000km/s)﴿ = 600 s

Thời gian trôi t=600 s khi tia sáng di chuyển từ A tới B và phản xạ từ B về A trong trường hợp này, ( Hành tinh được thay thế bằng Hố đen), và trường hợp trước (Hành tinh tại điểm B) là như nhau. Nghĩa là thời gian trôi tại Hố đen bằng với thời gian trôi tại trái đất ? Từ nay trở đi, khoa học sẽ không có quyền phán xét thời gian trôi tại Hố đen là rất chậm so với thời gian trôi tại trái đất nữa. Mặc nhiên lý thuyết về không gian và thời gian chỉ là tương đối trong Thuyết tương đối sẽ không đúng. (Dẫn đến những gì ông Hawking, nhà khoa học vật lý người Anh viết trong cuốn Lược sử thời gian và Thuyết tương đối của Einstein về tính tương đối của thời gian, không gian là nhầm lẫn, nói chơi cho vui).

Nhưng, thực tế các nhà khoa học vật lý nghiêm túc trên thế giới đã luôn luôn kiểm chứng và xác định: Thời gian trôi tại các Hố đen là rất chậm và thời gian dãn ra theo công thức t’=t .γ trong Thuyết tương đối của Einstein là đúng. Chúng ta không tin vào các nhà khoa học thì tin vào ai ? Nếu tin vào việc không gian, thời gian chỉ là tương đối, công thức t’=t.γ là đúng thì buộc lòng chúng ta phải chấp nhận một sự thực “trái” với toán học và nhận thức c=constant đã ăn sâu vào tiềm thức là:

c’=300.000kmγ/s.γ  ≠  c=300.000km/s

Những người quan sát trên trái đất thấy và đo được vận tốc ánh sáng tại trái đất là c=300.000 km/s , đó là sự thực. Những người quan sát (giả thiết có thể có) trên Hố đen cũng thấy và đo được vận tốc ánh sáng tại Hố đen là c’=300.000 km.γ/s.γ theo không gian: km.γ và thời gian: s.γ của họ, đó cũng là sự thực. Nhưng c’≠ c , do đó vận tốc ánh sáng c’ trong không gian của Hố đen chỉ đồng dạng chứ không bằng nhau với vận tốc ánh sáng c trong không gian của trái đất. Vì c’≠ c , dĩ nhiên c không phải là hằng số không thay đổi. Cuộc tranh cãi về vận tốc ánh sáng c có là hằng số tuyệt đối không thay đổi hay không có thể sẽ còn kéo dài, nhưng cuối cùng chân lý: c≠constant sẽ thắng. Và trước mắt chúng ta đã thấy có sự mâu thuẫn cực đơn giản về tính tương đối của không gian, thời gian và giữa tiên đề thứ 1 và tiên đề thứ 2 trong t huyết tương đối.

   Với c’=300.000 km.γ/s.γ , người quan sát trên trái đất có thể vẫn còn bảo thủ, cố bảo vệ nhận thức “pha học” đã ăn sâu trong tiềm thức của mình rằng: Thời gian trôi t’=t.γ vẫn đúng và c’ vẫn bằng c=300.000 km/s, nhưng tia sáng di chuyển vòng vèo, uốn lượn trên khoảng cách từ I tới B như mô tả tại Hình: 2 :

Hình: 2  

Tia sáng sẽ không thể đi vòng vèo, uốn lượn trong không gian của Hố đen từ I tới B như vậy được. Vì rằng vận tốc ánh sáng là một vec-tơ chuyển động có hướng, tia sáng chỉ có thể chuyển động theo hướng thẳng trong không gian nếu không gặp chướng ngại vật nào làm đổi hướng. Hơn nữa, vào không gian có chứa trường hấp dẫn của Hố đen, lực hấp dẫn cực mạnh sẽ bắt buộc tia sáng phải di chuyển theo đường thẳng hướng vào tâm của Hố đen.

Tiếp tục giả định khi tia sáng xuất phát từ trái đất (điểm A) di chuyển tới Hố đen (điểm B), tại tâm Hố đen vẫn đặt một tấm gương để phản xạ tia sáng quay về điểm A. Trên khoảng cách AB, chiều dài AI=45.000.000 km thuộc không gian của trái đất và IB=45.000.000 km thuộc không gian của Hố đen. Đối với người quan sát trên trái đất, sự thực họ chỉ quan sát thấy khoảng cách IB=45.000.000 km theo hệ thống đo lường không gian của trái đất. Nhưng khoảng cách IB=45.000.000 km này lại tương đương với khoảng cách IB=45.000.000 km.γ đối với người quan sát tại Hố đen. Đồng thời theo tiên đề thứ 1 của Thuyết tương đối, những yếu tố vật lý thuộc không gian Hố đen phải tính toán theo hệ thống đo lường của Hố đen. Do vậy, chúng ta, những người quan sát trên trái đất hoàn toàn đúng đắn khi tính toán thời gian khi tia sáng xuất phát từ A, (trái đất) di chuyển tới B, (Hố đen) rồi phản xạ quay trở lại A theo đường thẳng AB với (AB=AI + IB ; AI=45.000.000 km và IB=45.000.000 km.γ ) như sau:

t =2.(AI/c + IB/c’)

t = 2.﴾45.000.000 km/(300.000 km/s) + 45.000.000 km.γ /(300.000 km.γ/s.γ)﴿= 2.( 150 s + 150 s.γ)

Thời gian khi tia sáng chuyển động trong không gian của Hố đen, từ điểm I đến B,  là t’=150 s.γ .

Vậy đối với chúng ta, những người quan sát trên trái đất, vận tốc ánh sáng khi nó di chuyển trong không gian của Hố đen từ I tới B theo đường thẳng là bao nhiêu ?

Từ kết quả thời gian khi ánh sáng di chuyển trong không gian của Hố đen từ I tới B là t’=150 s.γ và thực tế người quan sát trên trái đất chỉ quan sát thấy khoảng cách IB=45.000.000 km , (IB=45.000.000 km tương đương với IB=45.000.000 km.γ đã bị co lại), nên đối với chúng ta, những người quan sát trên trái đất, ánh sáng di chuyển trong không gian của Hố đen theo đường thẳng với vận tốc là:

c’= IB/t’ = 45.000.000 km /150 s.γ = 300.000 km /s.γ 

Chúng ta, những người quan sát trên trái đất nhận thấy nếu γ tiến tới ∞ , lúc đó vận tốc ánh sáng chuyển động trong không gian của Hố đen là rất chậm, gần như không chuyển động khi γ = ∞ . (Xem minh họa tại Hình: 3 ). Điều này tương ứng như thời gian một cái chớp mắt của người sống tại Hố đen bằng thời gian một thế kỷ đã trôi đối với người sống tại trái đất. Theo thí dụ tính toán trên, nếu người trên trái đất bật đèn chiếu tia sáng từ A tới B , (Hố đen) rồi bấm đồng hồ đo thời gian đợi tia sáng tới tấm gương đặt tại B, (Hố đen) phản xạ về trái đất, (điểm xuất phát A), thì thời gian t=600s là vô nghĩa. Có đợi vài thế kỷ cũng chưa chắc tia sáng đã quay về để kết thúc việc thí nghiệm đo thời gian.  

Trước đây, tôi đã từng nói Đức Phật là nhà khoa học lỗi lạc đã biết thời gian chỉ là tương đối trước Einstein tới hơn 2.400 năm là đúng, vì Ngài đã so sánh hình tượng hoá sự tương đối của thời gian qua các cảnh giới cung trời Đạo lợi, cõi Thiên và cõi trần gian mà ta đang sống trong các kinh sách Phật phù hợp với t huyết tương đối của Einstein. Có lẽ Einstein cũng hiểu sự phát hiện khoa học của Đức Phật nên đã phát biểu: “Khoa học thiếu t ôn giáo thì khập khiễng, t ôn giáo thiếu k hoa học thì mù loà”. Nhưng vì trình độ phát triển trí tuệ đương thời của đa số chưa cao, chưa đủ tầm để hiểu nên Einstein cứ tạm đặt tiên đề thứ 2 : vận tốc ánh sáng là hằng số không đổi... để đến khi trí tuệ của các thế hệ sau phát triển thích hợp, tự họ sẽ điều chỉnh.

Hình: 3

Hoặc chúng ta có thể minh họa vận tốc ánh sáng chuyển động trong không gian của Hố đen đối với sự quan sát của những người quan sát ở tại trái đất bằng đồ thị vận tốc tại Hình: 4 .

Hình: 4

Tia sáng c’ di chuyển trong không gian của Hố đen là rất chậm so với tia sáng c di chuyển trong không gian của trái đất, vậy vật chất chuyển động trong không gian của Hố đen với vận tốc như thế nào đối với sự quan sát của người trên trái đất ?

Giả sử có một vật thể chuyển động trong không gian của trái đất với vận tốc v=10 km/s , sau đó nó rơi vào không gian của Hố đen. Như trường hợp vận tốc của ánh sáng, vật thể đó có vận tốc là v’= 10 km.γ/s.γ đối với sự quan sát của người quan sát tại Hố đen khi họ đo theo hệ thống đo không gian: km.γ và thời gian: s.γ của họ. Và người quan sát trên trái đất không nhìn thấy không gian: km.γ theo hệ thống đo của Hố đen vì nó đã bị co lại, thực tế họ trông thấy nó chỉ tương đương với không gian: km theo hệ thống đo của trái đất. Thời gian dãn ra cũng không trực tiếp đo được chỉ biết là tại không gian Hố đen đó nó đã bị dãn ra theo công thức t’=t.γ . Do đó đối với người quan sát trên trái đất, vận tốc của vật thể khi nó rơi vào không gian của Hố đen dường như bị chậm lại, chỉ còn là v=km/s.γ . Vật thể rơi vào không gian của Hố đen cũng chỉ theo đường thẳng hướng vào tâm của Hố đen, bởi lực hấp dẫn của Hố đen rất mạnh không cho phép nó chuyển động uốn lượn rích rắc. Điều này càng chứng minh, ánh sáng là những hạt photon thì chúng không thể uốn lượn vòng vèo như mô tả tại Hình: 2

Điều cần biết thêm là trường hấp dẫn của Hố đen cực mạnh, bất kể vật chất nào rơi vào không gian của Hố đen đều bị bóp méo, nát vụn và chuyển hoá thành năng lượng và các siêu hạt cơ bản. Thậm chí sau đó năng lượng và các siêu hạt cơ bản cũng chuyển hoá thành các dạng siêu năng lượng theo công thức E = m.c2 của Einstein.

Tóm lại, vật thể vật chất rơi vào không gian của Hố đen với vận tốc cực chậm, đến gần tâm của Hố đen thì dừng lại, lúc đó nó đã chuyển hoá hoàn toàn thành các siêu năng lượng. Theo nhận thức thông thường của chủ nghĩa duy vật biện chứng, nếu coi các dạng siêu năng lượng mắt không nhìn thấy, tay không sờ được không phải là vật chất, thì sẽ không có bất kỳ dạng vật chất nào trong Hố đen Vũ trụ.

Kết luận

Qua mô tả khái quát sự chuyển động của ánh sáng với vận tốc rất chậm trong không gian và thời gian của Hố đen vũ trụ, thấy nổi bật vấn đề:

Nếu chúng ta chấp nhận tính tương đối của không gian và thời gian thể hiện bằng sự phán xét thời gian trôi tại Hố đen là cực chậm, thậm chí ngừng trôi, thì cũng phải chấp nhận vận tốc ánh sáng cũng mang tính tương đối, nó không phải là hằng số tuyêt đối không thay đổi và bằng c=300.000 km/s đúng ở mọi hệ quy chiếu quán tính đối với sự quan sát của chúng ta. Chấp nhận điều này, trí tuệ chúng ta có thể sẽ còn có khả năng hiểu sâu hơn về bản chất thật của không gian và thời gian cũng như bản chất của Vũ trụ. Nếu không chấp nhận và vẫn cứ cố chấp có niềm tin vào c=constant, thì đồng nghĩa với việc khoa học tự phủ định chính mình khi công bố thời gian trôi tại Hố đen là vô cùng chậm. Và sự phát hiện ra tính tương đối của không gian, thời gian trong thuyết tương đối biến thành trò hề, khoa học trở thành “pha học”.

Thực tế, thuyết tương đối của Einstein vẫn đúng khi nó đã chỉ ra tính tương đối của không gian và thời gian. Đáng tiếc là t huyết tương đối còn bị hạn chế, sai lầm khi đã xác định vận tốc ánh sáng là hằng số, tuyệt đối không thay đổi. Thực chất, vận tốc ánh sáng chỉ là hằng số, tuyệt đối không thay đổi khi không gian và thời gian cũng là hằng số, tuyệt đối không thay đổi. Nếu không gian và thời gian thay đổi thì vận tốc ánh sáng cũng phải thay đổi theo để đảm bảo không mâu thuẫn giữa tiên đề thứ 1 và thứ 2 trong chính t huyết tương đối, cũng như không phủ định tại Hố đen trong vũ trụ thời gian trôi là rất chậm đã được khoa học hiện đại khẳng định.

Hà Nội, ngày 27/3/2001.

Lê văn Cường