Các lỗ đen, Big Bang và sự giãn nở của không gianTrong khi những hiệu ứng của thuyết tương đối hẹp thể hiện rõ rệt nhất khi các vật chuyển động nhanh, thì thuyết tương đối rộng lại tỏ rõ uy quyền của nó khi các vật là rất nặng và sự cong của không gian và thời gian là đáng kể một cách tương ứng. Xin nêu ra hai ví dụ.Ví dụ thứ nhất là phát minh được thực hiện bởi nhà thiên văn học người Đức tên là Karl Schwarzschild trong khi ông nghiên cứu những công trình của Einstein vào những lúc rảnh rỗi giữa hai đợt tính toán những phần tử pháo binh trên mặt trận Nga hồi Thế chiến thứ nhất, năm 1916. Điều đáng nói là, chỉ mấy tháng sau khi Einstein hoàn tất thuyết tương đối rộng của mình, Schwarzchild đã có thể dùng nó để nhận được sự hiểu biết đầy đủ và chính xác hơn về sự cong của không gian và thời gian ở lân cận một ngôi sao hình cầu lý tưởng. Từ mặt trận Nga, Schwarzchild đã gửi những kết quả của mình về cho Einstein và ông đã thay mặt Schwarzchild trình bày những kết quả đó trước Viện Hàn lâm Phổ.Ngoài việc khẳng định và chính xác hóa thêm về mặt toán học sự cong của không - thời gian đã được minh họa một cách khái lược trên Hình 3.5, công trình của Schwarzchild - ngày nay thường được gọi là “nghiệm Schwarzchild” - còn phát lộ được một hệ quả lạ lùng của thuyết tương đối rộng. Ông đã chứng minh được rằng nếu khối lượng của một ngôi sao được tập trung trong một vùng hình cầu đủ nhỏ, sao cho tỷ số của khối lượng và bán kính của nó vượt quá một giá trị tới hạn cụ thể nào đó, thì sự cong của không - thời gian do nó gây ra sẽ mạnh tới mức bất cứ vật nào, kể cả ánh sáng, khi tới gần ngôi sao đó, sẽ không thể thoát ra khỏi vòng xiết hấp dẫn của nó. Vì ngay cả ánh sáng cũng không thoát ra khỏi những “ngôi sao bị nén chặt” như vậy, nên ban đầu chúng được gọi là sao tối hay sao băng giá. Nhiều năm sau, John Wheeler đã đặt cho chúng cái tên quyến rũ hơn là lỗ đen: đen vì chúng không phát ra ánh sáng, còn lỗ là bởi vì bất cứ vật gì tới quá gần nó đều bị rơi vào trong đó và không bao giờ đi ra được nữa. Quả là một cái tên rất đạt.Nghiệm Schwarzchild được minh họa trên Hình 3.7. Mặc dù các lỗ đen nổi tiếng là háu ăn, nhưng các vật đi qua cạnh nó ở một khoảng cách “an toàn” cũng sẽ chỉ bị lệch theo cách hệt như khi chúng đi cạnh một ngôi sao bình thường rồi lại tiếp tục hành trình vui vẻ của mình. Nhưng những vật, bất kể có thành phần như thế nào mà tới quá gần - gần hơn cái mà người ta gọi là “chân trời sự kiện” của lỗ đen - thì sẽ bị toi ngay: chúng chắc chắn sẽ bị kéo vào tâm lỗ đen và chịu một sức hấp dẫn tăng dần, rồi cuối cùng sẽ bị phá hủy hoàn toàn. Ví dụ, bạn bị rơi qua chân trời sự kiện, với hai chân vào trước. Khi càng tới gần tâm của lỗ đen sẽ tăng lên ghê gớm tới mức lực kéo chân bạn sẽ mạnh hơn nhiều so với lực kéo ở đầu bạn (vì chân rơi vào trước nên chân bạn luôn ở gần tâm lỗ đen hơn đầu bạn), và thực tế mạnh tới mức bạn sẽ bị kéo dài ra và nhanh chóng bị xé tan thành nhiều mảnh.
Hình 3.7. Lỗ đen làm cong cấu trúc không - thời xung quanh mạnh tới mức bất kỳ vật nào rơi vào bên trong “chân trời sự kiện” của nó - được minh họa bằng vòng tròn đen trên hình - đều không thoát khỏi móng vuốt hấp dẫn của nó. Chưa ai biết chính xác điều gì sẽ xảy ra ở điểm bên trong sâu nhất của lỗ đen.