Câu chuyện về vị tu sĩ liêm chính đã dự đoán về sự tồn tại của lỗ đen, gần 100 năm trước khi Albert Einstein ra đời

Cho đến thời điểm này, khái niệm “lỗ đen vũ trụ” vẫn còn làm đau đầu quần chúng, nhất là khi số lượng lỗ đen có thể lên tới hàng tỷ và rải rác rất nhiều ngoài không gian. Suốt nhiều thập kỷ trong thế kỷ 20, những nhà vật lý học lỗi lạc từ chối tin vào sự tồn tại của chúng, thậm chí bác bỏ cả những bằng chứng toán học cho thấy lỗ đen tồn tại. Thậm chí danh sách những kẻ hoài nghi còn ghi danh Albert Einstein, nhà vật lý lỗi lạc đã đề xuất thuyết tương đối chung, một thành tố tối quan trọng để để lỗ đen khả thi trên mặt lý thuyết.

Tuy vậy, có một người đã dự đoán chính xác về sự tồn tại của những thiên thể giống lỗ đen, trước cả khi Einstein ra đời. Chỉ dùng các định luật của Newton, vị tu sĩ người Anh có tên John Michell đã dự đoán về sự tồn tại của những vật thể vũ trụ kỳ lạ.

Vậy ông là ai, lời tiên tri của ông là gì, và vì sao lịch sử ít nhắc tới cái tên John Michell?

Michell ra đời vào năm 1724 tại ngôi làng Eakring, nước Anh, là con trai của một mục sư có tên Gilbert Michell với vợ là Obedience Gerrard. Dù chỉ được giáo dục tại gia cùng với em trai và chị gái, John Michell sớm bộc lộ khả năng tiếp thu nhanh và khả năng nhận thức tốt. Theo lời nhà sử học Russell McCormmach trong cuốn sách Cân Cả Thế Giới: Mục Sư John Michell vùng Thornhill, ông Gilbert rất hay trích lời một người bạn thân của gia đình, người mô tả cậu John là “một trong những cá nhân sáng dạ nhất mình từng gặp”.

Gia đình Michell theo đạo Cơ Đốc chủ nghĩa ôn hoà – một truyền thống tôn kính lý trí hơn giáo lý cực đoan, và bắt nguồn từ Đại học Cambridge dưới thời Isaac Newton. Vì vậy, khi đến lúc John vào đại học, ông đã chọn Cambridge.

John Michell ở lại Cambridge 20 năm và đảm nhiệm nhiều vị trí. Sau khi tốt nghiệp, ông tham gia giảng dạy nhiều môn bao gồm tiếng Hebrew, tiếng Hy Lạp, số học, thần học và địa chất học. Trong cuốn sách Ký sự John Michell, Archibald Geikie thuật lại rằng Michell “đam mê tự chế tạo dụng cụ thí nghiệm … Phòng của ông tại Đại học Queens [trực thuộc Cambridge] với đầy những dụng cụ và máy móc mang dáng dấp của một xưởng chế tác”.

Cũng là khoảng thời gian này tại Cambridge, Michell bắt đầu thể hiện khả năng “tiên tri”, đưa ra những ước đoán về tiến bộ khoa học.

Năm 1750, John Mitchell xuất bản một báo cáo về từ tính, tại đó ông phát hiện ra một định luật mới liên quan tới nam châm, qua đó mở rộng ứng dụng của nam châm trong điều hướng tàu biển. Năm 1760, ông xuất bản một báo cáo khác về cơ chế hoạt động của động đất, đồng thời phô diễn phương pháp tìm tâm chấn và tập trung nghiên cứu thảm họa động đất tại Lisbon diễn ra vào năm 1755. Cũng trong khoảng thời gian này, John Michell bắt đầu phân tích khả năng gây sóng thần của động đất dưới biển. Những nghiên cứu trên cũng là lý do John Mitchell được gọi là cha đẻ của địa chấn học và đo đạc từ tính.

Sau khi rời khỏi Cambridge vào năm 1764, ông kết hôn với Sarah Williamson và chuyển đến Thornhill ở Yorkshire, ông tiếp tục làm mục sư nối nghiệp cha mình. Khi Sarah qua đời vào năm 1765, Michell tái hôn với Ann Brecknock vào năm 1773. Bên cạnh công việc trong nhà thờ, ông duy trì liên lạc với nhiều triết gia và trí thức đương thời, bao gồm nhà bác học người Mỹ Benjamin Franklin.

Từ góc nhìn của thế kỷ 21, câu chuyện về một người sùng đạo Thiên Chúa giáo với một cuộc đời nghiên cứu khoa học phong phú có thể khiến nhiều người ngạc nhiên. Nhưng giống như hầu hết các nhà trí thức thế kỷ 18, Michell sẽ không phân biệt giữa tôn giáo và khoa học. Cùng lúc đó, sự xuất hiện của kính viễn vọng vào đầu những năm 1600 đã gây ra một cuộc biến động triết học lớn trên khắp châu Âu.

Thiết bị mới lật đổ quan niệm cũ, vốn cho rằng Trái Đất và Vũ trụ là những tạo vật vĩnh hằng của Chúa. Kính viễn vọng vĩnh viễn thay đổi cách chúng ta nhìn nhận thế giới, nhưng đối với những nhà tư tưởng như Michell, cuộc cách mạng này không thay thế Chúa, nó chỉ đơn giản là làm mới bí ẩn của Đấng tối cao: các quy luật tự nhiên đang được nghiên cứu vẫn là các quy luật của Chúa.

Trong bài luận có tên Quang học hoặc, Luận văn về sự phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ và màu sắc của ánh sáng được thảo năm 1804, Newton viết: "Nhiệm vụ của chúng ta đối với [Chúa], cũng như đối với nhau, sẽ tỏ tường dưới sáng của Tự nhiên". Đây là giáo điều mà John Michell nằm lòng. Và như nhà sử học McCormmach nhận định, “sự thật trong ông về tôn giáo đồng tình với sự thật tự nhiên”.

Vì vậy, với ông Michell, song hành với nghĩa vụ của một mục sư là nhiệm vụ nghiên cứu khoa học. Ông bắt đầu tìm hiểu về vũ trụ học, đặc biệt là bản chất của lực hấp dẫn. Đây chính là lĩnh vực chứng kiến nhiều đóng góp của John Michell, với những công trình nghiên cứu mang tính cách mạng và đi trước thời đại.

Michell tự tay dựng một chiếc kính viễn vọng cao 3 mét, và vào năm 1767, ông là người đầu tiên ứng dụng phương pháp thống kê toán học và nghiên cứu sao nhìn thấy được. Ông cho thấy những cụm sao như cụm Thất Nữ không xuất hiện ngẫu nhiên, mà là kết quả của lực hấp dẫn.

Năm 1783, bạn của Michell là Henry Cavendish đã một bức thư cho Michell, nhắc đến những khó khăn mà vị mục sư kiêm nhà khoa học đang gặp phải khi lắp ráp một thiết bị kính viễn vọng mới. “Nếu như sức khỏe của bạn cho phép bạn tiếp tục, tôi mong nó [ý chỉ dự án kính viễn vọng] dễ làm hơn, đỡ vất vả hơn việc cân cả thế giới”. Có lẽ Cavendish đã nói đùa, nhưng lời bông đùa của ông dựa trên những sự kiện có thật.

Lúc bấy giờ, John Michell đang thiết kế một thiết bị có tên cân xoắn, có thể giúp ông ước tính tỷ trọng Trái Đất thông qua những đo đạc về sức hút hấp dẫn giữa các quả nặng làm bằng chì. Tuy vậy, John Michell qua đời trước khi hoàn thiện thiết bị, và Cavendish đã tận dụng cái cân xoắn của nhà khoa học quá cố, và thực hiện đo đạc vào năm 1797.

Cavendish tính được tỷ trọng Trái Đất với sai số chỉ 1% khi so với kết quả được chấp nhận ngày nay. Phải tới năm 1895, một thí nghiệm khác mới đạt tới độ chính xác cao hơn con số đưa ra bởi Cavendish. Và cho tới ngày nay, những biến thể của cái cân xoắn do John Michell đề xuất vẫn được sử dụng để đo hằng số hấp dẫn - là con số chỉ sức hút của lực hấp dẫn trong Vũ trụ.

Lời tiên tri về lỗ đen vũ trụ

Cũng vào cái năm Cavendish gửi đi lá thư kể trên, John Michell xuất bản một báo cáo chứa một giả thuyết kỳ lạ; tuy giá trị khoa học không cao, nhưng cho thấy khả năng quan sát của ông Michell vượt tầm nhân loại đương thời. Sử dụng định luật Newton, báo cáo của Michell giải thích rằng có thể xác định tỷ trọng của một ngôi sao thông qua cách lực hấp dẫn của nó tương tác với những thiên thể lân cận khác, ví dụ như quỹ đạo của những ngôi sao hay sao chổi.

Tiếp đó, ông Michell luận bàn về cách ánh sáng cũng có thể sở hữu những đặc tính nói trên:

"Hãy cho rằng các hạt ánh sáng bị hút theo cách tương tự như tất cả các vật thể khác mà chúng ta biết... khỏi phải nghi ngờ điều này, vì lực hấp dẫn, theo như chúng ta biết hoặc có lý do để tin, là một quy luật phổ quát của tự nhiên".

Thuyết hạt ánh sáng đã được Isaac Newton đề xuất khoảng 80 năm trước đó, và dù chưa ai chứng minh được lời của Newton, nhận định này vẫn được chấp nhận rộng rãi trong thời đại của Michell. Michell đã giải thích rằng trên lý thuyết, hành vi của ánh sáng dưới tác động của lực hấp dẫn có thể cung cấp phương pháp tính toán mật độ ngôi sao, đặc biệt nếu một ngôi sao "đủ lớn để có thể ảnh hưởng rõ ràng đến tốc độ của ánh sáng phát ra từ nó". Hiểu biết hiện tại cho thấy Michell đã sai, bởi lẽ lực hấp dẫn không khiến ánh sáng bị giảm tốc, thế nhưng cách lý luận của ông vẫn hợp lý.

Cũng dựa trên nguyên tắc này, ông Michell luận ra một sự thật nay đã được kiểm chứng, rằng lực hấp dẫn của những thực thể vũ trụ khổng lồ có thể áp đảo ánh sáng của chính chúng. Ông cho rằng để điều này xảy ra, một thiên thể sẽ phải có mật độ vật chất tương đương Mặt Trời và lớn gấp 500 lần. Theo nhận định của Michell thời bấy giờ, ánh sáng vẫn có thể thoát ra khỏi thiên thể này, nhưng rồi “sẽ bị bắt quay trở lại điểm xuất phải, bởi chính lực hấp dẫn [của thiên thể]”.

Bởi lẽ lượng ánh sáng nay không bao giờ tới được chỗ chúng ta, “chúng ta không thể thu thập thông tin bằng mắt thường”, nhưng vẫn có thể phát hiện được nó thông qua những quỹ đạo bất quy tắc của những thiên thể lân cận, bị biến đổi do lực hấp dẫn của ngôi sao vô hình.

Báo cáo khoa học ông Michell đại diện cho những phỏng đoán gần nhất về khái niệm lỗ đen theo vật lý Newton, chưa kể đến phương pháp nhận diện chúng. Khoa học hiện đại đã phát hiện ra một số lỗ đen thông qua việc đo đạc quỹ đạo của các ngôi sao lân cận, đúng như cách mà Michell đã đề xuất. Và phải đến năm 2019, khoa học mới có tấm ảnh chụp lỗ đen đầu tiên.

Theo sử gia McCormmach, ý tưởng về sự tồn tại của những ngôi sao vô hình được đề xuất nhiều lần trong giới khoa học đương thời. Cùng năm Michell xuất bản báo cáo khoa học, một số nhà thiên văn khác đưa ra những nhận định mới mẻ về những ngôi sao khi chết, hay về những ngôi sao chưa bao giờ phát sáng.

Không lâu sau những biến động này, một loạt những thí nghiệm mới cho thấy ánh sáng không phải là hạt mà là sóng, nó nó đồng thời chỉ ra rằng ánh sáng không thể bị làm méo mó hay bị giữ lại bởi lực hấp dẫn. Những công trình nghiên cứu của John Michell dần bị rơi vào quên lãng, cho tới khi được tái phát hiện vào nửa sau của thế kỷ 20.

Năm 1994, nhà vật lý học Kip Thorne xuất bản trong cuốn sách Lỗ đen và Vết cong thời gian, mô tả sự đối lập rõ ràng giữa cách Michell và các nhà khoa học đương thời hứng thú với những ngôi sao vô hình và lực hấp dẫn cực lớn, với niềm tin đại chúng ở thế kỷ 20 rằng lỗ đen không có thật. Theo nhận định của Kip Thorn, khái niệm sao tối của Michell và các học giả "không đe dọa đến bất kỳ niềm tin quý giá nào về tự nhiên", và không thách thức "sự vĩnh cửu và ổn định của vật chất", từ đó không thể tạo nên đột phá.

Ngày nay, định nghĩa lỗ đen là “một lỗ thủng trong không-thời gian, một giếng vô hạn từ đó không có gì có thể thoát ra". Dù khái niệm này không giống với nhận định của John Mitchell, sử gia McCormmach cho rằng John Mitchell có lẽ sẽ vui vẻ chấp nhận khái niệm mới bởi lẽ ông là con người của sáng tạo, và sẽ tiếp tục theo đuổi những gì ông đam mê.

Di sản của John Mitchell - một con người có "liêm chính khoa học"

Michell mất ngày 21/4/1973, vẫn tiếp tục với vai trò giám mục tại miền Thornhill yêu dấu. Những nhà trí thức cùng thời Michell nổi tiếng tới tận ngày nay, họ xuất bản nhiều báo cáo khoa học hơn và nghiên cứu những đề tài được chú ý rộng rãi. Nhưng Mitchell không phải mẫu người “chạy theo xu hướng”.

Theo lời McCormmach, John Michell "tiếp cận các vấn đề khoa học theo cách mà chúng thu hút ông, trong bất kỳ lĩnh vực nào, và ông theo đuổi chúng cho đến khi ông muốn và không xa hơn; và ông công bố công trình của mình khi và chỉ khi ông muốn, và chỉ khi ông hoàn toàn hài lòng với nó". Điều này phần nào giải thích sự mờ nhạt của ông sau khi qua đời – ông đã đánh đổi danh tiếng lấy sự tự do trí tuệ.

Như nhà thiên văn học Ibn al-Haytham đã phát biểu, 700 năm trước thời Newton, rằng “những người tìm kiếm sự thật” sẽ không đặt niềm tin vào những khái niệm đã có sẵn, “mà là những kẻ nghi ngờ lòng tin của mình vào chúng … là những người đam mê tranh cãi và chứng minh”. John Mitchell cũng tuân theo truyền thống này, và với tư cách một người tự học như cha mình, ông bảo vệ sự liêm chính khoa học của mình bằng cách tách biệt khỏi những niềm tin đại chúng.

Sự tự chủ suy nghĩ của Mitchell cho phép ông tự do theo một cách khác nữa: có được một trí tưởng tượng tự do. Theo lời McCormmach, John Mitchell theo đuổi vũ trụ học bởi lẽ nó mang tới những triển vọng mới cho những thuyết của ông. Như nhà vật lý Albert Einstein từng nhận định vào năm 1929, rằng:

“Tôi đủ chất nghệ sĩ để có thể tự do tận dụng trí tưởng tượng của mình. Trí tưởng tượng quan trọng hơn tri thức. Thi thức có hạn. Trí tưởng tượng bao trùm cả thế giới”.