Trước cả khi Albert Einstein ra đời, một tu sĩ liêm chính đã dự đoán về sự tồn tại của lỗ đen

Gần 200 năm trước khi giới khoa học chấp nhận sự tồn tại của lỗ đen, tu sĩ người Anh John Michell đã đưa ra ý tưởng táo bạo về một hiện tượng vũ trụ bí ẩn. Vậy tại sao ông lại không trở nên nổi tiếng?

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 lựa 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 Michell xuất bản một báo cáo về từ tính, trong đó ông phát hiện ra một định luật mới liên quan đến nam châm, 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 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 này là lý do John Mitchell được gọi là cha đẻ của địa chấn học và đo đạc từ tính.

Sau khi rời Cambridge vào năm 1764, ông kết hôn với Sarah Williamson và chuyển đến Thornhill ở Yorkshire, ông tiếp tục làm mục sư kế 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 không phân biệt giữa tôn giáo và khoa học. Đồng thời, 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 đã lật đổ quan niệm cũ rằng Trái Đất và Vũ trụ là những sáng tạo vĩnh cửu của Chúa. Kính viễn vọng đã thay đổi cách chúng ta nhìn nhận thế giới, nhưng đối với các tư tưởng như của Michell, cuộc cách mạng này không phủ nhận Chúa, mà chỉ làm mới bí ẩn của Đấng tối cao: các quy luật tự nhiên mà chúng ta nghiên cứu vẫn là những quy luật của Chúa.

Trong bài luận mang tên Quang học hoặc, Luận văn về sự phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ và màu sắc của ánh sáng năm 1804, Newton viết: 'Nhiệm vụ của chúng ta đối với [Chúa], cũng như đối với nhau, sẽ tỏ rõ dưới ánh sáng của Tự nhiên'. Đây là giáo điều mà John Michell tôn kính. Và theo sử gia McCormmach, “sự hiểu biết của ông về tôn giáo cũng như về tự nhiên là chân thật”.

Với Michell, song hành với vai trò mục sư là nhiệm vụ nghiên cứu khoa học. Ông bắt đầu khám phá về vũ trụ học, đặc biệt là về lực hấp dẫn. Đây là lĩnh vực mà John Michell đã có nhiều đóng góp, với những công trình nghiên cứu đầy cách mạng và tiên phong.

Michell tự tay chế tạo một chiếc kính viễn vọng cao 3 mét, và vào năm 1767, ông là người đầu tiên áp dụng phương pháp thống kê toán học và nghiên cứu sao nhìn thấy. Ông chứng minh rằng các cụm sao như cụm sao Thất Nữ không phải là ngẫu nhiên, mà là kết quả của lực hấp dẫn.

Năm 1783, bạn của Michell, Henry Cavendish, viết thư cho ông, nhắc nhở về những khó khăn mà vị mục sư kiêm nhà khoa học đang gặp phải khi lắp đặt một thiết bị kính viễn vọng mới. “Nếu sức khỏe của bạn cho phép, tôi hy vọng dự án này [thiết bị kính viễn vọng] sẽ dễ dàng hơn, và không cần cân nhắc thế giới như thế”. Có thể Cavendish nói đùa, nhưng lời nói của ông dựa trên sự thật.

Vào lúc đó, John Michell đang thiết kế một thiết bị có tên cân xoắn, giúp ông ước tính tỷ trọng Trái Đất dựa trên đo đạc lực hút giữa các quả nặng làm bằng chì. Tuy nhiên, John Michell qua đời trước khi hoàn thiện thiết bị này, và Cavendish đã sử dụng cái cân xoắn của nhà khoa học đã mất vào năm 1797.

Cavendish đã tính được tỷ trọng của Trái Đất với sai số chỉ 1% so với các kết quả hiện tại được chấp nhận. Cho đến năm 1895, thí nghiệm mới đã đạt được độ chính xác cao hơn con số mà Cavendish đưa ra. Và đến ngày nay, các biến thể của cân xoắn mà John Michell đề xuất vẫn được sử dụng để đo hằng số hấp dẫn - là mức độ sức hút của lực hấp dẫn trong Vũ trụ.

Dự báo về lỗ đen vũ trụ

Cũng vào năm mà Cavendish viết lá thư như đã mô tả trước đó, John Michell đã xuất bản một báo cáo chứa một giả thuyết đầy kỳ lạ; mặc dù giá trị khoa học không cao, nhưng cho thấy khả năng quan sát của Michell vượt xa tầm nhìn của con người thời bấy giờ. Áp dụng định luật của Newton, báo cáo của Michell giải thích rằng có thể xác định tỷ trọng của một ngôi sao bằng cách lực hấp dẫn tương tác với các thiên thể xung quanh, chẳng hạn như quỹ đạo của các ngôi sao hoặc sao chổi.

Sau đó, Michell đã thảo luận về cách mà ánh sáng có thể có các tính chất như đã đề cập trước đó:

'Cho rằng các hạt ánh sáng bị hấp dẫn tương tự như bất kỳ vật thể nào khác mà chúng ta biết... không có lý do để 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 cách đây khoảng 80 năm, và mặc dù chưa có ai chứng minh lời của ông Newton, nhận định này vẫn được chấp nhận rộng rãi trong thời đại của Michell. Michell đã giải thích rằng lý thuyết về cách ánh sáng hành xử dưới tác động của lực hấp dẫn có thể cung cấp một phương pháp để tính toán mật độ của ngôi sao, đặc biệt khi một ngôi sao 'đủ lớn để có thể ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ của ánh sáng phát ra từ nó'. Hiểu biết hiện tại cho thấy Michell đã sai, vì lực hấp dẫn không làm giảm tốc độ ánh sáng, nhưng lý thuyết của ông vẫn rất hợp lý.

Cũng dựa trên nguyên lý này, John Michell nhận ra một sự thật đã được kiểm chứng, rằng lực hấp dẫn của những thiên 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 phải có mật độ vật chất tương đương với Mặt Trời và lớn gấp 500 lần. Theo nhận định của Michell thời điểm đó, ánh sáng có thể thoát ra khỏi thiên thể này, nhưng sau đó sẽ “bị bắt quay trở lại điểm xuất phát bởi lực hấp dẫn của nó”.

Bởi vì lượng ánh sáng hiện nay không bao giờ đến được nơi chúng ta, “chúng ta không thể thu thập thông tin bằng mắt thường”, nhưng vẫn có thể phát hiện được nó thông qua các quỹ đạo không đều của các thiên thể lân cận, bị biến dạng bởi lực hấp dẫn của các ngôi sao vô hình.

Báo cáo khoa học của John Michell đại diện cho những dự đoán gần nhất về khái niệm lỗ đen theo lý thuyết 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 quỹ đạo của các ngôi sao lân cận, chính xác như Michell đã đề xuất. Và đến năm 2019, khoa học mới có được bức ảnh chụp lỗ đen đầu tiên.

Theo sử gia McCormmach, ý tưởng về sự tồn tại của các ngôi sao vô hình đã được đưa ra nhiều lần trong cộng đồng khoa học của thời điểm đó. Cùng với báo cáo khoa học của Michell, một số nhà thiên văn khác cũng đưa ra những nhận định mới về các ngôi sao chết, hay về các ngôi sao chưa từng phát sáng.

Không lâu sau những phát hiện này, một loạt thí nghiệm mới chỉ ra rằng ánh sáng không phải là hạt mà là sóng, đồng thời cho thấy rằng ánh sáng không thể bị biến dạng hay bị giữ lại bởi lực hấp dẫn. Các nghiên cứu của John Michell dần bị lãng quên, cho đến khi được tái khám phá vào nửa sau của thế kỷ 20.

Năm 1994, nhà vật lý Kip Thorne đã xuất bản cuốn sách Lỗ đen và Vết cong thời gian, mô tả sự khác biệt rõ ràng giữa cách Michell và các nhà khoa học đương thời quan tâm đến các ngôi sao vô hình và lực hấp dẫn siêu lớn, với sự tin tưởng của công chúng vào thế kỷ 20 rằng lỗ đen không tồn tại. Theo nhận định của Kip Thorne, khái niệm về sao tối của Michell và các học giả không “đe dọa bất kỳ niềm tin quan trọng nào về tự nhiên”, và không làm “thách thức sự vĩnh cửu và ổn định của vật chất”, do đó không thể đạt được bất cứ bước tiến nào.

Ngày nay, định nghĩa của lỗ đen là “một lỗ thủng trong không gian-thời gian, một giếng vô tận từ đó không có gì có thể thoát ra'. Dù khái niệm này không giống với quan điểm của John Michell, sử gia McCormmach cho rằng John Michell có thể sẽ vui mừng chấp nhận khái niệm mới vì ông là một con người sáng tạo và sẽ tiếp tục theo đuổi những gì mà ông yêu thích.

Di sản của John Michell - một con người có 'liêm chính khoa học'

Michell qua đời vào ngày 21/4/1973, vẫn giữ vai trò là giám mục ở vùng Thornhill yêu dấu của ông. Các nhà tri thức cùng thời điểm với Michell vẫn nổi tiếng đến ngày nay, họ đã xuất bản nhiều báo cáo khoa học hơn và nghiên cứu các chủ đề thu hút sự chú ý rộng rãi. Tuy nhiên, Michell không phải là người theo đuổi những xu hướng.

Theo McCormmach, John Michell “tiếp cận các vấn đề khoa học theo cách mà chúng thu hút ông, trong mọi lĩnh vực, 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 giải thích một phần vì sao sau khi qua đời, ông trở nên ít được biết đến – ông đã đánh đổi danh tiếng lấy sự tự do trí tuệ.

Như nhà thiên văn học Ibn al-Haytham đã nói cách đây 700 năm so với thời Newton, rằng “những người tìm kiếm sự thật” sẽ không đặt niềm tin vào các 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 Michell cũng tuân theo truyền thống này, và với tư cách là một người tự học như cha ông, ông bảo vệ sự liêm chính khoa học của mình bằng cách tách biệt khỏi những niềm tin rộng rãi.

Sự độc lập trong suy nghĩ của Michell cho phép ông có tự do khác: sự sáng tạo tự do. Theo McCormmach, John Michell theo đuổi vũ trụ học vì nó mang lại triển vọng mới cho các lý thuyết của ông. Như nhà vật lý Albert Einstein từng nói vào năm 1929, rằng:

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