White holes and wormholes are probably real. Here's why.

(bell dings) Imagine you trap your nemesis in a rocket ship

(tiếng chuông ding) Hãy tưởng tượng bạn nhốt kẻ thù không đội trời chung của mình trong một con tàu tên lửa

and blast him off towards a black hole.

và phóng nó thẳng về phía một hố đen.

He looks back at you shaking his fist at a constant rate.

Hắn ngoái nhìn bạn và lắc nắm đấm đều đặn.

As he zooms in, gravity gets stronger,

Khi hắn lao vào gần hơn, lực hấp dẫn ngày càng mạnh,

so you would expect him to speed up,

nên bạn sẽ nghĩ hắn tăng tốc,

but that is not what you see.

nhưng điều bạn thấy không phải vậy.

Instead, the rocket ship appears to be slowing down.

Thay vào đó, con tàu tên lửa dường như đang chậm lại.

Not only that, he also appears to be shaking his fist slower and slower.

Không chỉ vậy, hắn còn dường như lắc nắm đấm ngày càng chậm.

That's because from your perspective, his time is slowing down

Đó là vì từ góc nhìn của bạn, thời gian của hắn đang chậm lại

at the very instant when he should cross the event horizon,

ngay tại thời điểm mà hắn lẽ ra phải vượt qua chân trời sự kiện,

the point beyond which not even light can escape,

ranh giới mà sau đó ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát ra,

he and his rocket ship do not disappear,

hắn và con tàu tên lửa của hắn không biến mất,

instead, they seem to stop frozen in time.

thay vào đó, chúng dường như dừng lại, đóng băng trong thời gian.

The light from the spaceship gets dimmer and redder

Ánh sáng từ con tàu vũ trụ ngày càng mờ và đỏ hơn

until it completely fades from view.

cho đến khi hoàn toàn biến mất khỏi tầm nhìn.

This is how any object would look crossing the event horizon.

Đây là cách bất kỳ vật thể nào cũng sẽ trông khi vượt qua chân trời sự kiện.

Light is still coming from the point where he crossed,

Ánh sáng vẫn đang phát ra từ điểm mà hắn đã vượt qua,

it's just too redshifted to see, but if you could see that light,

chỉ là nó bị dịch chuyển đỏ quá mức để nhìn thấy, nhưng nếu bạn có thể thấy ánh sáng đó,

then in theory you would see everything

thì về lý thuyết bạn sẽ thấy mọi thứ

that has ever fallen into the black hole

từng rơi vào hố đen

frozen on its horizon, including the star that formed it,

đóng băng trên chân trời của nó, bao gồm cả ngôi sao đã hình thành nên nó,

but in practice, photons are emitted at discreet intervals,

nhưng trên thực tế, các photon được phát ra theo những khoảng thời gian rời rạc,

so there will be a last photon emitted outside the horizon,

nên sẽ có một photon cuối cùng được phát ra bên ngoài chân trời,

and therefore these images will fade after some time.

và do đó những hình ảnh này sẽ mờ dần sau một thời gian.

- This is just one of the strange results

Đây chỉ là một trong những kết quả kỳ lạ

that comes outta the general theory of relativity, our current best theory of gravity.

xuất phát từ thuyết tương đối rộng, lý thuyết tốt nhất hiện nay về lực hấp dẫn.

The first solution of Einstein's equations predicted not only black holes,

Nghiệm đầu tiên của phương trình Einstein không chỉ tiên đoán hố đen,

but also their opposite, white holes.

mà còn cả thứ đối lập với chúng là lỗ trắng.

It also implied the existence of parallel universes

Nó còn ngụ ý sự tồn tại của các vũ trụ song song

and even possibly a way to travel between them.

và thậm chí có thể là một cách để di chuyển giữa chúng.

This is a video about the real science of black holes,

Đây là video về khoa học thực sự của hố đen,

white holes, and wormholes.

lỗ trắng và lỗ sâu.

- The general theory of relativity

- Thuyết tương đối rộng

arose at least in part due to a fundamental flaw in Newtonian gravity.

ra đời ít nhất một phần do một thiếu sót cơ bản trong lực hấp dẫn Newton.

In the 1600s Isaac Newton contemplated how an apple falls to the ground,

Vào thế kỷ 17, Isaac Newton đã suy ngẫm về việc quả táo rơi xuống đất như thế nào,

how the moon orbits the earth and earth orbits the sun

Mặt Trăng quay quanh Trái Đất và Trái Đất quay quanh Mặt Trời ra sao

and he concluded that every object with mass must attract every other,

và ông kết luận rằng mọi vật có khối lượng đều phải hút mọi vật khác,

but Newton was troubled by his own theory.

nhưng chính lý thuyết của mình lại khiến Newton băn khoăn.

How could masses separated by such vast distances apply a force on each other?

Làm sao các khối lượng cách nhau xa đến thế lại có thể tác dụng lực lên nhau?

He wrote, "That one body may act upon another at a distance

Ông viết: "Việc một vật có thể tác động lên vật khác ở khoảng cách

through a vacuum without the mediation of anything else

xuyên qua chân không mà không có bất cứ thứ gì trung gian

is to me, so great and absurdity that I believe no man

đối với tôi, là một điều phi lý đến mức tôi tin rằng không người nào

who has a competent faculty of thinking could ever fall into it."

có năng lực tư duy tốt lại có thể rơi vào đó."

One man who definitely had a competent faculty of thinking,

Một người chắc chắn có năng lực tư duy tốt,

was Albert Einstein and over 200 years later,

là Albert Einstein, và hơn 200 năm sau,

he figured out how gravity is mediated.

ông đã tìm ra lực hấp dẫn được truyền qua trung gian như thế nào.

Bodies do not exert forces on each other directly.

Các vật thể không trực tiếp tác dụng lực lên nhau.

Instead, a mass like the sun curves the spacetime in its immediate vicinity.

Thay vào đó, một khối lượng như Mặt Trời làm cong không-thời gian ngay xung quanh nó.

This, then curves the spacetime around it

Điều này lại làm cong không-thời gian xung quanh nó

and so on all the way to the earth.

và cứ thế cho đến tận Trái Đất.

So the earth orbits the sun, because the spacetime

Vì vậy Trái Đất quay quanh Mặt Trời, bởi vì không-thời gian

earth is passing through is curved.

mà Trái Đất đi qua bị cong.

Masses are affected by the local curvature

Các khối lượng chịu ảnh hưởng của độ cong cục bộ

of spacetime, so no action at a distance is required.

của không-thời gian, nên không cần đến tác dụng từ xa.

Mathematically, this is described by Einstein's field equations.

Về mặt toán học, điều này được mô tả bởi các phương trình trường Einstein.

Can you write down the Einstein field equation?

Bạn có thể viết phương trình trường Einstein ra không?

- This was the the result of Einstein's decade of hard work

Đây là kết quả của cả một thập kỷ làm việc miệt mài của Einstein

after special relativity and essentially what we've got in the field equations

sau thuyết tương đối hẹp, và về cơ bản đó chính là thứ mà các phương trình trường thể hiện

on one side it says, tell me about the distribution of matter and energy.

Một vế cho biết sự phân bố của vật chất và năng lượng.

The other side tells you what the resultant curvature

Vế còn lại cho biết độ cong kết quả

of spacetime is from that distribution

của không-thời gian được tạo ra từ sự phân bố đó

of matter and energy and it's a single line.

của vật chất và năng lượng, và nó chỉ là một dòng.

It looks like, oh, this is a simple equation, right?

Nhìn qua thì có vẻ đây là một phương trình đơn giản, phải không?

But it's not really one equation.

Nhưng thực ra nó không phải là một phương trình duy nhất.

It's a family of equations and to make life more difficult,

Đó là một họ phương trình, và để mọi chuyện khó khăn hơn,

they're coupled equations, so they depend upon each other and they are differential equations,

chúng là các phương trình ghép, tức là phụ thuộc lẫn nhau, và chúng còn là phương trình vi phân,

so it means that there are integrals

nghĩa là có những tích phân

that have to be done, da, da da.

phải thực hiện, v.v. và v.v.

So there's a whole bunch of steps that you need to do

Vì vậy có rất nhiều bước bạn cần thực hiện

to solve the field equations.

để giải các phương trình trường.

To see what a solution to these equations would look like,

Để thấy nghiệm của các phương trình này trông như thế nào,

we need a tool to understand spacetime.

chúng ta cần một công cụ để hiểu về không-thời gian.

So imagine your floating around in empty space.

Vì vậy, hãy tưởng tượng bạn đang trôi lơ lửng trong không gian trống.

A flash of light goes off above your head

Một tia sáng lóe lên phía trên đầu bạn

and spreads out in all directions.

và lan rộng ra mọi hướng.

Now your entire future, anything that can

Giờ thì toàn bộ tương lai của bạn, bất cứ điều gì có thể

and will ever happen to you will occur within this bubble

và sẽ từng xảy ra với bạn đều sẽ diễn ra bên trong bong bóng này

because the only way to get out of it

vì cách duy nhất để thoát ra khỏi nó

would be to travel faster than light.

là di chuyển nhanh hơn ánh sáng.

In two dimensions, this bubble is just a growing circle.

Trong hai chiều, bong bóng này chỉ là một vòng tròn đang lớn dần.

If we allow time to run up the screen

Nếu cho thời gian chạy lên trên màn hình

and take snapshots at regular intervals, then this light bubble traces out a cone,

và chụp ảnh tại các khoảng thời gian đều đặn, thì bong bóng ánh sáng này sẽ vạch ra một hình nón,

your future light cone.

hình nón ánh sáng tương lai của bạn.

By convention, the axes are scaled so that light rays

Theo quy ước, các trục được tỷ lệ sao cho các tia sáng

always travel at 45 degrees.

luôn đi theo góc 45 độ.

This cone reveals the only region of spacetime

Hình nón này cho thấy vùng duy nhất của không-thời gian

that you can ever hope to explore and influence.

mà bạn có thể hy vọng khám phá và tác động tới.

Now imagine that instead of a flash of light

Giờ hãy tưởng tượng thay vì một tia chớp sáng

above your head, those photons were actually traveling in

phía trên đầu bạn, những photon đó thực ra đang đi tới từ

from all corners of the universe and they met at that instant

mọi góc của vũ trụ và chúng gặp nhau đúng khoảnh khắc đó

and then continued traveling on in their separate directions.

rồi tiếp tục đi theo các hướng riêng của mình.

Well, in that case then into the past,

Vậy thì trong trường hợp đó, nhìn về quá khứ,

these photons also reveal a light cone, your past light cone.

những photon này cũng tạo nên một hình nón ánh sáng, hình nón ánh sáng quá khứ của bạn.

Only events that happened inside this cone

Chỉ những sự kiện xảy ra bên trong hình nón này

could have affected you up to the present moment.

mới có thể đã ảnh hưởng đến bạn cho tới thời điểm hiện tại.

We can simplify this diagram even further

Chúng ta có thể đơn giản hóa sơ đồ này hơn nữa

by plotting just one spatial and one time dimension.

bằng cách chỉ vẽ một chiều không gian và một chiều thời gian.

This is the spacetime diagram of empty space.

Đây là sơ đồ không-thời gian của không gian trống.

If you want to measure how far apart

Nếu bạn muốn đo khoảng cách giữa

two events are in spacetime, you use something called the spacetime interval.

hai sự kiện nằm trong không-thời gian, ta dùng một đại lượng gọi là khoảng cách không-thời gian (spacetime interval).

The interval squared is equal to minus dt squared,

Bình phương khoảng cách này bằng trừ dt bình phương,

plus dx squared, since spacetime is flat, the geometry is the same everywhere

cộng dx bình phương. Vì không-thời gian phẳng, hình học ở mọi nơi đều giống nhau

and so this formula holds throughout the entire diagram,

nên công thức này đúng trên toàn bộ biểu đồ,

which makes it really easy to measure the separation

khiến việc đo khoảng cách

between any two events, but around a mass,

giữa hai sự kiện bất kỳ trở nên rất dễ dàng. Nhưng xung quanh một khối lượng,

spacetime is curved and therefore you need to modify

không-thời gian bị cong, do đó bạn cần điều chỉnh

the equation to take into account the geometry.

phương trình để tính đến hình học đó.

This is what solutions to Einstein's equations are like.

Đây chính là đặc điểm của các nghiệm của phương trình Einstein.

They tell you how spacetime curves

Chúng cho bạn biết không-thời gian cong như thế nào

and how to measure the separation between two events in that curved geometry.

và cách đo khoảng cách giữa hai sự kiện trong hình học cong ấy.

Einstein published his equations in 1915 during the First World War,

Einstein công bố các phương trình của mình năm 1915, trong Chiến tranh thế giới thứ nhất,

but he couldn't find an exact solution.

nhưng ông không tìm được nghiệm chính xác.

Luckily, a copy of his paper made its way

May mắn thay, một bản sao bài báo của ông đã đến được

to the eastern front where Germany was fighting Russia,

mặt trận phía đông, nơi Đức đang giao chiến với Nga,

stationed there was one of the best astrophysicists of the time, Karl Schwarzschild.

và ở đó đóng quân là một trong những nhà vật lý thiên văn giỏi nhất thời bấy giờ, Karl Schwarzschild.

Despite being 41 years old, he had volunteered

Dù đã 41 tuổi, ông vẫn tình nguyện

to calculate artillery trajectories for the German army.

tính toán quỹ đạo pháo binh cho quân đội Đức.

At least until a greater challenge caught his attention,

Cho đến khi một thử thách lớn hơn thu hút sự chú ý của ông,

how to solve Einstein's field equations.

đó là làm thế nào để giải các phương trình trường Einstein.

Schwarzschild did the standard physicist thing and imagined the simplest possible scenario,

Schwarzschild làm điều mà các nhà vật lý thường làm là hình dung ra kịch bản đơn giản nhất có thể,

an eternal static universe with nothing in it

một vũ trụ tĩnh, vĩnh cửu, không có gì trong đó

except a single spherically symmetric point mass.

ngoài một khối lượng điểm đối xứng cầu duy nhất.

This mass was electrically neutral and not rotating.

Khối lượng này không mang điện và không quay.

Since this was the only feature of his universe,

Vì đây là đặc điểm duy nhất của vũ trụ ấy,

he measured everything using spherical coordinates relative to this center of this mass.

ông đo mọi thứ bằng tọa độ cầu, lấy tâm của khối lượng này làm gốc.

So r is the radius and theta and phi give the angles.

Vậy r là bán kính, còn theta và phi cho biết các góc.

For his time coordinate, he chose time as being measured

Với tọa độ thời gian, ông chọn thời gian được đo

by someone far away from the mass, where spacetime is essentially flat.

bởi một người ở rất xa khối lượng, nơi không-thời gian về cơ bản là phẳng.

Using this approach, Schwarzschild found the first non-trivial solution to Einstein's equations,

Bằng cách tiếp cận này, Schwarzschild đã tìm ra nghiệm không tầm thường đầu tiên của phương trình Einstein,

which nowadays we write like this.

mà ngày nay chúng ta viết như thế này.

This Schwarzschild metric describes how spacetime curves outside of the mass.

Metric Schwarzschild này mô tả cách không-thời gian cong bên ngoài khối lượng.

It's pretty simple and makes intuitive sense,

Nó khá đơn giản và có ý nghĩa trực quan,

far away from the mass spacetime is nearly flat,

ở xa khối lượng, không-thời gian gần như phẳng,

but as you get closer and closer to it,

nhưng khi bạn càng lại gần nó,

spacetime becomes more and more curved, it attracts objects in and time runs slower.

không-thời gian càng cong nhiều hơn, nó hút các vật thể vào và thời gian trôi chậm hơn.

(gunshots firing) Schwarzschild sent his solution to Einstein,

(tiếng súng nổ) Schwarzschild gửi lời giải của mình cho Einstein,

concluding with, "The war treated me kindly enough in spite of the heavy gunfire

kết thúc bằng câu: "Chiến tranh đối xử với tôi khá tử tế, dù tiếng súng dồn dập

to allow me to get away from it all

đã cho phép tôi thoát khỏi tất cả

and take this walk in the land of your ideas."

và dạo bước trong vùng đất ý tưởng của ông."

Einstein replied, "I have read your paper

Einstein hồi âm: "Tôi đã đọc bài báo của ông

with the utmost interest, I had not expected

với sự quan tâm tột độ, tôi không ngờ

that one could formulate the exact solution to the problem

rằng người ta có thể xây dựng nghiệm chính xác cho bài toán

in such a simple way."

theo một cách đơn giản đến vậy."

But what seemed at first quite simple, soon became more complicated.

Nhưng điều tưởng chừng khá đơn giản ban đầu nhanh chóng trở nên phức tạp hơn.

Shortly after Schwarzschild solution was published, people noticed two problem spots.

Ngay sau khi lời giải của Schwarzschild được công bố, người ta nhận ra hai điểm có vấn đề.

At the center of the mass, at r equals zero,

Tại tâm khối lượng, tức r bằng không,

this term is divided by zero, so it blows up to infinity

số hạng này bị chia cho không, nên nó tiến tới vô cực

and therefore this equation breaks down

và do đó phương trình này không còn đúng

and it can no longer describe what's physically happening.

và nó không còn mô tả được những gì đang xảy ra trong thực tế.

This is what's called a singularity.

Đây được gọi là một điểm kỳ dị.

Maybe that point could be excused, because it's in the middle of the mass,

Có lẽ điểm đó có thể được bỏ qua, vì nó nằm ở trung tâm khối lượng,

but there's another problem spot outside of it

nhưng còn một điểm có vấn đề khác nằm bên ngoài nó

at a special distance from the center

ở một khoảng cách đặc biệt tính từ tâm

known as the Schwarzschild radius, this term blows up.

được gọi là bán kính Schwarzschild, và số hạng này tiến tới vô cực.

So there is a second singularity. What is going on here?

Vậy là có một điểm kỳ dị thứ hai. Chuyện gì đang xảy ra ở đây?

Well, at the Schwarzschild radius, the spacetime curvature becomes so steep

Tại bán kính Schwarzschild, độ cong không-thời gian trở nên dốc đến mức

that the escape velocity, the speed that anything would need

vận tốc thoát, tức tốc độ tối thiểu mà bất cứ vật gì cần có

to leave there is the speed of light

để rời khỏi đó, là tốc độ ánh sáng

and that would mean that inside the Schwarzschild radius,

và điều đó có nghĩa là bên trong bán kính Schwarzschild,

nothing, not even light would be able to escape.

không gì, kể cả ánh sáng, có thể thoát ra.

So you'd have this dark object that swallows up matter and light,

Vậy bạn sẽ có một vật thể tối nuốt chửng vật chất và ánh sáng,

a black hole, if you will,

nếu bạn muốn, đó chính là một hố đen,

but most scientists doubted that such an object could exist,

nhưng phần lớn các nhà khoa học nghi ngờ rằng một vật thể như vậy có thể tồn tại,

because it would require a lot of mass

bởi vì nó đòi hỏi một khối lượng rất lớn

to collapse down into a tiny space.

để co lại thành một không gian nhỏ bé.

How could that possibly ever happen?

Làm sao điều đó có thể xảy ra được?

(thrilling music) Astronomers at the time were studying

(nhạc hồi hộp) Các nhà thiên văn học thời bấy giờ đang nghiên cứu

what happens at the end of a star's life.

điều gì xảy ra vào cuối vòng đời của một ngôi sao.

During its lifetime the inward force of gravity is balanced

Trong suốt vòng đời, lực hấp dẫn hướng vào trong được cân bằng

by the outward radiation pressure created by the energy released through nuclear fusion,

bởi áp suất bức xạ hướng ra ngoài, sinh ra từ năng lượng giải phóng qua phản ứng tổng hợp hạt nhân,

but when the fuel runs out, the radiation pressure drops.

nhưng khi nhiên liệu cạn kiệt, áp suất bức xạ giảm xuống.

So gravity pulls all the star material inwards, but how far?

Vậy là lực hấp dẫn kéo toàn bộ vật chất sao vào trong, nhưng đến mức nào?

Most astronomers believed some physical process would hold it up and in 1926,

Phần lớn các nhà thiên văn học tin rằng một quá trình vật lý nào đó sẽ chống đỡ nó, và năm 1926,

Ralph Fowler came up with a possible mechanism.

Ralph Fowler đã đề xuất một cơ chế khả dĩ.

Pauli's exclusion principles states that, "Fermions like electrons cannot occupy the same state,

Nguyên lý loại trừ Pauli phát biểu rằng: "Các fermion như electron không thể chiếm cùng một trạng thái,

so as matter gets pushed closer and closer together,

vì vậy khi vật chất bị ép lại gần nhau hơn và hơn nữa,

the electrons each occupy their own tiny volumes," but Heisenberg's uncertainty principle says that,

mỗi electron chiếm một thể tích nhỏ bé riêng," nhưng nguyên lý bất định Heisenberg lại cho rằng:

"You can't know the position and momentum of a particle

"Bạn không thể biết chính xác vị trí và động lượng của một hạt

with absolute certainty, so as the particles become more and more constrained in space,

với độ chắc chắn tuyệt đối, vì vậy khi các hạt ngày càng bị giới hạn trong không gian,

the uncertainty in their momentum, and hence their velocity must go up."

độ bất định về động lượng của chúng, và do đó cả vận tốc, phải tăng lên."

So the more a star is compressed, the faster electrons will wiggle around

Vì vậy, ngôi sao bị nén càng mạnh, các electron sẽ dao động càng nhanh

and that creates an outward pressure.

và điều đó tạo ra một áp suất hướng ra ngoài.

This electron degeneracy pressure would prevent the star from collapsing completely.

Áp suất suy biến electron này sẽ ngăn ngôi sao sụp đổ hoàn toàn.

Instead, it would form a white dwarf

Thay vào đó, nó sẽ hình thành một sao lùn trắng

with the density much higher than a normal star

với mật độ cao hơn nhiều so với một ngôi sao bình thường

and remarkably enough astronomers had observed stars that fit this description.

và đáng kinh ngạc là các nhà thiên văn đã quan sát được những ngôi sao phù hợp với mô tả này.

One of them was Sirius B.

Một trong số đó là Sirius B.

But the relief from this discovery was short-lived.

Nhưng sự nhẹ nhõm từ phát hiện này chỉ kéo dài trong thời gian ngắn.

Four years later, 19-year-old Subrahmanyan Chandrasekhar

Bốn năm sau, Subrahmanyan Chandrasekhar khi đó 19 tuổi

traveled by boat to England to study with Fowler

đi thuyền sang Anh để học cùng Fowler

and Arthur Eddington, one of the most revered scientists of the time.

và Arthur Eddington, một trong những nhà khoa học được kính trọng nhất thời bấy giờ.

During his voyage, Chandrasekhar realized that electron degeneracy pressure has its limits.

Trong chuyến đi, Chandrasekhar nhận ra rằng áp suất suy biến electron có giới hạn.

Electrons can wiggle faster and faster, but only up to the speed of light.

Electron có thể dao động ngày càng nhanh, nhưng chỉ đến tốc độ ánh sáng.

That means this effect can only support stars

Điều đó có nghĩa là hiệu ứng này chỉ có thể nâng đỡ các ngôi sao

up to a certain mass, the Chandrasekhar limit.

có khối lượng đến một ngưỡng nhất định, giới hạn Chandrasekhar.

Beyond this, Chandrasekhar believed, not even electron de degeneracy pressure

Vượt quá ngưỡng này, Chandrasekhar tin rằng ngay cả áp suất suy biến electron cũng không

could prevent a star from collapsing, but Eddington was not impressed.

thể ngăn một ngôi sao sụp đổ, nhưng Eddington không mấy ấn tượng.

He publicly blasted Chandrasekhar saying, "There should be a law of nature

Ông công khai chỉ trích Chandrasekhar, nói rằng: "Phải có một quy luật tự nhiên

to prevent a star from behaving in this absurd way"

để ngăn một ngôi sao cư xử theo cách phi lý này"

and indeed scientists did discover a way that stars heavier than the Chandrasekhar limit

và quả thật các nhà khoa học đã tìm ra một cách để những ngôi sao nặng hơn giới hạn Chandrasekhar

could support themselves.

có thể tự nâng đỡ chính mình.

When a star collapses beyond a white dwarf, electrons and protons fuse together

Khi một ngôi sao sụp đổ vượt quá giai đoạn sao lùn trắng, electron và proton kết hợp với nhau

to form neutrinos and neutrons.

để tạo thành neutrino và neutron.

These neutrons are also fermions, but with nearly 2000 times the mass an electron,

Các neutron này cũng là fermion, nhưng có khối lượng gấp gần 2000 lần electron,

their degeneracy pressure is even stronger.

nên áp suất suy biến của chúng còn mạnh hơn nữa.

So this is what holds up neutron stars.

Đây chính là thứ nâng đỡ các sao neutron.

There was this conviction among scientists that even if we didn't know the mechanism,

Các nhà khoa học tin rằng dù chưa biết cơ chế là gì,

something would prevent a star from collapsing

thì vẫn phải có thứ gì đó ngăn một ngôi sao sụp đổ

into a single point and forming a black hole,

thành một điểm duy nhất và hình thành lỗ đen,

because black holes were just too preposterous to be real.

bởi lỗ đen quá phi lý để có thể tồn tại thật.

The big blow to this belief came in the late 1930s

Cú đánh lớn vào niềm tin này đến vào cuối những năm 1930

when Jay Robert Oppenheimer and George Volkoff

khi Jay Robert Oppenheimer và George Volkoff

found that neutron stars also have a maximum mass.

phát hiện ra rằng sao neutron cũng có khối lượng tối đa.

Shortly after Oppenheimer and Hartland Snyder showed that for the heaviest stars,

Ngay sau đó, Oppenheimer và Hartland Snyder chỉ ra rằng đối với những ngôi sao nặng nhất,

there is nothing left to save them when their fuel runs out,

không còn gì để cứu chúng khi nhiên liệu cạn kiệt,

they wrote, "This contraction will continue indefinitely,"

họ viết: "Sự co lại này sẽ tiếp diễn vô thời hạn,"

but Einstein still couldn't believe it.

nhưng Einstein vẫn không thể tin được điều đó.

Oppenheimer was saying that stars can collapse indefinitely,

Oppenheimer đang nói rằng các ngôi sao có thể sụp đổ vô thời hạn,

but when Einstein looked at the math,

nhưng khi Einstein xem xét các phép tính,

he found that time freezes on the horizon.

ông thấy rằng thời gian đứng yên tại chân trời sự kiện.

So it seemed like nothing could ever enter, which suggested that either

Vì vậy dường như không có gì có thể đi vào, điều này gợi ý rằng hoặc

there's something we don't understand or that black holes can't exist,

có điều gì đó chúng ta chưa hiểu, hoặc lỗ đen không thể tồn tại,

(star explodes) but Oppenheimer offered a solution to the problem.

(ngôi sao phát nổ) nhưng Oppenheimer đã đưa ra một lời giải cho vấn đề này.

He said to an outside observer, you could never see anything go in,

Ông nói với một người quan sát bên ngoài rằng bạn sẽ không bao giờ thấy được bất cứ thứ gì đi vào,

but if you were traveling across the event horizon, you wouldn't notice anything unusual

nhưng nếu bạn đang đi qua chân trời sự kiện, bạn sẽ không nhận thấy bất cứ điều gì bất thường

and you'd go right past it without even knowing it.

và bạn sẽ đi thẳng qua nó mà thậm chí không hề biết.

So how is this possible?

Vậy điều này có thể xảy ra như thế nào?

We need a spacetime diagram of a black hole.

Chúng ta cần một giản đồ không-thời gian của một hố đen.

On the left is the singularity at r equals zero.

Ở bên trái là điểm kỳ dị tại r bằng không.

The dotted line at r equals 2M is the event horizon.

Đường chấm tại r bằng 2M là chân trời sự kiện.

Since the black hole doesn't move, these lines go straight up in time.

Vì hố đen không di chuyển, các đường này hướng thẳng lên theo thời gian.

Now let's see how ingoing and outgoing light ray travel in this curved geometry.

Bây giờ hãy xem tia sáng đi vào và đi ra truyền đi như thế nào trong hình học cong này.

When you're really far away,

Khi bạn ở rất xa,

the future light cones are at the usual 45 degrees,

các nón ánh sáng tương lai có góc 45 độ thông thường,

but as you get closer to the horizon,

nhưng khi bạn tiến gần chân trời hơn,

the light cones get narrower and narrower, until right at the event horizon,

các nón ánh sáng ngày càng hẹp lại, cho đến ngay tại chân trời sự kiện,

they're so narrow that they point straight up

chúng hẹp đến mức hướng thẳng đứng lên trên

and inside the horizon, the light cones tip to the left,

và bên trong chân trời, các nón ánh sáng nghiêng về phía bên trái,

but something strange happens with ingoing light rays.

nhưng có điều lạ xảy ra với các tia sáng đi vào.

- They fall in, but they don't get to r equals 2M,

- Chúng rơi vào, nhưng không bao giờ tới được r bằng 2M,

they actually asymptote to that value as time goes to infinity,

thực ra chúng tiệm cận tới giá trị đó khi thời gian tiến tới vô cùng,

but they don't end at infinity, right?

nhưng chúng không kết thúc ở vô cùng, đúng không?

Mathematically they are connected and come back in

Về mặt toán học, chúng được nối liền và quay trở lại

and they're traveling in this direction and this bothered a lot of people,

và chúng đi theo hướng này, và điều này khiến nhiều người băn khoăn,

this bothered people like Einstein, because he looked at these equations and went,

điều này khiến những người như Einstein băn khoăn, vì ông nhìn vào các phương trình này và nói,

"well, if nothing can cross this sort of boundary,

"nếu không có gì có thể vượt qua loại ranh giới này,

then how could there be black holes?

thì làm sao có thể tồn tại hố đen?

How could black holes even form?"

Làm sao hố đen thậm chí có thể hình thành?"

- So what is going on here?

- Vậy chuyện gì đang xảy ra ở đây?

Well, what's important to recognize is that this diagram is a projection.

Điều quan trọng cần nhận ra là sơ đồ này là một phép chiếu.

It's basically a 2D map of four dimensional curved spacetime.

Về cơ bản, nó là một bản đồ 2D của không-thời gian cong 4 chiều.

It's just like projecting the 3D Earth onto a 2D map.

Giống như việc chiếu Trái Đất 3D lên một bản đồ 2D vậy.

When you do that, you always get distortions.

Khi làm vậy, bạn luôn gặp phải sự méo mó.

There is no perfectly accurate way to map the earth onto a 2D surface,

Không có cách nào hoàn toàn chính xác để vẽ Trái Đất lên một mặt phẳng 2D,

but different maps can be useful for different purposes.

nhưng các loại bản đồ khác nhau có thể hữu ích cho những mục đích khác nhau.

For example, if you wanna keep angles and shapes the same,

Ví dụ, nếu bạn muốn giữ nguyên góc và hình dạng,

like if you're sailing across the ocean and you need to find your bearings,

chẳng hạn khi bạn đi thuyền qua đại dương và cần xác định phương hướng,

you can use the Mercator projection, that's the one Google Maps uses.

bạn có thể dùng phép chiếu Mercator, đây là loại mà Google Maps sử dụng.

A downside is that it misrepresent sizes.

Nhược điểm là nó thể hiện sai kích thước.

Africa and Greenland look about the same size,

Châu Phi và Greenland trông có kích thước gần như bằng nhau,

but Africa is actually around 14 times larger.

nhưng thực tế Châu Phi lớn hơn khoảng 14 lần.

The Gall-Peters projection keeps relative sizes accurate,

Phép chiếu Gall-Peters giữ đúng tỷ lệ kích thước tương đối,

but as a result, angles and shapes are distorted.

nhưng đổi lại, góc và hình dạng bị méo.

In a similar way, we can make different projections

Theo cách tương tự, chúng ta có thể tạo ra các phép chiếu khác nhau

of 4D spacetime to study different properties of it.

của không-thời gian 4 chiều để nghiên cứu các tính chất khác nhau của nó.

Physical reality doesn't change, but the way the map describes it does.

Thực tại vật lý không thay đổi, nhưng cách bản đồ mô tả nó thì có.

- He had chosen to put a particular coordinate system

- Ông ấy đã chọn một hệ tọa độ cụ thể

of a space and have a time coordinate, and off you go.

cho không gian và thêm một tọa độ thời gian, rồi cứ thế tiến hành.

It's the most sensible thing to do, right?

Đó là việc hợp lý nhất để làm, đúng không?

- People realize that if you choose a different coordinate system

- Mọi người nhận ra rằng nếu bạn chọn một hệ tọa độ khác

by doing a coordinate substitution, then the singularity at the event horizon disappears.

bằng cách thay đổi tọa độ, thì điểm kỳ dị tại chân trời sự kiện sẽ biến mất.

- It goes away.

- Nó biến mất.

That problem goes away and things can actually cross into the black hole.

Vấn đề đó biến mất và các vật thể thực sự có thể đi vào trong hố đen.

- What this tells us is that there is

- Điều này cho chúng ta biết rằng có

no real physical singularity at the event horizon.

không có điểm kỳ dị vật lý thực sự nào tại chân trời sự kiện.

It just resulted from a poor choice of coordinate system.

Nó chỉ xuất hiện do việc chọn hệ tọa độ không phù hợp.

Another way to visualize what's going on

Một cách khác để hình dung chuyện đang xảy ra

is by describing space as flowing in towards the black hole, like a waterfall.

là mô tả không gian đang chảy vào trong hố đen, giống như một thác nước.

As you get closer, space starts flowing in faster and faster.

Khi bạn càng đến gần, không gian chảy vào ngày càng nhanh.

Photons emitted by the spaceship have to swim

Các photon do tàu vũ trụ phát ra phải bơi

against this flow, and this becomes harder and harder the closer you get.

ngược dòng chảy này, và điều đó ngày càng khó khăn khi bạn càng đến gần.

Photons emitted just outside the horizon

Các photon phát ra ngay bên ngoài chân trời

can barely make it out, but it takes longer and longer.

gần như khó thoát ra được, và thời gian thoát ngày càng lâu.

At the horizon, space falls in as fast as the photons are swimming.

Tại chân trời, không gian rơi vào nhanh bằng tốc độ bơi của các photon.

So if the horizon had a finite width, then photons would get stuck here,

Vì vậy, nếu chân trời có bề rộng hữu hạn, thì các photon sẽ bị mắc kẹt ở đây,

photons from everything that ever fell in, but the horizon is infinitely thin.

các photon từ mọi thứ từng rơi vào, nhưng chân trời thì mỏng vô hạn.

So in reality, photons either eventually escape or fall in.

Vì vậy, trên thực tế, các photon cuối cùng hoặc thoát ra hoặc rơi vào.

Inside the horizon, space falls faster than the speed of light,

Bên trong chân trời, không gian rơi nhanh hơn tốc độ ánh sáng,

and so everything falls into the singularity.

và do đó mọi thứ đều rơi vào điểm kỳ dị.

So Oppenheimer was right.

Vậy là Oppenheimer đã đúng.

Someone outside a black hole can never see anything enter

Một người ở bên ngoài hố đen không bao giờ có thể thấy có thứ gì đi vào

because the last photons they can see

bởi vì các photon cuối cùng họ có thể nhìn thấy

will always be from just outside the horizon, but if you yourself go,

luôn đến từ ngay bên ngoài chân trời, nhưng nếu chính bạn đi vào,

you will fall right across the event horizon and into the singularity.

bạn sẽ rơi thẳng qua chân trời sự kiện và vào điểm kỳ dị.

Now you can extend the waterfall model to cover all three spatial dimensions,

Giờ bạn có thể mở rộng mô hình thác nước để bao quát cả ba chiều không gian,

and that gives you this, a real simulation

và điều đó cho bạn thấy đây, một mô phỏng thực sự

of space flowing into a static black hole

về không gian chảy vào một hố đen tĩnh

made by my friend Alessandro from ScienceClic.

do người bạn Alessandro của tôi từ ScienceClic thực hiện.

Later we'll use this model to see what it's like

Về sau chúng ta sẽ dùng mô hình này để xem cảm giác như thế nào

falling into a rotating black hole.

rơi vào một hố đen đang quay.

Now, I've never been sucked into a black hole,

Giờ thì tôi chưa bao giờ bị hút vào hố đen,

but sometimes it feels like it when I'm stuck on the phone

nhưng đôi khi cảm giác y như vậy khi tôi bị mắc kẹt trên điện thoại

with a spam collar.

với một cuộc gọi rác.

Fortunately, today's sponsor Incogni can help.

May mắn là nhà tài trợ hôm nay, Incogni, có thể giúp được.

You know, I used to get several spam calls a day,

Bạn biết đấy, tôi từng nhận vài cuộc gọi rác mỗi ngày,

and they frustrated me so much that I wrote a letter

và chúng khiến tôi bực bội đến mức tôi đã viết một lá thư

to the Do Not Call registry to get my number removed,

gửi đến cơ quan đăng ký Do Not Call để xóa số của tôi,

but that didn't work and so I wanted to go on the offensive.

nhưng cách đó không hiệu quả nên tôi muốn chuyển sang thế chủ động.