Thuyết tương đối rộng tròn 100 tuổi

Viết bởi Trần Nghiêm Thứ sáu, 13 Tháng 3 2015 13:43

Lí thuyết tương đối rộng của Albert Einstein ngày càng khẳng định vị thế đàn anh của nó sau một thế kỉ trình làng.

Lí thuyết tương đối rộng, được Einstein công bố vào năm 1915, vẫn là nền tảng cho sự nhận thức của các nhà khoa học về nguồn gốc và sự tiến hóa của những phần còn lại của vũ trụ. Nó tiếp tục truyền cảm hứng cho người ta nghiên cứu một số câu hỏi cơ bản nhất chưa được trả lời trong vật lí học và trong thiên văn học.

Lí thuyết tương đối rộng “hiện nay, theo tôi, được chấp nhận rộng rãi là nền tảng cho mô tả của chúng ta của vũ trụ vĩ mô, cái chúng ta gọi là vũ trụ học; của các lỗ đen, của sao neutron và của những hiệu chỉnh nhỏ cho quỹ đạo của các hành tinh và phi thuyền vũ trụ trong hệ mặt trời của chúng ta,” phát biểu của Roger Blandford thuộc Viện Thiên văn Vật lí Hạt cơ bản và Vũ trụ học Kavli tại Đại học Stanford.

Lí thuyết tương đối rộng Einstein tiên đoán rằng các vật thể khối lượng lớn làm uốn cong không-thời gian xung quanh chúng. Phi thuyền Gravity Probe B của NASA đã tìm thấy không-thời gian xung quanh Trái đất thật sự bị uốn cong bởi hành tinh của chúng ta, và bị xoắn bởi chuyển động quay của nó. Ảnh: NASA

Bản chất của lực hấp dẫn

Thuyết tương đối rộng bổ sung thêm lực hấp dẫn cho thuyết tương đối hẹp, lí thuyết Einstein công bố vào năm 1905. Thuyết tương đối hẹp thừa nhận rằng các định luật vật lí là như nhau đối với mọi nhà quan sát không gia tốc, và rằng tốc độ ánh sáng trong chân không là bất biến, cho dù nhà quan sát hay nguồn sáng có đang chuyển động hay không.

Thuyết tương đối hẹp thiết lập mối liên hệ giữa năng lượng và khối lượng, với phương trình nổi tiếng nhất trong lịch sử: E = mc² (“E” là năng lượng; “m” là khối lượng, và “c” là tốc độ ánh sáng trong chân không – khoảng 1,08 tỉ km/h). Lí thuyết này cũng thống nhất không gian và thời gian thành một “không-thời gian” bốn chiều.

Thuyết tương đối rộng mở rộng quan điểm thứ hai này, giải thích rằng vật chất làm uốn cong không-thời gian, giống hệt như một quả bóng bowling đặt trên một tấm bạt làm cong oằn tấm bạt vậy. Nhận thức sâu sắc này không đến với Albert Einstein một cách dễ dàng gì; ông có cách làm việc riêng của ông, sau hơn một thập niên suy nghĩ không ngừng và làm việc cật lực.

“Ông phải đi lại từng bước chân của mình. Ông đề xuất những thứ sau đó ông rút lại. Nhưng ông vẫn tiếp tục bước tới,” Blandford nói. “Ông được chỉ dẫn không phải bởi những quan niệm toán học hay kĩ thuật toán học. Ông được chỉ dẫn trước tiên và trước hết bởi trực giác vật lí: rằng trực giác vật lí hết sức mạnh mẽ mà ông tích góp trong quá khứ không khiến ông dừng lại ở đây.”

Thuyết tương đối rộng mô tả lực hấp dẫn không phải là một lực bẩm sinh tác dụng lên các vật mà là hệ quả của sự cong của không-thời gian. (Hãy tưởng tượng một hòn bi lăn xuống đường dốc tạo ra bởi quả bóng bowling trên tấm bạt.)

Đó là một quan niệm triệt để, đầy uy lực – và nó đã trụ vững một thế kỉ nay, Blandford viết trong một bài bình luận đăng trên tạp chí Science, số trực tuyến ngày 5/3/2015.

Xác nhận từ nhiều phần tư thế kỉ

Thuyết tương đối rộng dự đoán rằng ánh sáng sẽ đi theo một quỹ đạo cong xung quanh một vật thể khối lượng lớn như một đám thiên hà, nó làm uốn cong đáng kể kết cấu của không-thời gian.

Dự đoán này đã được người ta quan sát thấy; các nhà thiên văn thường sử dụng hiệu ứng “thấu kính hấp dẫn” đó để nghiên cứu các nguồn sáng ở xa. Thật vậy, ở cấp độ thấp hơn một chút, hiện tượng trên còn giúp các nhà săn lùng hành tinh tìm kiếm các thế giới ngoài hệ mặt trời của chúng ta. (Các hành tinh ngoài hệ mặt trời thỉnh thoảng được phát hiện bằng cách nghiên cứu hệ sao của chúng làm bẻ cong ánh sáng từ các vật thể phông nền như thế nào.)

Các dị thường trong quỹ đạo của Kim tinh xung quanh mặt trời cũng là bằng chứng cho thuyết tương đối rộng.

“Nó giải thích sự tiến động dị thường của điểm cận nhật của Kim tinh, hay chuyển động quay của đường nối giữa mặt trời và điểm mà hành tinh này ở gần mặt trời nhất,” Blandford viết trong một bài báo trên tạp chí Science. “Einstein đã sử dụng thuyết tương đối rộng giải thích chừng 10% dị biệt trong sự tiến động đó là do lực hút hấp dẫn của những hành tinh khác, chừng 43% giây cung trên mỗi thế kỉ. Độ chuẩn xác ngày nay là hơn 10 ^{– 4}.”

Những loại bằng chứng quan sát khác cũng giúp củng cố nền tảng cho thuyết tương đối rộng, Blandford nói.

“Chúng ta đã kiểm tra nó theo nhiều, nhiều cách khác nhau,” ông nói. “Tôi cho là có thể nói chắc rằng không có phép đo hay quan sát đáng tin cậy nào khiến người ta nghi ngờ [thuyết tương đối rộng] trong tầm áp dụng của nó.”

Albert Einstein và bảng đen. Ảnh: NASA

Một vũ trụ tối

Thuyết tương đối rộng cũng hàm ý rằng phần lớn vũ trụ mênh mông được cấu tạo bởi loại vật chất mà con người không thể phát hiện trực tiếp hay (tại thời điểm này) thậm chí hiểu được, David Spergel thuộc Đại học Princeton viết trong một bài bình luận trên tạp chí Science, cùng số ra đã nêu.

Nghiên cứu tỉ mỉ chuyển động của vật chất và ánh sáng trong khắp vũ trụ cho thấy chỉ riêng vật chất “bình thường” không thể giải thích được kết cấu cong của không-thời gian, Spergel lưu ý. Thật vậy, các quan sát cho biết chỉ 5% vũ trụ là vật chất nguyên tử quen thuộc, trong khi 25% là vật chất tối và khoảng 70 là năng lượng tối.

Vật chất tối không hấp thụ cũng không phát xạ ánh sáng, sự tồn tại của nó chỉ được lần ra qua các tác dụng hấp dẫn của nó. Trong khi đó, năng lượng tối là một lực bí ẩn đi cùng với không gian trống rỗng và được cho là nguyên nhân gây ra sự dãn nở tăng tốc của vũ trụ.

Năm 1917, Einstein đã đưa một số hạng gọi là “hằng số vũ trụ học” vào thuyết tương đối rộng, là một lực đẩy sẽ đối trọng với lực hấp dẫn và thu được một vũ trụ tĩnh (đó là quan điểm thống lĩnh về bản chất vũ trụ lúc ấy). Sau khi các quan sát nổi tiếng năm 1929 của nhà thiên văn học Edwin Hubble cho thấy vũ trụ thật sự đang tăng tốc, Einstein đã rút lại hằng số vũ trụ học, xem nó là “sai lầm lớn nhất” của đời ông.

Nhưng hằng số đó có giá trị tiên tri đến mức các nhà thiên văn học hiện nay đang tóm lấy nó cho bản chất của năng lượng tối.

“Tại sao vũ trụ lại đang tăng tốc? Khả năng được nghiên cứu nhiều nhất là hằng số vũ trụ học (hay tương đương, năng lượng chân không của không gian trống rỗng) đang chi phối gia tốc vũ trụ,” Spergel viết trong bài báo Science. “Một khả năng khác là có một trường vô hướng đang tiến hóa lấp đầy không gian (giống như trường Higgs hay trường lạm phát chi phối sự dãn nở nhanh lúc đầu của vũ trụ). Cả hai khả năng này mắc kẹt trong ‘năng lượng tối’.

“Bởi vì toàn bộ bằng chứng cho năng lượng tối sử dụng các phương trình của thuyết tương đối rộng để lí giải các quan sát của chúng ta về sự dãn nở và tiến hóa của vũ trụ, cho nên một kết luận khác là cần có một lí thuyết mới của lực hấp dẫn để giải thích các quan sát đó,” ông bổ sung thêm. “Khả năng là gồm các lí thuyết hấp dẫn cải tiến với các chiều bổ sung.”

Tương lai phía trước

Thuyết tương đối rộng sẽ tiếp tục định hình các nỗ lực của các nhà vật lí học, nhà vũ trụ học và nhà thiên văn học cho đến tương lai xa, Blandford nói.

Chẳng hạn, các nhà nghiên cứu sẽ tiếp tục sử dụng lí thuyết này để hiểu rõ hơn các lỗ đen, các sao neutron cùng các thiên thể và hiện tượng khác. Các nhà khoa học cũng sẽ tiếp tục khảo sát bản chất của năng lượng tối và vật chất tối, trong một nỗ lực nhằm tìm hiểu vũ trụ ở những thang bậc vĩ mô nhất.

Cuối cùng, và có lẽ là cái hào hứng nhất, các nhà nghiên cứu sẽ tiếp tục cố gắng thống nhất thuyết tương đối rộng với cơ học lượng tử, để se duyên thế giới của cái rất lớn với thế giới của cái rất nhỏ. “Lí thuyết của tất cả” mà người ta trông mong này đã lãng tránh các nhà vật lí từ trước đến nay, nhưng Blandford cho rằng người ta có thể đạt tới nó.

“Có nhiều quan điểm hấp dẫn ở ngoài kia,” ông nói. “Tôi là người lạc quan và tôi hi vọng các đồng nghiệp của tôi có thể giải quyết được vấn đề này.”

Nguồn: Mike Wall - Space.com

http://360.thuvienvatly.com