Giai điệu giây và bản giao hưởng vũ trụ - Brian Greene

Kiểm chứng thực nghiệm thuyết tương đối rộng

Phần lớn những ai nghiên cứu thuyết tương đối rộng đều bị hấp dẫn bởi vẻ đẹp thanh nhã của nó. Bằng cách thay thế quan niệm lạnh lùng và mang tính cơ học của Newton về không gian, thời gian và hấp dẫn bằng sự mô tả động và mang tính hình học, Einstein đã đan bện hấp dẫn vào cấu trúc cơ bản của Vũ trụ. Thay vì bị áp đặt như một cấu trúc được thêm vào, hấp dẫn đã trở thành một bộ phận hữu cơ của Vũ trụ ở mức cơ bản nhất của nó. Việc thổi sự sống vào không gian và thời gian bằng cách cho phép chúng uốn cong và lượn sóng đã tạo ra cái mà chúng ta thường gọi là hấp dẫn.

Tạm gác khía cạnh mỹ học sang một bên, sự kiểm chứng tối hậu của một lý thuyết vật lý là khả năng giải thích và tiên đoán chính xác những hiện tượng vật lý của lý thuyết đó. Từ khi khởi đầu vào cuối những năm 1600 cho tới tận đầu thế kỷ XX, lý thuyết của Newton về hấp dẫn đã vượt qua sự kiểm nghiệm này một cách vẻ vang. Dù là áp dụng cho quả bóng được ném lên, cho các vật rơi xuống từ tháp nghiêng, cho các sao chổi quay quanh Mặt Trời hay cho các hành tinh quay trên quỹ đạo xung quanh Mặt Trời, lý thuyết của Newton về hấp dẫn đều cho những giải thích cực kỳ chính xác đối với mọi quan sát cũng như những tiên đoán đã được kiểm chứng rất nhiều lần trong vô vàn tình huống khác nhau. Động cơ để đặt vấn đề xem xét lại một lý thuyết đã rất thành công về mặt thực nghiệm như thế, như chúng tôi đã từng nhấn mạnh, đó là tính chất truyền tức thời của lực hấp dẫn mâu thuẫn với thuyết tương đối hẹp.

Những hiệu ứng của thuyết tương đối hẹp, mặc dù rất quan trọng đối với sự hiểu biết cơ bản về không gian, thời gian và chuyển động, nhưng lại cực kỳ nhỏ trong thế giới của những vận tốc chậm như thế giới mà chúng ta đang sống. Cũng tương tự như vậy, những sai lệch giữa thuyết tương đối rộng của Einstein – lý thuyết tương thích được với thuyết tương đối hẹp – và lý thuyết của Newton về hấp dẫn cũng là cực kỳ nhỏ trong hầu hết các tình huống thông thường. Điều này vừa hay cũng vừa không hay. Hay là bởi vì bất kỳ một lý thuyết nào muốn thay thế cho lý thuyết của Newton về hấp dẫn đều phải phù hợp tốt nhất với nó trong những lĩnh vực mà lý thuyết Newton đã được kiểm chứng bằng thực nhiệm. Còn không hay là bởi vì nó sẽ làm cho ta khó phán xử hai lý thuyết bằng thực nghiệm. Vì vậy, để phân biệt giữa hai lý thuyết của Newton và Einstein đòi hỏi phải có những phép đo cực kỳ chính xác áp dụng cho những thí nghiệm rất nhạy cảm đối với những khác biệt của hai lý thuyết. Nếu bạn ném một quả bóng, thì lý thuyết về hấp dẫn của Newton và của Einstein đều có thể được sử dụng để tiên đoán nơi mà nó sẽ rơi xuống, và đáp số sẽ là khác nhau, nhưng sự khác nhau đó sẽ là nhỏ tới mức vượt ra ngoài khả năng phát hiện được bằng thực nghiệm. Nghĩa là cần phải có một thực nghiệm thông minh hơn và chính Einstein đã đề xuất một thực nghiệm như vậy [1].

Chúng ta chỉ nhìn thấy những ngôi sao vào ban đêm, nhưng tất nhiên là chúng vẫn hiện diện ở đó cả ban ngày. Sở dĩ chúng ta thường không nhìn thấy chúng là bởi vì ánh sáng nhỏ xíu và xa xôi của chúng đã bị lấn át bởi ánh sáng của Mặt Trời. Tuy nhiên, trong nhật thực, Mặt Trăng tạm thời che khuất ánh sáng của Mặt Trời và những ngôi sao xa trở nên nhìn thấy được. Tuy nhiên, sự hiện diện của Mặt Trời vẫn còn có hiệu ứng: ánh sáng từ một số ngôi sao xa muốn tới Trái Đất phải đi qua gần Mặt Trời. Thuyết tương đối rộng của Einstein tiên đoán rằng Mặt Trời sẽ làm cho không gian xung quanh nó bị uốn cong và sự biến dạng đó của không gian sẽ có ảnh hưởng đến đường đi của ánh sáng sao. Sau hết, những photon có xuất xứ từ xa đi dọc theo cấu trúc của Vũ trụ và nếu cấu trúc này bị cong đi thì chuyển động của các photon cũng sẽ bị ảnh hưởng như đối với một vật thể vật chất bất kỳ nào. Sự uốn cong đường đi của tia sáng sẽ là lớn nhất đối với các tín hiệu sáng đi sát mép Mặt Trời trên đường đi của nó tới Trái Đất. Và nhật thực sẽ làm cho ta có thể nhìn thấy ánh sáng sao đi sát mép Mặt Trời mà không bị lấn át hoàn toàn bởi ánh sáng của chính Mặt Trời.

Góc lệch do đường đi của tia sáng bị uốn cong có thể đo được một cách khá đơn giản. Do tia sáng bị uốn cong nên vị trí biểu kiến của ngôi sao sẽ bị dịch đi. Độ dịch này có thể đo được chính xác bằng cách so sánh vị trí biểu kiến đó với vị trí thực của ngôi sao mà chúng ta đã biết từ những quan sát nó vào ban đêm (khi không có ảnh hưởng của độ cong do Mặt Trời gây ra) được thực hiện khi Trái Đất ở một vị trí thích hợp khoảng 6 tháng trước hoặc sau đó. Vào tháng 11 năm 1915, Einstein đã dùng những hiểu biết mới về hấp dẫn để tính góc mà tia sáng đi qua sát mép Mặt Trời bị uốn cong và kết qủa tìm được là 0,00049 độ. Góc nhỏ xíu này đúng bằng góc nhìn một đồng xu đặt thẳng đứng ở cách xa 3km. Tuy nhiên, việc phát hiện được một góc nhỏ như thế hoàn toàn nằm trong khả năng của công nghệ vào thời đó. Dưới sự thúc ép của Sir Frank Dyson, giám đốc của Đài thiên văn Geenwwich, Sir Arthur Eddington một nhà thiên văn học nổi tiếng đồng thời là thư ký của Hội Thiên văn Hoàng gia nước Anh, đã tổ chức một đoàn thám hiểm tới đảo Principe ở Tây Phi để kiểm chứng tiên đoán của Einstein trong kỳ nhật thực vào ngày 29 tháng 5 năm 1919.

Ngày 6 tháng 11 năm 1919, sau 5 tháng phân tích các bức ảnh chụp được trong thời gian nhật thực ở Principe (và những bức ảnh khác về kỳ nhật thực đó được một nhóm các nhà khoa học người Anh khác do Charles Davidson và Andrew Crommelin đứng đầu chụp tại Sobral, Braxin), tại cuộc họp liên tịch của Hội Hoàng gia và Hội Thiên văn Hoàng gia, người ta thông báo rằng tiên đoán của Einstein dựa trên thuyết tương đối rộng đã được khẳng định. Ít lâu sau, tin đồn về thành công này – tức cũng là thành công của sự lật đổ những quan niệm cũ về không gian và thời gian - đã vượt ra ngoài phạm vi của cộng đồng các nhà vật lý và làm cho Einstein trở thành nhân vật nổ tiếng toàn thế giới. Ngày 7 tháng 11 năm 1919, trên trang nhất tờ Thời báo Luân Đôn xuất hiện hàng tít lớn: “một cuộc cách mạng trong khoa học – lý thuyết mới về Vũ trụ – những tư tưởng của Newton bị hạ bệ”. Đây đúng là thời điểm vinh quang nhất của Einstein.

Trong những năm tiếp sau thí nghiệm này, sự khẳng định của Eddington về tính đúng đắn của thuyết tương đối rộng đã bị đem ra mổ xẻ phê phán và được xem xét lại một cách kỹ lưỡng. Rất nhiều những khía cạnh khó khăn và tinh tế của phép đo đã làm cho nó khó lặp lại được và do đó làm dấy lên những nghi vấn về tính trung thực của thí nghiệm gốc. Tuy nhiên, vào cuối những năm 1940, rất nhiều thí nghiệm dùng những công nghệ tiên tiến đã kiểm chứng lại nhiều phương diện của thuyết tương đối rộng với độ chính xác cao. Những tiên đoán của lý thuyết này đều đã được nhất trí khẳng định. Không còn nghi ngờ gì nữa, mô tả của Einstein về hấp dẫn không chỉ tương thích được với thuyết tương đối hẹp mà còn cho những tiên đoán phù hợp với những kết quả thực nghiệm hơn những tiên đoán của lý thuyết hấp dẫn của Newton.

[1] Vào giữa những năm 1880, nhà khoa học người Pháp tên là Urbain Hean Joseph Le Verrier đã phát hiện ra rằng hành tinh Thuỷ hơi lệch ra khỏi quỹ đạo quay quanh Mặt Trời – quỹ đạo đã được tiên đoán dựa trên các định luật của Newton về lực hấp dẫn. Trong suốt hơn một nửa thế kỷ, những cố gắng giải thích hiện tượng tuế sai của điểm cận nhật (gần Mặt Trời nhất) (nói theo ngôn ngữ bình dân thì đây là hiện tượng: ở cuối mỗi một vòng quay quanh Mặt Trời, sao Thuỷ lại không trở về đúng điểm mà lý thuyết dự đoán) đã đưa ra đủ thứ nguyên nhân, như ảnh hưởng hấp dẫn của một hành tinh, hoặc một mặt trăng còn chưa phát hiện được, tác dụng của bụi giữa các hành tinh, hình dạng không hoàn toàn là cầu của Mặt Trời, nhưng không có giải thích nào được chấp nhận hoàn toàn. Năm 1915, Einstein đã tính toán lại hiện tượng này bằng cách dùng các phương trình mới trong thuyết tương đối rộng của mình và đã tìm được đáp số mà theo như chính ông thú nhận, đã khiến tim ông phải đập loạn xạ vì vui sướng. Kết quả tính được từ thuyết tương đối rộng phù hợp một cách chính xác với những quan sát thiên văn. Thành công này chắc chắn là một nguyên nhân quan trọng để Einstein có đủ niềm tin vào lý thuyết của mình, nhưng phần lớn mọi người lại chờ sự khẳng định một tiên đoán chứ không phải sự giải thích một hiện tượng bất thường đã được biết tới từ trước. Chi tiết hơn có thể xem trong cuốn sách của Abraham Pais nhan đề Subtle Is the Lord (New York: Oxford University, 1982).

<< Chương 3 -Uốn cong và lượn sóng(5) | Chương 3 -Uốn cong và lượn sóng(7) >>

Dành cho quảng cáo