Rơi tự do
Đa số chúng ta chưa ai từng có cơ hội ở trong tình huống thứ nhất đã nêu ở trên, vì thế sau đây là một ví dụ nữa giúp bạn hiểu rõ vấn đề.
Nếu bạn từng có đủ gan dạ (hay dại dột?) để chơi nhảy dù, bạn sẽ được tha thứ nếu bạn có cảm giác, khi bạn lao về phía bề mặt hành tinh và gia tốc trong suốt thời gian đó, rằng lực hấp dẫn không bao giờ biểu hiện hay có sự trải nghiệm nào rõ rệt. Thật ra, xảy ra điều ngược lại. Đây có thể là một lần trong đời bạn tác dụng của lực hấp dẫn hoàn toàn không có và người ta nói bạn đang “rơi tự do”. Trong vài giây hồ hởi phấn khích đó, bạn đang trải nghiệm sự không trọng lượng. Cứ như là lực hấp dẫn cuối cùng đã biến đi và bạn đang làm cái nó bắt bạn làm trong suốt cuộc đời của bạn. Đó là vì luôn luôn có mặt đất rắn chắc bên dưới chân bạn làm tan nát mọi thứ rơi xuống. Và vì thế, nhiệm vụ của nó đã hoàn thành, lực hấp dẫn tạm thời vắng mặt. Chính xác hơn, thay vì nói lực hấp dẫn không có mặt, chúng ta nói nó hoàn toàn bị triệt tiêu bởi gia tốc của bạn. Cảm giác rơi tự do là cái các nhà du hành cảm nhận trong suốt thời gian họ trôi nổi trong vũ trụ ở xa trường hấp dẫn của Trái đất (hoặc trong quỹ đạo vòng quanh Trái đất). Vì thế, họ phải trải qua sự đào tạo khắt khe để khắc phục bệnh không gian. Có thể tỉnh táo nói rằng du hành vũ trụ là một chuyến nhảy dù đường dài!
Vậy thì sự trải nghiệm không trọng lượng có nghĩa là gì? Lấy ví dụ, khi bạn rơi, bạn “thả rơi” một hòn đá bạn đang nắm trong tay. Vì nó đang rơi cùng tốc độ với bạn nên nó sẽ chuyển động song hành cùng bạn3. Quan điểm của một nhà vật lí là như thế này, nếu trong đầu cô ta đẩy lùi suy nghĩ rằng cuộc sống tươi đẹp như thế nào và phớt lờ đi mặt đất đang chào đón bên dưới cô ta, thì cô ta sẽ gạt phăng đi mọi thứ xung quanh và tưởng tượng chỉ có cô ta và hòn đá là tồn tại. Giờ thì hòn đá dường như trôi nổi trong không trung bên cạnh cô ta, theo kiểu giống như các vật trôi nổi không trọng lượng trong không gian. Đây là nguyên do, trong ví dụ tên lửa, bạn sẽ không thể chắc chắn, mà không nhìn ra bên ngoài, rằng tên lửa đang rơi tự do trong khí quyển của Trái đất hay đang trôi nổi trong không gian.
3Đây là thí nghiệm mà người ta cho rằng Galileo đã tiến hành từ đỉnh của Tháp Pisa – chỉ khác là ông không nhảy ra – bằng cách chứng minh rằng các vật rơi với tốc độ như nhau cho dù chúng cân nặng bao nhiêu (miễn là chúng không quá nhẹ để bị ảnh hưởng bởi sức cản không khí như một tờ giấy hay cái lông chim).
Những ví dụ như tôi vừa mô tả được gọi là thí nghiệm tưởng tượng vì chúng ta không cần trải nghiệm vật lí với chúng để có sự am hiểu về sự hoạt động của tự nhiên. Einstein rất thích một cách tiếp cận như thế vì ông bỏ thời gian để ngồi và suy ngẫm, chứ không làm việc trong một phòng thí nghiệm tiến hành những thí nghiệm thực tế. Ông gọi những thí nghiệm này là thí nghiệm gedanken (trong tiếng Đức có nghĩa là “tưởng tượng). Tất nhiên, nhảy dù và buồng mô phỏng ở hội chợ đang chiếu phim Chiến tranh giữa các vì sao không phải là những ví dụ mà ông có thể gọi.
Vậy toàn bộ chất liệu gia tốc này phải làm gì với quan niệm không gian cong của Einstein? Tôi e rằng mình nên giải thích rõ ràng hơn một chút. Giờ chúng ta phải trở lại với ví dụ tên lửa. Hãy nhớ lại khoảnh khắc khi bạn thức dậy và không thể quả quyết, nếu không gian lận và nhìn ra bên ngoài, tên lửa vẫn chưa rời bệ phóng hay đang gia tốc một “g” trong không gian? Có một thí nghiệm gedanken đặc biệt bạn phải tiến hành ngay. Hãy đứng ở một bên tên lửa và ném một quả bóng ngang qua tên lửa, như trên hình 2.1(a). Quả bóng sẽ đi theo một quỹ đạo cong và chạm vào phía bên kia tại một điểm nằm bên dưới điểm nó sẽ chạm nếu nó đi theo đường thẳng. Đây chính là cái chúng ta trông đợi xảy ra nếu tên lửa vẫn còn trên bệ phóng, với quả bóng tuân theo định luật hấp dẫn.
Nếu tên lửa hiện đang tăng tốc thì, theo nguyên lí tương đương, bạn sẽ thấy quả bóng đi theo một quỹ đạo cong giống như vậy. Nếu tên lửa đang trôi nổi trong không gian với động cơ đã ngừng hoạt động (tức là đang lao đi ở một tốc độ không đổi), thì nó sẽ mang quả bóng theo cùng với nó và bạn sẽ thấy quả bóng đi ngang theo đường thẳng. Đây là vì quả bóng và tên lửa đều có tốc độ “hướng lên” bằng nhau. Nhưng nếu tên lửa đang tăng tốc, như trên hình 2.1(b) (lưu ý rằng hình phía bên phải là một phần của một giây sau của hình phía bên trái), thì quả bóng sẽ không chịu sự gia tốc này trong khi nó bay ngang qua tên lửa. Cho nên lúc nó đi tới phía bên kia, tên lửa sẽ chuyển động hơi nhanh hơn một chút so với khi quả bóng rời tay bạn. Điểm trên thành đối diện nơi quả bóng phải đập vào đã hơi dịch lên một chút và quỹ đạo của nó trước mắt bạn sẽ bị cong. Nguyên lí tương đương là chính xác. Mặc dù sự giải thích quỹ đạo cong trong hai trường hợp là khác nhau, nhưng kết quả bạn quan sát thấy là giống nhau.
Hình 2.1 (a) Quả bóng ném dưới tác dụng của lực hấp dẫn của Trái đất sẽ đi theo một quỹ đạo cong. (b) Quả bóng ném khi tên lửa ở trạng thái không không có lực hấp dẫn tác dụng sẽ đi theo một quỹ đạo thẳng nếu tên lửa đang chuyển động ở một vận tốc không đổi. Nếu tên lửa đang tăng tốc, như hình vẽ ở đây, thì người ném sẽ thấy đường đi của quả bóng bị cong xuống dưới vì tên lửa sẽ chuyển động nhanh hơn quả bóng lúc nó đi tới phía bên kia.
Tiếp theo, thay vì ném một quả bóng ngang qua tên lửa, hãy chiếu một ngọn đèn về phía thành bên kia sao cho chùm ánh sáng hướng nằm ngang. Nếu bạn có thiết bị đủ nhạy, bạn sẽ thấy chùm ánh sáng hơi bị bẻ cong xuống phía dưới/đáy của tên lửa. Đây là một hiệu ứng ta có thể hiểu khá dễ dàng nếu tên lửa đang tăng tốc trong không gian vì chúng ta sẽ sử dụng sự lí giải giống như trong trường hợp quả bóng ném. Mặc dù ánh sáng từ ngọn đèn phát ra đi ngang qua tên lửa cực kì nhanh, nhưng nó vẫn mất một thời gian hữu hạn trong đó tên lửa đã thu thêm chút ít vận tốc và sẽ chuyển động về phía trước một chút.
Vấn đề bạn có thể gặp phải là tin rằng chùm ánh sáng sẽ đi theo đường cong giống như vậy khi tên lửa đang đứng yên trên bề mặt Trái đất. Nhưng nguyên lí tương đương là tối hậu, và ánh sáng hóa ra chẳng khác gì quả bóng. Ngay cả trên Trái đất, đường đi của ánh sáng cũng hơi bị cong xuống một lượng giống như độ cong mà nó có trong tên lửa đang tăng tốc.
Ánh sáng không có sức nặng gì cả4, vậy làm thế nào nó bị lực hấp dẫn bẻ cong? Tuy nhiên, khối lượng có thể xem là năng lượng bị đóng băng, và ánh sáng chắc chắn có năng lượng, vì thế chúng ta có thể nghĩ nó có sức nặng và không nên bất ngờ nếu nó hành xử giống như những đối tượng vật chất và bị lực hấp dẫn của Trái đất hút xuống. Thật vậy, bản thân Newton từng đề xuất rằng ánh sáng gồm một dòng những hạt nhỏ xíu sẽ bị tác dụng bởi lực hấp dẫn giống như quả bóng vậy. Nhưng tôi e rằng chúng ta sẽ đi tới câu trả lời sai cho độ cong mà chúng ta thấy nếu ta sử dụng cách tiếp cận của Newton. Nếu chúng ta tính độ cong của đường đi ánh sáng mà chúng ta thấy, dựa trên lập luận của Newton rằng ánh sáng có khối lượng và bị lực hấp dẫn hút xuống, chúng ta sẽ đi tới một đáp số chỉ bằng một nửa giá trị ta thật sự đo được với thiết bị nhạy của mình. Do đó, có cái gì đó không đúng đối với định luật hấp dẫn của Newton, ít nhất là khi nó mô tả tác dụng của lực hấp dẫn lên ánh sáng.
4Ở đây, hãy tạm chấp nhận quan điểm này. Tôi sẽ giải thích nó cặn kẽ hơn ở Chương 6. Điều tôi muốn nói tất nhiên là ánh sáng không có cái gọi là khối lượng nghỉ.
Cách lí giải của Einstein khác hoàn toàn. Lập luận của ông bỏ qua hoàn toàn lực hấp dẫn. Thay vậy, ông nói rằng tất cả các đối tượng vật chất trong Vũ trụ sẽ ảnh hưởng đến không gian và thời gian trong vùng phụ cận của chúng, làm cho chúng cong đi. Vì thế, thay vì nghĩ tới Trái đất tác dụng một “lực” lên chúng ta, quả táo, Mặt trăng, quả bóng và chùm ánh sáng, làm hút mọi thứ về phía nó, Einstein khẳng định rằng Trái đất làm cho không gian xung quanh nó bị cong. Giờ thì tất cả các vật trong vùng không gian này đơn giản là đang đi theo những đường cong. Không có lực nào giữ Mặt trăng trên quỹ đạo và không có lực nào hút chùm ánh sáng trong tên lửa đứng yên về phía Trái đất hết. Vạn vật chuyển động tự do, nhưng đi theo một quỹ đạo luôn luôn là hành trình ngắn nhất sẵn có. Nếu không gian là phẳng thì đường đi này sẽ là một đường thẳng, nhưng vì không gian nó chuyển động trong đó là bị cong, nên đường đi của nó cũng bị cong. Những đường đi như vậy trong không gian cong5 được gọi là đường trắc đạc.
5Nhưng một lần nữa, tôi nhấn mạnh rằng tôi đang nói về không thời gian bốn chiều chứ không phải chỉ riêng không gian ba chiều. Một số ví dụ và điều tương tự tôi mô tả trong quyển sách này chỉ nhằm giúp bạn có cảm nhận chung về vấn đề đang trình bày chứ không nên hiểu theo nghĩa đen. Để có một quan niệm chính xác hơn của cái đang diễn ra thì thật không dễ và nằm ngoài phạm vi của quyển sách này.
Einstein đã phát triển những quan niệm này trong khoảng thời gian dẫn tới Thế chiến thứ nhất. Ông hoàn thành quan niệm này, thuyết tương đối tổng quát của ông, vào năm 1915. Nhưng thế giới phải chờ đến năm 1919 thì lí thuyết mới được xác nhận trên thực nghiệm.
Einstein cho rằng lực hấp dẫn của Mặt trời sẽ bẻ cong đường đi của ánh sáng đi tới chúng ta từ những ngôi sao xa xôi, nếu như ánh sáng phải đi qua đủ gần Mặt trời trên hành trình đi đến Trái đất. Tuy nhiên, vấn đề là khi ngôi sao đó ở cùng một mảng trời với Mặt trời thì ánh sáng mặt trời rực rỡ khiến chúng ta không thể nhìn thấy ngôi sao đó. Các nhà thiên văn phải chờ đến một lần nhật thực toàn phần, khi Mặt trăng đi qua giữa Mặt trời và Trái đất và chặn mất ánh sáng mặt trời, để kiểm tra thuyết tương đối của Einstein. Vào năm 1919, nhà thiên văn vật lí người Anh Arthur Eddington đã chỉ đạo một đoàn thám hiểm đến vùng rừng nhiệt đới Amazone chụp ảnh thành công một nhật thực toàn phần và đo góc nhỏ mà ánh sáng của một ngôi sao nhất định bị lệch do trường hấp dẫn của Mặt trời. Đó là một phép đo khó và tinh vi, nhưng nó chứng tỏ rằng Einstein là đúng. Nó gây xôn xao dư luận báo chí trên khắp thế giới và Einstein trở thành một cái tên của mọi nhà.
Lỗ đen, lỗ sâu đục và cỗ máy thời gian
Jim Al-Khalili
Bản dịch của Thuvienvatly.com
