Thiên văn học và Vũ trụ học
Trong khi nhiều nhà vật lí đang bận tâm với những hiện tượng ở cấp độ nhỏ nhất – thế giới hạ nguyên tử – thì những người khác đang khảo sát những vật thể lớn nhất trong vũ trụ, kể cả bản thân vũ trụ. Thập niên 1910 chứng kiến sự le lói ban đầu của một ngành con của vật lí học sẽ trở nên ngày càng quan trọng trong thế kỉ 20. Vũ trụ học, nghiên cứu bản thân vũ trụ, xây dựng trên các quan trắc thiên văn, nhưng nó khác với thiên văn học giống như vật lí nguyên tử khác với hóa học. Vào cuối thế kỉ, các nhà khoa học sẽ tìm thấy những câu trả lời của họ đưa họ đến với thế giới hạ-hạ nguyên tử thường xuyên như đến với thiên văn học.
Những câu hỏi lớn mang tính vũ trụ học đầu tiên phát sinh từ công trình nghiên cứu tiếp tục của Albert Einstein về sự tương đối. Công trình năm 1905 của ông trong lĩnh vực ấy đã giải quyết một trường hợp đặc biệt – đó là những hệ quy chiếu có chuyển động tương đối không đổi. Như đã lưu ý trong chương trước, đó là nguyên do vì sao công trình ấy trở nên nổi tiếng là thuyết tương đối đặc biệt. Nhưng còn trường hợp tổng quát hơn, khi chuyển động tương đối của hai vật hay hai hệ quy chiếu đang thay đổi thì sao?
Einstein đã khái quát hóa lí thuyết tương đối để bao gồm cả những gia tốc tương đối với những thí nghiệm tưởng tượng kiểu như thế này. Một người quan sát ở trong phòng thí nghiệm nhìn thấy một nhà du hành đang đi theo một quỹ đạo parabol hướng xuống giống như một quả bóng rơi trên Trái đất, trong khi nhà du hành thì thấy người quan sát di chuyển theo một quỹ đạo parabol hướng lên. Họ không thể tiến hành phép đo nào để phân biệt là nhà du hành đang rơi dưới tác dụng của trọng lực, hay phòng thí nghiệm đang gia tốc hướng lên ở cùng tốc độ đó. Như vậy, một trường hấp dẫn là tương đương với một hệ quy chiếu có gia tốc. Việc theo đuổi ý tưởng này đã đưa Einstein đến chỗ kết hợp không gian và thời gian thành một không-thời gian bốn chiều bị bóp méo trong sự có mặt của khối lượng. Ông kết luận rằng trọng lực là kết quả của sự biến dạng đó, và như thế ảnh hưởng đến ánh sáng cũng như vật chất.
Thuyết tương đối rộng
Việc phát triển cái trở nên nổi tiếng là thuyết tương đối rộng đã đưa Einstein vào địa hạt toán học khác thường. Một lần nữa, một thí nghiệm tưởng tượng mang lại một cánh cửa hữu ích để tiến vào thế giới ấy. Giả sử một người quan sát ở trong phòng thí nghiệm đang thực hiện các phép đo chuyển động của những vật đang rơi. Những vật ấy ở trong buồng chân không, cho nên không có sức cản không khí. Chúng cũng trung hòa điện và không có từ tính. Lực duy nhất tác dụng lên chúng là lực hấp dẫn, và mục tiêu của người quan sát là đo tác động của lực hấp dẫn.
Nhà quan sát để ý thấy vận tốc của chúng biến đổi theo một kiểu đặc biệt, giống nhau với mọi vật thể như thế, bất chấp sự khác biệt khối lượng của chúng. Tốc độ của chúng và hướng song song với mặt đất không thay đổi, nhưng chuyển động thẳng đứng của chúng dần dần theo hướng đi lên, thay đổi ở tốc độ 32 feet trên giây (9,8 m/s) mỗi giây. Kết luận thật rõ ràng. Nhà quan sát và phòng thí nghiệm ở trong một trường hấp dẫn có gia tốc 32 feet trên giây mỗi giây, hay là một “g”.
Nhưng một nhà quan sát ở trong một vật đang rơi thì lại thấy khác. Đối với nhà quan sát đó, nhà quan sát-phòng thí nghiệm và phòng thí nghiệm đang gia tốc hướng lên với giá trị một g. Thật ra, nếu không nhìn ra bên ngoài phòng thí nghiệm, không có người nào trong hai nhà quan sát có thể thực hiện bất kì thí nghiệm nào để xác định xem phòng thí nghiệm đang ở trong một trường hấp dẫn hay nó ở trong một hệ quy chiếu có gia tốc.
Theo đuổi dòng suy nghĩ này đã đưa Einstein đến chỗ thống nhất không gian và thời gian thành một không-thời gian bốn chiều. Người ta thường hình dung vị trí xác định bởi một không gian ba chiều là một mạng lưới những cái thước mét tưởng tượng trải ra vô hạn theo ba chiều kích không gian, có thể mô tả đặc trưng là những hướng đặc biệt trên Trái đất như đông-tây, bắc-nam và trên-dưới. Các nhà toán học thích gọi những hướng đó là các trục x, y và z.
Nhưng còn có một chiều thứ tư, thời gian hay trục t, qua đó mọi thứ và mọi người chuyển động ở tốc độ một giây trên giây. Mọi nhà quan sát đều đo được chuyển động của một chùm sáng trong không gian là một giây ánh sáng mỗi giây cho dù những nhà quan sát đó có bị gia tốc hay không, hay tương đương, cho dù nhà quan sát có ở trong trường hấp dẫn nào đó hay không.
Để hình dung không thời gian như Einstein mô tả, hãy tưởng tượng một mạng lưới bốn chiều đánh dấu các trục x, y, z và t. Theo kinh nghiệm của con người, người ta sử dụng các đơn vị đo khác nhau cho không gian (x, y, z) và thời gian (t), nhưng không gian và thời gian có thể kết hợp thành một tập hợp trục tọa độ bốn chiều với đơn vị như nhau bằng cách nhân thời gian hoặc chia khoảng cách cho tốc độ ánh sáng.
Einstein đã tự hỏi về tác dụng của khối lượng trong không thời gian. Ông tìm thấy một hiệu ứng có thể hình dung tương tự như cái xảy ra khi đặt một quả cầu trên một tấm cao su kéo căng. Quả cầu làm căng tấm cao su ở những chỗ xung quanh tiếp giáp với nó. Khi hai quả cầu nằm trên tấm cao su ở gần nhau, thì chỗ lõm mà chúng tạo ra hợp nhất lại, và chúng lăn về phía nhau. Thật bất ngờ, lực hút hấp dẫn trở thành hệ quả của những biến dạng do khối lượng gây ra trong cơ cấu không thời gian.
Điều này có ý nghĩa gì đối với ánh sáng? Theo thuật ngữ toán học, một chùm ánh sáng đi theo một rãnh trong không thời gian bị bóp méo bởi trường hấp dẫn. Các photon không có khối lượng, nếu không chúng sẽ truyền đi chậm hơn tốc độ ánh sáng theo thuyết tương đối đặc biệt, nhưng thuyết tương đối rộng của Einstein dẫn đến kết luận sau đây: Những thực thể không khối lượng vẫn bị tác dụng bởi trường hấp dẫn.
Kết quả bất ngờ đó nói lên rằng một chùm sáng lóe lên trên Trái đất sẽ hơi uốn cong một chút về phía mặt đất, nhưng độ cong đó quá nhỏ để đo được bằng những thiết bị khoa học nhạy nhất của chúng ta. Tuy nhiên, khi Einstein công bố thuyết tương đối rộng của ông vào năm 1915, các nhà vật lí đã quyết định kiểm tra tiên đoán đó. May thay, hệ mặt trời mang lại một cách tiến hành công việc đó trong những dịp hiếm: đó là trong những kì nhật thực toàn phần.
Nếu ánh sáng sao trên hành trình của nó đến Trái đất đi qua gần Mặt trời, thì lực hấp dẫn của Mặt trời đủ lớn để làm lệch quỹ đạo của chùm sáng đi một lượng có thể đo được. Trong những kì nhật thực toàn phần, các nhà thiên văn có thể quan sát và đo hình ảnh sao bình thường không nhìn thấy dưới ánh sáng chói lọi ban ngày. Mặc dù nhật thực xảy ra một hoặc hai lần mỗi năm, nhưng chúng xảy ra dọc theo những vành đai hẹp khi bóng của Mặt trăng quét qua bề mặt Trái đất. Nhật thực toàn phần chỉ kéo dài vài ba phút ở một nơi nào đó, cho nên việc quan sát một kì nhật thực toàn phần cũng đòi hỏi một chút may mắn nữa. Những đám mây trôi qua có thể cướp mất cơ hội quan sát và chụp ảnh một sự kiện mà người ta phải lặn lội hành trình nửa vòng Trái đất để trải nghiệm.
Giữa thập niên 1910, tình hình chiến sự khiến người ta khó mà đưa các thiết bị đến những nơi thích hợp ở những thời điểm thích hợp. Mãi cho đến năm 1919 thì hai đoàn thám hiểm ở hai bờ Đại Tây Dương – một đoàn trên đảo Hoàng tử ngoài khơi Tây Phi do nhà thiên văn vật lí người Anh Arthur Eddington (1882–1944) đứng đầu, và một đoàn ở Sobral thuộc miền bắc Brazil do nhà thiên văn học người Anh Andrew Crommelin (1865–1939) đứng đầu – đã thành công trong việc chụp ảnh những ngôi sao xung quanh đĩa mặt trời. Bằng cách so sánh những quan sát của họ với những quan sát khác ở cùng thời điểm của năm khi cũng những ngôi sao đó được nhìn thấy trong đêm, họ đã phát hiện ra chính xác độ lệch mà thuyết tương đối rộng tiên đoán. Những dòng tít trên trang nhất các tờ báo trên khắp thế giới đã loan tin xác nhận rằng trường hấp dẫn tác dụng lên đường đi của ánh sáng. Einstein, nhà khoa học đã đưa ra sự tiên đoán chưa chắc đã xảy ra dựa trên các thí nghiệm ông tưởng tượng ra trong đầu, trở nên nổi tiếng khắp thế giới.
Tất nhiên, sự bẻ cong của ánh sáng sao chỉ là một hệ quả của một quan điểm còn có sức ảnh hưởng hơn cho rằng khối lượng gây ra sự cong trong cấu trúc của không thời gian. Năm 1917, khi khảo sát những ngụ ý của mô tả toán học mới của mình, Einstein đã phát hiện ra rằng lí thuyết của ông tiên đoán một vũ trụ đang nở ra hoặc co lại một cách đều đặn. Điều đó khiến ông lo âu. Các nhà địa chất và sinh vật học đã và đang cố gắng xác định tuổi của Trái đất. Mặc dù vẫn còn có những bất đồng đáng kể về tuổi chính xác của hành tinh, nhưng tất cả mọi người đồng ý với nhau rằng tuổi đó vào cỡ nhiều triệu năm và có khả năng là hàng tỉ năm. Nếu vũ trụ đã giãn nở trong thời gian dài đó, thì đa số các ngôi sao đã ở quá xa Trái đất để mà nhìn thấy. Nếu nó đang co lại, thì nó đã tự co lại thành một khối từ lâu rồi. Nhưng vũ trụ dường như khá ổn định.
Einstein cũng để ý thấy nghiệm toán học cho những phương trình của ông có chứa một giá trị rõ ràng tùy ý gọi là hằng số vũ trụ. Những giá trị khác nhau của hằng số ấy sẽ dẫn đến những tốc độ giãn nở hay co vũ trụ khác nhau. Một giá trị đặc biệt sẽ dẫn đến sự ổn định, và đó là cái rõ ràng tự nhiên đã chọn.
Những khám phá trong thập niên 1920 đưa Einstein đến chỗ nhìn nhận hằng số vũ trụ học là không cần thiết, và ông đi đến tin rằng đó là “sai lầm lớn nhất” của cuộc đời ông. Nhưng vào cuối thế kỉ 20, hằng số vũ trụ học đã lại hồi sinh, và các nhà vật lí đã bắt đầu thế kỉ 21 trong niềm hi vọng một Einstein mới sẽ xuất hiện để khai thác trọn vẹn ý nghĩa của nó.
Einstein trở nên nổi tiếng thế giới khi một trong những tiên đoán nổi bật nhất của lí thuyết tương đối rộng của ông được chứng minh là đúng trong kì nhật thực toàn phần năm 1919. Các vì sao ở gần phía Mặt trời, thường bị ẩn khuất trong chói lửa của Mặt trời, trở nên nhìn thấy được từ phía Trái đất. Ánh sáng phát ra từ ngôi sao đi qua gần Mặt trời bị bẻ cong về phía Mặt trời. Như vậy, ngôi sao dường như bị dịch ra phía ngoài khỏi vị trí như trông đợi của nó. Các nhà thiên văn đã đo sự dịch chuyển trong kì nhật thực năm đó và nhận thấy chúng phù hợp với những tiên đoán của Einstein.
Lịch sử vật lí thế kỉ 20 - Alfred B. Bortz
Bản dịch của Thuvienvatly.com
<< Phần trước | Phần tiếp theo >>
