Thuyết tương đối rộng: Quá khứ, hiện tại và tương lai

Pedro Ferreira

Lí thuyết tương đối rộng của Albert Einstein là một trong những thành tựu đỉnh cao của nền vật lí thế kỉ 20. Công bố vào năm 1916, nó giải thích cái chúng ta cảm nhận là lực hấp dẫn thực ra phát sinh từ sự cong của không gian và thời gian.

>> Phần 5 - Thuyết tương đối rộng: Vũ trụ giãn nở

Einstein đề xuất rằng các vật thể như mặt trời và trái đất làm thay đổi dạng hình học này. Trong sự có mặt của vật chất và năng lượng, nó có thể tiến triển, kéo căng ra và cuộn lại, hình thành nên các gợn, đỉnh và hõm, làm cho các vật đang chuyển động qua nó bị zig zag và cong đi. Cho nên, mặc dù trái đất bị hút về phía mặt trời bởi lực hấp dẫn, nhưng không có lực nào như vậy cả. Nó đơn giản là hình dạng của không-thời gian xung quanh mặt trời cho trái đất biết phải đi theo hướng nào mà thôi.

Lí thuyết tương đối rộng có các hệ quả sâu rộng. Nó không chỉ giải thích chuyển động của các hành tinh; mà nó còn mô tả lịch sử và sự giãn nở của vũ trụ, cơ sở vật lí của các lỗ đen và sự cong của ánh sáng phát ra từ những ngôi sao và thiên hà xa xôi.

Thuyết tương đối rộng: trí tuệ xuất chúng của Einstein

Năm 1905, ở tuổi 26, Albert Einstein đề xuất lí thuyết tương đối đặc biệt. Lí thuyết trên dung hòa cơ sở vật lí của các vật đang chuyển động do Galileo Galilei và Newton phát triển với các định luật của bức xạ điện từ. Nó thừa nhận rằng tốc độ của ánh sáng luôn luôn không đổi, bất kể chuyển động của người đo nó như thế nào. Thuyết tương đối đặc biệt cho rằng không gian và thời gian hòa quyện với nhau đến một mức độ trước đó chưa bao giờ người ta tưởng tượng ra.

Sang năm 1907, Einstein bắt đầu thử mở rộng thuyết tương đối đặc biệt để bao hàm cả sự hấp dẫn. Đột phá đầu tiên của ông xuất hiện khi ông đang làm việc tại một phòng cấp bằng sáng chế ở Bern, Thụy Sĩ. “Bất ngờ một ý tưởng nảy đến với tôi”, ông nhớ lại. “Nếu như một người rơi tự do, anh ta sẽ không cảm nhận thấy sức nặng của mình... Thí nghiệm tưởng tượng đơn giản này... đã đưa tới đến lí thuyết của sự hấp dẫn”. Ông nhận ra rằng có một mối liên hệ sâu sắc giữa các hệ bị ảnh hưởng bởi sự hấp dẫn và các hệ đang gia tốc.

alt

Đang rơi tự do sẽ không cảm nhận trọng lượng ? (Ảnh: Matt King/Getty)

Bước phát triển lớn tiếp theo xuất hiện khi Einstein được giới thiệu cơ sở hình học phát triển bởi các nhà toán học Đức thế kỉ thứ 19, Carl Friedrich Gauss và Bernhard Riemann. Einstein áp dụng công trình của họ để viết nên các phương trình liên hệ hình học của không-thời gian với lượng năng lượng mà nó chứa. Ngày nay được gọi là các phương trình trường Einstein, và công bố vào năm 1916, chúng thay thế cho định luật vạn vật hấp dẫn của Newton và vẫn sử dụng cho đến ngày nay, sau gần một thế kỉ.

Sử dụng thuyết tương đối rộng, Einstein đã đưa ra một loạt dự đoán. Thí dụ, ông chỉ ra lí thuyết của ông sẽ dẫn đến sự trôi giạt quan sát thấy của quỹ đạo Thủy tinh như thế nào. Ông còn tiên đoán rằng một vật khối lượng lớn, như mặt trời, sẽ làm méo hành trình của ánh sáng đi qua gần nó: tóm lại, hình dạng của không gian sẽ tác dụng như một thấu kính và làm tập trung ánh sáng.

Einstein còn cho rằng bước sóng của ánh sáng phát ra ở gần một vật thể khối lượng lớn sẽ bị kéo căng ra, hay lệch đỏ, khi nó trèo ra khỏi không-thời gian bị cuộn lại ở gần vật thể nặng đó. Những tiên đoán này ngày nay được gọi là ba phép kiểm tra cổ điển của thuyết tương đối rộng.

Còn tiếp...