100 NĂM THUYẾT TƯƠNG ĐỐI RỘNG EINSTEIN

Einstein trong phòng làm việc tại nhà riêng ở Berlin, 1916

Đây là một công trình ông đã thai nghén gần mười năm, khó hơn hẳn tất cả những công trình khác trước đó: “Ông hoàn toàn không ngờ được tôi đã phải lầm than thế nào như một tên ngu dốt về toán học cho đến khi tôi cập được bến này” - như Einstein viết cho một đồng nghiệp.

Ý tưởng cách mạng của Einstein là quan niệm hấp lực như độ cong của không gian và thời gian. Trái táo của Newton rơi xuống đất không phải vì bị Trái đất hút, mà vì theo ngôn ngữ mới của tương đối rộng, khối lượng Trái đất đã làm cong không gian xung quanh nó, tạo ra một vùng trũng khiến các vật gần đó bị “rơi” xuống chứ không phải do lực hút.

Giống như khi ta đặt một quả cầu nặng lên một cái nệm mút, khối lượng của nó sẽ làm miếng mút cong đi và tạo ra một vùng trũng, các vật ở gần sẽ bị rơi vào đó.

Newton đã biết mình bất lực không giải thích được “tác dụng ma quái từ xa” của định luật hấp dẫn tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách (F = GMm/r2): “Tôi đến nay đã giải thích các hiện tượng của các thiên thể và các chuyển động của biển bằng trọng lực, nhưng tôi chưa bao giờ đưa ra nguyên nhân của lực này cả”. Với tương đối rộng, Einstein vừa giải mã điều huyền bí trên, vừa thực hiện di chúc của nhà toán học Riemann nửa thế kỷ trước: hình học chính là lực.

“Ý tưởng sung sướng nhất đời tôi”

Chìa khóa để bước vào tương đối rộng là quan sát của ông - thí nghiệm ý tưởng - là: “Đối với một người quan sát rơi tự do từ mái nhà thì trong lúc rơi không có trọng trường”. Anh rơi với gia tốc và không hề cảm nhận lực hút của Trái đất, có nghĩa là hấp lực tương đương với gia tốc. Điều này được gọi là nguyên lý tương đương. Ý tưởng này của ông năm 1907 trong lúc ngồi làm việc ở Sở Sáng chế Thụy Sĩ được ông xem là “ý tưởng sung sướng nhất đời tôi”.

Tám năm sau, thuyết này làm rung chuyển thế giới. Hai đoàn thám hiểm Anh sang châu Phi và Brazil để làm cuộc đo đạc trắc nghiệm độ lệch ánh sáng theo tiên đoán của Einstein khi nó đi qua vùng gần mặt trời vào lúc nhật thực toàn phần. Ngày 6-11-1919, trong một cuộc họp hết sức long trọng, họ tuyên bố tiên đoán của Einstein là chính xác và của Newton là sai.

Cho tới lúc đó, hãy còn ít người biết đến cái tên Einstein. Rồi thình lình Einstein xuất hiện trên các tạp chí ảnh. Ông nổi tiếng như một popstar. Tờ Berliner Illustrirte Zeitung ngày 14-11-1919 viết: “Một vĩ nhân mới trong lịch sử thế giới: Albert Einstein mà những nhận thức của ông đã thay đổi hẳn cách nhìn thế giới của chúng ta”.

Quyển sách Thuyết tương đối hẹp và rộng viết cho đại chúng của Einstein ra mắt đầu năm 1917 tức thì được dịch sang tiếng Anh (1920), tiếng Pháp (1921), tiếng Ý (1921), tiếng Nhật (1921)... Bản tiếng Việt lần đầu tiên được xuất bản năm 2014 - sau cuộc “lệch giờ trăm năm”, và lần thứ hai vào tháng 10-2015.

Einstein viết trong lời nói đầu: “Cuốn sách nhỏ này mong muốn truyền đạt một sự hiểu biết thấu đáo như có thể về lý thuyết tương đối đến những bạn đọc mà, từ một quan điểm triết học và khoa học tổng quát, có mối quan tâm đến lý thuyết nhưng không nắm vững công cụ toán học của ngành vật lý lý thuyết”, và kết luận: “Hi vọng quyển sách mang lại cho ai đó những giờ phút hứng khởi của sự gợi mở”.

Không có sân khấu sẵn cho diễn viên

Nhà vật lý Mỹ Richard Feynman diễn tả chính xác hơn: “Ở đâu và lúc nào mà những tiên đoán của Einstein tỏ ra khác với tiên đoán với những ý tưởng cơ học Newton thì tự nhiên chọn cái của Einstein”. Đó là trường hợp của sao Mercury hay sao Thủy, là sao ở vị trí gần Mặt trời nhất trong Thái dương hệ, có một chuyển động kỳ lạ mà thuyết hấp dẫn Newton không giải thích được trọn vẹn. Quỹ đạo elip của nó không khép kín mà quay tròn, điểm gần Mặt trời nhất (cận nhật) của nó quay và thay đổi mỗi năm, lệch đi 43 độ cung trong 100 năm, như nhà khoa học Pháp Jean Le Verrier quan sát nửa thế kỷ trước đó.

Hiện tượng này nay được thuyết tương đối rộng giải quyết một cách tuyệt vời. Khi Einstein tính toán thấy điều đó, ông hạnh phúc ngất ngây và tin tưởng mãnh liệt vào sức mạnh của thuyết này. Einstein viết: “Ai thật sự hiểu thuyết tương đối rộng rồi thì không thể thoát khỏi sự mê hoặc của nó”.

Không gian và thời gian không phải là cái sân khấu cố định và có sẵn cho vật chất, mà chúng cùng tồn tại hay cùng biến đi với vật chất. Hãy nhìn một thoáng và đừng sợ hãi phương trình trường hấp dẫn cốt lõi trong tương đối rộng mà đôi khi người ta thấy trên các chiếc áo T-shirt của sinh viên ở các campus đại học Mỹ:

Phương trình trường hấp dẫn cốt lõi trong tương đối rộng

Vế trái là cấu trúc toán học của không thời gian, mô tả không - thời gian bị biến dạng thế nào (theo ngôn ngữ các tensơ của hình học Riemann) bởi khối lượng, và vế phải là vật chất hay năng lượng. Einstein diễn tả điều này: “Lý thuyết... giống như một lâu đài, mà một chái (wing) được làm bằng cẩm thạch tinh vi (vế trái của phương trình) nhưng chái kia được làm bằng loại gỗ tầm thường (vế phải)”. Nói cách khác, gỗ vụn đã biến thành lâu đài cẩm thạch.

Cũng từ phương trình trên ta thấy ngay điều nổi tiếng mà Einstein đã phát biểu: Nếu tất cả vật chất biến mất thì không - thời gian cũng biến mất theo. Không có sân khấu sẵn cho diễn viên như trong thuyết Newton.

Thuyết tương đối rộng còn một số hệ quả rất thú vị, như thời gian bị chậm lại tại một trọng trường lớn hơn, nhận thức dẫn tới sự ra đời của hệ thống định vị toàn cầu GPS; hay sự chứng minh một nguyên lý mà Galilei đã khám phá 300 năm trước: trong chân không, các vật rơi đều với vận tốc như nhau, bất kể khối lượng nhỏ, lớn của chúng. Nguyên lý này cũng chính là nguyên lý tương đương.

Năm 1971, phi hành gia David Scott của phi thuyền Apollo 15 đã thực hiện thí nghiệm thú vị này trên Mặt trăng là nơi không có lực cản không khí: ông buông cùng lúc và ở cùng độ cao cái búa và chiếc lông thì thấy chúng rơi xuống mặt đất cùng lúc! Galilei bảo rằng ông cũng đã thực hiện nó tại tháp nghiêng Pisa. Chắc chắn ông chỉ làm “gedankenexperiment” (thí nghiệm ý tưởng) nhưng với một trực giác thiên tài và dựa trên suy luận logic.

Minh họa Mặt trời làm cong ánh sáng. Vị trí thật của sao

Thuyết tương đối rộng còn phải chịu sự kiểm tra tiếp tục về độ lệch ánh sáng tại Mỹ một thời gian dài cho đến khi được công nhận rộng rãi vào cuối thập niên 1920. Trong cuộc kiểm tra, suýt nữa cái tên Côn Đảo của Việt Nam cũng đi vào lịch sử. Năm 1929, một đoàn khoa học gia Pháp đã đáp máy bay đến Côn Đảo để làm đo đạc độ lệch ánh sáng vào lúc nhật thực toàn phần. Nhưng không may, thời tiết xấu nên dự tính bất thành.

Thuyết tương đối rộng giúp các nhà vật lý hiểu sự hình thành và tiến hóa của vũ trụ, sự “Tạo thiên lập địa” - Creation - Big Bang, hiện tượng lỗ đen, sóng hấp dẫn. Các nhà vật lý (Arno Penzias và Robert Wilson) đã quan sát được bức xạ nền (cosmic microwave background radiation, CMB) ở dạng sóng điện từ của vũ trụ từ thời điểm năm thứ 380.000 là một dạng tàn dư của Big Bang.

Người ta tin rằng với những thiết bị cao cấp, sóng hấp dẫn ban sơ, hệ quả các chấn động của sự lạm phát diễn ra vào thời điểm 10-35 giây sau Big Bang, như tiên đoán của thuyết tương đối rộng, truyền đi dọc theo tấm thảm của không-thời gian có thể tìm thấy trong những năm tới.

“Vật chất sẽ bảo không - thời gian cong thế nào (như sân golf), và không gian cong bảo cho vật chất (banh golf) biết phải chuyển động thế nào” (John Wheeler). (Courtesy of Hanoch Gutfreund and Jürgen Renn, The Road to Relativity)

Một trăm năm qua, thuyết tương đối rộng đã vượt qua mọi phép thử và đứng vững. Nhưng đối với Einstein, bản giao hưởng tác phẩm đời ông còn dang dở.

Ông để ra 30 năm cuối đời để tìm sự thống nhất thuyết tương đối rộng và thuyết điện từ trong một cuộc chiến đấu cô đơn và vô vọng. Rồi những thập kỷ cuối thế kỷ 20, tức không bao lâu sau khi ông mất, các nhà vật lý lý thuyết và toán học thế giới lại tiếp tục công việc dang dở của ông, đi tìm sự thống nhất của thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử là hai cột trụ của vật lý học thế giới nhưng lại đứng quá xa nhau, một thuyết trị vì thế giới vô cùng lớn, còn thuyết kia thế giới vô cùng nhỏ.

Những nỗ lực thống nhất này đã dẫn đến sự ra đời của nhiều ý tưởng rất táo bạo và độc đáo với những cái tên như hấp dẫn lượng tử, thuyết siêu dây hay thuyết M, nguyên lý toàn ảnh để kể một số tên. Vượt lên tương đối rộng, người ta cũng hỏi bản chất của không gian là gì? Nó có nhẵn như chúng ta hiện nay quan niệm hay không?

Sau 100 năm, các nhà hoạt động thuyết tương đối rộng và thiên văn học thực nghiệm đã đem lại một khối lượng đồ sộ chứng cứ và công cụ toán học chưa từng có, hé mở một “cosmic landscape” mênh mông để khám phá trong thế kỷ 21. Lý thuyết và thực hành luôn khớp với nhau. Có thể nói, không có gì trong vũ trụ học có ý nghĩa trừ khi được đặt dưới ánh sáng của thuyết tương đối rộng.

Einstein vẫn là ngọn hải đăng bất tử, sừng sững giữa không gian để truyền cảm hứng cho các thế hệ kế tiếp.■