Nấc thang mới của nhân loại: 100 năm ánh sáng bị lệch trên trời

  • NGUYỄN XUÂN XANH
  • 30.11.2019, 10:08

TTCT - “Với thuyết tương đối Einstein, tư duy của nhân loại về vũ trụ đã bước lên một bậc thang mới. Tình huống này giống như một bức tường từng ngăn cách chúng ta với chân lý thình lình sụp đổ” - Hermann Weyl.

Ảnh: analyticsindiamag.com
Ảnh: analyticsindiamag.com

Tháng 11-1919 đi vào lịch sử vật lý thế giới như một mốc thời gian không thể nào quên: Việc độ lệch của ánh sáng khi đi qua Mặt trời tuân theo đúng góc lệch mà thuyết tương đối Einstein tiên đoán được xác nhận, bác bỏ tiên đoán cổ điển bằng phương pháp của Newton. 

Tự thân nó, sự xác nhận này đã đầy kịch tính, bởi nó xuất phát từ Anh, nơi mối hận thù với nước Đức sau Thế chiến I vẫn chưa nguôi, và lại là quê hương của Newton. Giống một tiếng nổ rền vang trên cả bầu trời khoa học, bầu trời vũ trụ, lẫn bầu trời cảm xúc - tâm linh, diễn tiến đó có ý nghĩa một cuộc thay ca lịch sử vĩnh viễn, một cuộc chuyển vai từ Newton sang Einstein không thể đảo ngược. Tóm lại, một cuộc cách mạng nhận thức vĩ đại.

 

Newton hay Eintstein?

Năm 1915, tức 4 năm trước đó, đánh dấu một khúc quanh trong ngành vật lý và nhận thức của con người về vũ trụ khi thuyết tương đối rộng của Einstein ra đời, mở ra một thế giới hoàn toàn mới.

Tháng 11-1915, Einstein trình bày trước Hàn lâm viện Phổ các phương trình trường của hấp dẫn và kết thúc với câu nói: “Như thế, cuối cùng thuyết tương đối rộng kết thúc như một tòa nhà logic”. Khái niệm không - thời gian cong bốn chiều, giờ là không gian thật chúng ta đang sống, thay thế cho lực hấp dẫn của Netwon, là một nhận thức hoàn toàn mới lạ và gây ngỡ ngàng.

Hình học không gian được quyết định bởi các khối lượng chứa đựng trong đó. Chính khối lượng làm cong không gian, và độ cong sẽ quyết định mọi chuyển động của các đối tượng trong đó. Giống như một sân golf có nhiều đồi nhỏ tạo ra độ cong cho đường đi của trái banh.

Hơn nữa, định mệnh của không gian và các khối lượng trong đó giờ đây gắn chặt với nhau, như Einstein diễn tả một cách ấn tượng cho đại chúng: “Trước đây người ta nghĩ, nếu lấy hết các vật thể ra khỏi căn phòng Giáng sinh thì sẽ còn lại một căn phòng rỗng. Giờ đây chúng ta biết, nếu chúng ta lấy hết khối lượng ra, không gian rỗng kia cũng sẽ biến mất theo”.

Một trong nhiều hệ quả của nó là ánh sáng sẽ bị lệch khi đi ngang qua Mặt trời, bởi không - thời gian vùng đó bị Mặt trời làm cong, và mọi vật đi qua đó phải cong theo. Độ lệch của ánh sáng ước tính theo thuyết Einstein sẽ lớn gấp đôi độ lệch được tiên đoán bởi thuyết Newton. Điều này cho phép một kiểm tra thực nghiệm để quyết định sinh mệnh của hai lý thuyết.

Để làm điều này, từ tháng 3-1919, hai đoàn thám hiểm Anh đã lặn lội tới những vùng xa xôi để đo đạc và kiểm tra. Đoàn tới đảo Príncipe, vịnh Guinea, châu Phi, do Sir Arthur Eddington, một nhà vật lý thiên văn lớn, chủ trì. Còn đoàn tới Sobral, Brazil, do Edwin Cottingham và Andrew Crommelin chỉ huy. Đó là những nơi xảy ra nhật thực toàn phần.

Kết quả tại Sobral cho thấy độ lệch ánh sáng đáp ứng tiên đoán của Einstein, trong khi độ lệch tại Príncipe lại nhỏ hơn nhiều. Lý do: hình ảnh các vì sao ở đó quá mờ do tấm kính có nhiệm vụ đưa ánh sáng vào viễn vọng kính không hoạt động tốt. Nói chung, việc đánh giá các kết quả là đầy khó khăn.

Cuối cùng, đoàn thám hiểm đã lấy kết quả của Sobral và công bố chính thức trong một buổi họp chung long trọng giữa Hàn lâm viện Anh và Hội Thiên văn học hoàng gia ngày 6-11-1919. Độ lệch đo được là 1,64” (giây cung), so với tiên đoán của Einstein là 1,70”, với sai số chấp nhận được. Tuyên bố này đã làm nổ tung bầu trời khoa học ở phương Tây.

Cũng có những chỉ trích. Một số người cho rằng Eddington thiên vị Einstein, bởi ông là người Quaker chống chiến tranh, từ chối nghĩa vụ quân sự vì lương tâm, đến nỗi suýt bị bỏ tù, và Einstein cùng quan điểm chống chiến tranh như thế. Hơn nữa, Eddington là một trong ít “tông đồ” lúc đó hiểu được thuyết tương đối của Einstein, và người ta ngờ rằng ông có thể muốn giúp Einstein thắng lợi.

Nhưng người đánh giá và chọn kết quả của Sobral không phải Eddington (ông thuộc nhóm ở đảo Príncipe) mà chính là Frank Watson Dyson, nhà thiên văn học của Hoàng gia Anh. Dyson chọn như thế vì ông thấy kết quả ở Príncipe có vấn đề kỹ thuật và với vai trò người tổ chức các đoàn đo đạc, ông nói tại cuộc gặp ngày 6-11: “Sau khi nghiên cứu cẩn thận các bức ảnh, tôi sẵn sàng công bố không có gì để nghi ngờ rằng chúng xác nhận tiên đoán của Einstein là đúng. Một kết quả rất dứt khoát đã thu được chứng minh rằng ánh sáng bị lệch phù hợp với định luật hấp dẫn của Einstein”.

Nhà vật lý J. J. Thomson, người khám phá ra điện tử và được giải Nobel 1906, chủ trì buổi lễ tuyên bố. Mặc dù ông nói “Đây là kết quả quan trọng nhất thu lượm được trong khuôn khổ thuyết hấp dẫn từ thời Newton. […] một trong những thành tựu vĩ đại nhất của tư duy con người”, nhưng ông cũng lấy làm tiếc rằng đó đồng thời là một trong những lý thuyết khó hiểu nhất, bởi “không ai có thể hiểu định luật hấp dẫn mới mà không có một kiến thức xuyên suốt về lý thuyết các bất biến [theory of invariants] và phép tính biến phân”.

Khi Eddington được một nhân vật hoài nghi thuyết tương đối chúc mừng và cạnh khóe rằng ông chắc là một trong chỉ ba người hiểu thuyết tương đối, ông đã im lặng. “Đừng khiêm tốn, Eddington”, người kia nói. “Không phải. Tôi đang tự hỏi người thứ ba là ai”, Eddington đáp.

Độ lệch ánh sáng là thắng lợi thứ hai của Einstein. Thắng lợi đầu tiên là việc cắt nghĩa được trọn vẹn hiện tượng bất thường của quỹ đạo sao Thủy (Mercury), hành tinh gần Mặt trời nhất, điều mà thuyết Newton không giải thích được. Đó là quỹ đạo elip không khép kín như theo định luật Kepler, mà quay với một độ rất nhỏ quanh Mặt trời. Thắng lợi thứ ba sẽ đến, khó khăn hơn, là độ lệch đỏ (redshift) trong quang phổ do ảnh hưởng của hấp dẫn.

Chung cuộc, cho đến hôm nay, thuyết tương đối Einstein đã vượt qua mọi phép thử ngày càng gắt gao với các công cụ đo đạc ngày càng tinh vi. Những kết quả đó càng cho thấy thiên tài của Einstein khi ngay từ một trăm năm trước, ông đã rất tự tin với hệ thống vũ trụ hoàn toàn do ông tư duy ra. Năm 1919, khi được hỏi ông nghĩ gì nếu những kết quả đo đạc khác với lý thuyết của ông, Einstein trả lời: “Tôi sẽ lấy làm tiếc cho Chúa, nhưng lý thuyết [của tôi] thì vẫn đúng”.

Lịch sử không gian cong

Khoảng giữa thế kỷ 19, nhà toán học thần đồng của Đức Carl Friedrich Gauß là người đầu tiên ngờ rằng “hình học của thế giới chúng ta có liên quan đến vật lý”. Tháng 6-1854, Bernhard Riemann, học trò xuất sắc của Gauß, trình bày tiểu luận tại Đại học Göttingen có tựa đề “Về những giả thuyết làm nền tảng cho hình học” (Über die Hypothesen, welche der Geometrie zugrunde liegen), đưa ra gợi ý tiên tri về mối quan hệ hai chiều giữa vật lý và hình học.

Hai người đã tạo ra hình học phi-Euclid: Gauß trong không gian hai chiều, Riemann trong không gian nhiều chiều. Nhưng phải chờ hơn nửa thế kỷ sau, khái niệm cong của không - thời gian dưới bàn tay tài tình của Einstein mới thành hiện thực một cách độc lập với những tư biện triết học của Riemann, thay thế cho khái niệm lực của Newton.

Thứ sáu ngày 7-11-1919, một ngày sau khi công bố kết quả đo đạc nhật thực, tờ The London Times ở Anh đã châm ngòi cho cuộc bút chiến về một lý thuyết vật lý mới, với tít lớn trang nhất: “Cuộc cách mạng trong khoa học/ Lý thuyết mới về vũ trụ/ Các ý tưởng của Newton bị lật đổ”, với ngôn từ mạnh mẽ về “không gian bị cong” (space warped): “Từ Euclid đến Kepler, từ Kepler đến Sir Isaac Newton, chúng ta đã được dẫn dắt để tin vào tính chắc chắn của một số định luật nền tảng của vũ trụ… Nhưng những chuyên gia hàng đầu tin chắc rằng người ta đã làm đủ để lật đổ sự chắc chắn đó của nhiều thời đại, và đòi hỏi một nền triết học mới cho vũ trụ, một nền triết học sẽ quét sạch hầu hết những gì được chấp nhận cho đến nay là nền tảng tiên đề của tư tưởng vật lý”.

Hai ngày sau, báo The New York Times của Mỹ, số chủ nhật 9-11-1919, lên tiếng bên kia Đại Tây Dương: “Ánh sáng tất cả đều lệch trên trời/ Giới khoa học xôn xao về các kết quả quan sát nhật thực/ Thuyết Einstein chiến thắng/ Các vì sao không phải nằm ở nơi chúng ta thấy, hay nơi chúng ta tính toán, nhưng chúng ta không phải lo. (Một lý thuyết không có hơn 12 người trên cả thế giới hiểu được)”. Đây là lần đầu tiên tên tuổi Einstein xuất hiện trên tờ báo hàng đầu nước Mỹ. Từ đó cho đến khi ông mất, không năm nào trôi qua mà không có tên ông trên các cột báo của The New York Times.

red ladybug on green grass isolated on white
"Nếu một con bọ bò trên một cành cây cong, nó không biết rằng cành cây đó bị cong. Bố có diễm phúc nhận ra điều mà con bọ đã không thấy" (Einstein, 1919)

Ở Đức, ngày 14-12-1919, tờ Berliner Illustrirte Zeitung viết dưới tấm ảnh to một Einstein đang trầm ngâm: “Một vĩ nhân mới của lịch sử thế giới: Albert Einstein, những công trình nghiên cứu của ông đã cách mạng triệt để hiểu biết về tự nhiên của chúng ta và có giá trị ngang bằng với những khám phá của Copernic, Kepler và Newton”. Einstein trở thành ngôi sao mới của thời đại. Mỗi lời nói của ông được giới báo chí ngấu nghiến, bất kể về đề tài nào.

Đầu thế kỷ 20, giới khoa học đã có lúc tưởng thế giới của Newton là hoàn hảo và bất di bất dịch, thì đùng một cái, thuyết tương đối ra đời, chứng minh rằng ý tưởng lực hấp dẫn của Newton chưa chính xác lắm, cần được thay thế bởi một khái niệm mới chính xác hơn, là độ cong của không - thời gian. Do đó, thuyết tương đối gây ra chấn động to lớn trong dư luận khoa học cũng như đời thường. Thế giới bước vào thời kỳ hậu - Newton, hay thời kỳ Einstein. Lịch sử đã sang trang.

Nhà sử học Mỹ gốc Đức - Do Thái Fritz Stern mô tả một cách sâu sắc sự xáo trộn tinh thần bởi những chấn động đó trong bối cảnh Thế chiến I vừa kết thúc: “Vị anh hùng mới xuất hiện, như từ một bản thiết kế thần thánh, đúng vào lúc những người hùng cũ bị chôn vùi trong đống gạch vụn của chiến tranh. Chiến binh, vua chúa, chính trị gia, tu sĩ, lãnh đạo giới công nghiệp - tất cả đều thất bại. Giai cấp thượng đẳng cũ bị tụt xuống thành hạ đẳng […] Trước chiến tranh, giới trí thức có giá trị rất ít, nhưng sau chiến tranh, theo chân Einstein, họ có giá trị nhiều hơn. Einstein giờ đây trở thành một thế lực, hay ít nhất một nhân vật nổi danh, trên thế giới”.

Vũ trụ do Einstein
Vũ trụ do Einstein "nghĩ ra" cho tới giờ quả thật là vũ trụ "nhận thức được" với con người. Ảnh: space.com

Giáo sư Marcelo Gleiser về triết học tự nhiên ở Đại học Dartmouth, Mỹ, nhận định về khoa học của Einstein: “Khoa học của Einstein là một sự “đập phá thánh tượng” mãnh liệt, đánh đổ các khái niệm quan trọng của Newton về không gian và thời gian tuyệt đối, những khái niệm rất dễ chịu và không gây sợ hãi. Khoa học của ông mở ra cánh cửa đến một thế giới chưa biết, một thế giới vượt khỏi trải nghiệm của giác gian - một thế giới vô hình với những tính chất huyền bí và hiệu ứng kỳ lạ. Một khi bước vào thế quan mới này, ta không thể trở lại. Giống như vị anh hùng huyền thoại trở về từ cuộc phiêu lưu, bạn sẽ xuất hiện như một con người đã được biến đổi, với một quan niệm mới về thực tại. Đó là khoa học như một nghi thức truyền tâm ấn, một sự thỏa mãn tâm linh. Các ý tưởng của Newton có lẽ cũng có tác động tương tự lên các bộ óc triết học hồi đầu thế kỷ 18, bởi vì chúng cũng mở ra những mối liên kết giữa trời và đất, hấp dẫn được xem như một lực vô hình huyền bí, có nguồn gốc nằm trong vật chất bởi những cơ chế ẩn mình và truyền đi tức thì xuyên qua không gian, không thể giải thích được. Khoa học Newton nghiên cứu thực tại sờ mó được trong khi khoa học của Einstein vượt xa hơn. Một tượng thánh khác cho một thời đại khác”.■

Độ lệch ánh sáng của Einstein, xét một cách tương đối, là rất, rất nhỏ. Hãy hình dung con số 1,7” của giây cung trên vòng tròn 360 độ được chia ra 60 phút cho mỗi độ, rồi 60 giây cho mỗi phút. Điều vô cùng ngạc nhiên là ngồi dưới đất mà Einstein có thể tính toán độ lệch bé xíu ở xa tít trên trời, cách mặt đất 150 triệu cây số, một độ lệch với người thường là không đáng kể và chẳng đáng quan tâm, nhưng lại vô cùng quan trọng với giới khoa học. Vì sao? Lịch sử khoa học và tôn giáo, cụ thể là Kitô giáo của châu Âu, gắn liền với bầu trời. Từ thời Hi Lạp cổ đại đến thời Kitô giáo, đó là một chủ đề xuyên suốt. Theo Kinh Thánh, Thiên Chúa tạo ra thế giới trong 7 ngày. Nhà thờ muốn chứng minh vũ trụ vận hành đúng theo Kinh Thánh. Cho nên bầu trời và sự vận hành của nó trở thành chốn thiêng liêng. Mọi sự thay đổi quan điểm về sự vận hành của bầu trời vì thế nhất thiết sẽ đụng chạm tới nhà thờ và giáo hội, từ đó đụng chạm tới đời sống tâm linh và đời sống thực của tất cả mọi người.

Nếu con bọ bò trên một cành cây cong, nó không biết rằng cành cây đó bị cong. Bố có diễm phúc nhận ra điều mà con bọ đã không thấy

Einstein, 1919

 

Vui lòng nhập nội dung bình luận.

Gửi