Embedded Files
19/02/2016
Sóng trọng trường, “ý tưởng may mắn nhất của Einstein”
Etienne Klein – CEA
Mô phỏng thể hiện sự biến dạng của không gian và thời gian tạo nên bởi Mặt trời và Trái đất (LIGO/Reuters)
Paul Valéry và Albert Einstein ngưỡng mộ nhau và gặp nhau nhiều lần trong những năm 1920. Một hôm, nhà thơ-nhà tư tưởng Paul Valéry, vốn nghĩ rằng cha đẻ của thuyết tương đối luôn nảy sinh những ý tưởng mới một cách đều đặn, đã đặt câu hỏi được ấp ủ bấy lâu nay : “Khi một ý tưởng mới đến với ông thì ông đón nhận nó như thế nào? Dùng một cuốn sổ tay, một mẩu giấy…?” Nhưng có lẽ câu trả lời của nhà vật lý đã làm Paul Valéry thất vọng: “Ồ! Ý tưởng, ông biết đấy, đó là một thứ rất là hiếm hoi!”
Không còn cảm giác của trọng lực
Câu trả lời thể hiện sự khiêm nhường hết mực của Einstein. Bởi trên thực tế, Einstein đã có ý tưởng thực sự mới, dĩ nhiên là hơn một và cũng không phải là những ý tưởng linh tinh! Vào một ngày đẹp trời vào năm 1907, khi vẫn còn ở Berne, ông đã có được “sự may mắn lớn nhất của cuộc đời”, đó chính là ý tưởng mà sẽ trở thành hòn đá tảng cho thuyết tương đối rộng. Ông kể lại sau đó: “Tôi đang ngồi trong văn phòng ở Berne. Đột nhiên tôi nhận ra rằng nếu một người đang rơi tự do thì sẽ không có cảm giác về trọng lượng của chính họ. Tôi đã bị cuốn hút bởi ý tưởng này. Nó mang lại cho tôi một ấn tượng vô cùng mạnh mẽ. Và đưa tôi đến một lý thuyết mới về lực hấp dẫn.”
Những gì mà Einstein vừa nhận ra là khi chúng ta rơi tự do, tất cả những vật quanh ta (như dù, mũ) đều rơi như ta bởi vì vận tốc rơi của các vật là bằng nhau. Do đó, chúng ta có cảm giác rằng trọng lực đã biến mất xung quanh ta trong khi chúng ta vẫn còn đang bị chi phối bởi trọng trường. Điều này có vẻ kì cục? Có vẻ như là sự tăng tốc do rơi tự do đã loại bỏ trường hấp dẫn cục bộ…
Từ cảm nhận này, Einstein cho rằng có một sự tương đương giữa sự tăng tốc và lực hấp dẫn: nếu như một sự tăng tốc có thể loại bỏ trọng trường thực sự thì nó có thể tạo ra một trọng trường ở nơi chưa có trọng trường.
Hệ quả của “nguyên lý tương đương” này là một người ở trong một thang máy không có cửa sổ sẽ không thể biết được là thang máy đang đứng yên ở nơi có trọng trường hay đang được kéo lên trên với một gia tốc là hằng số ở nơi không có trọng trường. Trong cả hai trường hợp, người đó đều có cảm giác là chân bị kéo xuống sàn và, nếu người này thả một vật, vật đó sẽ rơi theo cách giống hệt như trên mặt đất. Các định luật vật lý trong hai trường hợp này phải hoàn toàn giống nhau.
Suy nghĩ về thang máy
Bốn năm sau, tại Prague, Einstein đã có một sự đột phát có tính quyết định thứ hai khi nhận thấy rằng nguyên lý tương đương dẫn đến ánh sáng, dù có khối lượng bằng không, sẽ không đi theo một đường thẳng trong một trọng trường. Hình dung rằng cabin của một thang máy đang tăng tốc đi lên và một tia sáng song song với sàn đi qua một lỗ nhỏ trên một vách của cabin. Do vận tốc ánh sáng là hữu hạn, ánh sáng cần một khoảng thời gian để đi đến vách đối diện của cabin. Trong khoảng thời gian này cabin đã được kéo lên một đoạn. Và do đó, điểm gặp nhau giữa tia sáng và vách đối diện sẽ gần hơn với sàn cabin nếu so sánh với vị trí của lỗ nhỏ mà ánh sáng đi vào cabin.
Nếu chúng ta quan sát quỹ đạo của tia sáng đi qua cabin, ta thấy rằng tia sáng bị uốn cong do gia tốc hướng lên. Theo nguyên lý tương đương, ta có thể biết được điều gì? Đó là hiện tượng này sẽ xảy ra hoàn toàn tương tự với một cabin thang máy đứng yên trong một trường hấp dẫn. Nói rõ hơn, ngược với những gì đã biết với lý thuyết cổ điển, quỹ đạo của ánh sáng bị bẻ cong bởi lực hấp dẫn!
Ý tưởng này sẽ trở thành bí quyết vũ trụ. Xuất hiện bên bờ sông Vltava, ở một góc nào đó trong bộ não của những suy nghĩ không như thông thường, nó được củng cố, trình bày cụ thể và cuối cùng làm đảo lộn cấu trúc của vũ trụ trong suy nghĩ của các nhà vật lý.
Nhật thực soi sáng
Từ cuối năm 1911, Einstein dự đoán rằng sự uốn cong của ánh sáng mà ông ta vừa tính toán có thể đo đạc được với ánh sáng đến chúng ta từ những ngôi sao cố định. Trong điều kiện bình thường, do ánh sáng quá mạnh của mặt trời, các ngôi sao cố định theo hướng mặt trời không được nhìn thấy. Nhưng ta có thể thấy chúng khi xảy ra nhật thực toàn phần. Trong điều kiện này, sự bẻ cong của ánh sáng dưới tác động của lực hấp dẫn của mặt trời sẽ có thể đo đạc được.
Các nhà thiên văn học dự đoán rằng nhật thực toàn phần sẽ diễn ra ngày 21/8/1914 và hội tụ tất cả các điều kiện cần thiết để thực hiện sự đo đạc quan trọng này. Erwin Freundlich, một nhà thiên văn trẻ người Đức, tổ chức chuyến đi đo đạc đầu tiên đến Crimée đúng vào thời điểm nổ ra Thế chiến thứ nhất. Tất cả thành viên của nhóm đều bị bắt làm tù binh bởi lính Sa hoàng và dụng cụ của họ bị tịch thu.
Tuy nhiên, ở khía cạnh nào đó, đây lại là một điều may mắn bởi dự đoán của Einstein chưa đến độ chín mùi để nắm bắt được bí mật vũ trụ: nếu như Freundlich có thể thực hiện các đo đạc như dự kiến, những kết quả này sẽ bác bỏ những tính toán của Einstein, vốn chưa chính xác…
Nhưng ta trở lại năm 1913. Trở về Zurich, với sự giúp đỡ của Marcel Grossmann, Einstein nghiên cứu hình học không gian cong được phát triển bởi Bernhard Riemann. Trong khi Riemann chỉ quan tâm đến sự bẻ cong của không gian, Einstein và người bạn của ông đã tổng quát hóa những công trình của Riemann cho toàn bộ không gian-thời gian. Trong một bài báo viết chung, họ đưa ra ý tưởng rằng lực hấp dẫn thật ra không phải là một lực mà là sự biểu hiện cục bộ của sự uốn cong của không gian-thời gian.
Theo họ, trên thực tế hình dáng của vũ trụ bị bẻ cong bởi khối lượng có trong vũ trụ và, ngược lại, đặc tính hình học của không gian-thời gian sẽ quyết định trực tiếp (nghĩa là không cần đến lực) đến sự chuyển động của các vật chứa trong vũ trụ. Tuy nhiên, do một nhầm lẫn của Einstein, họ đã không thể tìm ra được phương trình gắn kết sự uốn cong của không gian-thời gian với khối lượng và năng lượng có trong đó.
Từ năm 1914, Einstein tiếp tục với vấn đề này tại Berlin, phần lớn không bị ảnh hưởng bởi chiến tranh, và cuối cùng đã tìm ra phương trình chính xác vào cuối năm 1915. Tại hội thảo ngày 25/11, ông thông báo rằng sự bẻ cong của ánh sáng khi đi gần mặt trời phải bằng hai lần giá trị mà ông đã dự đoán năm 1911.
Sau thế chiến thứ nhất, Arthur Eddington, giám đốc trung tâm quan sát thiên văn của Cambridge, tổ chức hai chuyến đi để quan sát nhật thực ngày 29/5/1919. Bản thân ông đi với nhóm đầu tiên đến một đảo nhỏ nằm phía Nam Đại Tây Dương, trong khi nhóm thứ hai đến một thành phố ở Brésil. Mặc dù thời tiết không được thuận lợi và chất lượng các tấm phim không được tốt, những đo đạc đã khẳng định các tính toán của Einstein. Kết quả này đã kéo theo một sự quan tâm chưa từng có và đưa Einstein trở thành ngôi sao thế giới.
Khi Eduard, đứa con trai thứ hai của Einstein, hỏi tại sao cha lại nổi tiếng như vậy, cậu bé nhận được câu trả lời thú vị tóm gọn những điểm chính yếu của vấn đề: “Khi một con bọ mù bò trên bề mặt của một cành cây cong, nó không biết rằng con đường nó đi cũng là một đường cong. Cha chỉ có may mắn thấy được điều mà con bọ kia không thể thấy.”
Lắng nghe hơi thở của vũ trụ
Năm 1916, trong khi đang bị bệnh vì kiệt sức bởi những năm dài làm việc cật lực, Einstein bắt đầu tự hỏi liệu một khối lượng chuyển động nhanh dần có thể tạo ra “sóng trọng trường” theo như cách một hạt tích điện khi tăng tốc tạo ra sóng điện từ. Ông đã nhanh chóng tìm ra lời giải của các phương trình thể hiện sự uốn cong của không gian-thời gian di chuyển với tốc độ ánh sáng. Trên đường đi, nó sẽ làm biến dạng không gian-thời gian, và điều này sẽ làm thay đổi khoảng cách giữa hai điểm trong không gian.
Những sóng như vậy, với lực hấp dẫn rất bé, rất khó để phát hiện. Thực tế, sóng này chỉ có thể được phát hiện với sự giúp sức của một sự kiện đáng kể xảy ra cách đây hơn một tỉ năm: hai lỗ đen gần nhau hợp lại với nhau với vận tốc bằng 2/3 vận tốc ánh sáng; sự va chạm vô cùng mạnh này đã giải phóng một năng lượng khủng khiếp trong 20 ms và tạo ra một chuỗi sóng trọng trường, mà dần dần sẽ yếu đi trong quá trình di chuyển. Khi đi qua trái đất, ngày 14/9/2015, sóng trọng trường này đã được phát hiện nhờ thiết bị đặc biệt nhạy của thí nghiệm LIGO (mà, cũng với một sự may mắn diệu kì, vừa mới được đưa vào sử dụng).
Chúng ta dừng lại một chút để chiêm ngưỡng thành tựu đạt được: sự thay đổi về chiều dài mà thiết bị của LIGO đo được nhỏ hơn rất nhiều kích thước của một proton !
Sự trớ trêu của lịch sử
Dựa trên sự chặt chẽ của toán học, vật lý đã hoạt động như một cái “tời bản thể học” : từ những phương trình và hệ quả của nó, vật lý phát hiện ra những đối tượng vật chất mới. Vật lý đã dự đoán và chứng minh sự tồn tại của photon, phản hạt, quark, và gần đây, năm 2012, boson Higgs. Nhưng lịch sử cũng chứa đựng những điều trớ trêu, bởi Einstein không bao giờ tin vào sự tồn tại của lỗ đen. Nhưng chính hai đối tượng như vậy, khi kết hợp với nhau thành một, đã cho phép phát hiện sóng trọng trường mà ông đã dự đoán.
Ở đây, có hai khám phá đồng thời: bằng chứng về sóng trọng trường đã khẳng định sự tồn tại của lỗ đen (mà trước đây nhiều người vẫn còn hoài nghi) cũng như khả năng kết hợp của chúng.
Thông báo ngày 11/2 kỉ niệm một cách ấn tượng một trăm năm ra đời của một công trình trí tuệ tuyệt vời. Nó vang lên như sự đạt đến vẹn toàn của một ý tưởng đơn giản và “may mắn” mà, vào một ngày đẹp trời, đã nở ra như một bong bóng nhỏ trong bộ não của một thiên tài.
Etienne Klein – giám đốc nghiên cứu của CEA.
Google Sites
Report abuse