Con quay hồi chuyển chứng minh Einstein đã đúng

Các nhà nghiên cứu đã xác nhận điều này hôm 4 tháng 5 trong cuộc họp báo tại trụ sở NASA, nơi họ công bố các kết quả được chờ đợi từ lâu của nhiệm vụ Gravity Probe B (GP-B).

“Chúng ta đã hoàn thành thí nghiệm lịch sử này để kiểm chứng lý thuyết về vũ trụ của Einstein, và Einstein đã thắng”, khẳng định từ nhà vật lý Francis Everitt của Đại học Stanford, trưởng dự án Gravity Probe B của NASA.

Kết quả

Sau 31 năm nghiên cứu và phát triển, 10 năm chuẩn bị cho chuyến bay vào vũ trụ, 1,5 năm thời gian bay trong không gian, và 5 năm phân tích dữ liệu, cuối cùng nhóm nghiên cứu GP-B đã đạt được những kết quả thí nghiệm chính thức cuối cùng cho cuộc kiểm chứng lịch sử đối với thuyết tương đối rộng năm 1916 của Einstein. Bản tóm tắt báo cáo của nhóm nghiên cứu như sau:

Vệ tinh Gravity Probe B, được phóng lên không gian ngày 20 tháng 4 năm 2004, nhằm kiểm tra hai dự đoán cơ bản từ Thuyết tương đối Rộng của Einstein về hiệu ứng võng (geodetic effect) và hiệu ứng kéo khung (frame-dragging effect), [thí nghiệm] dựa trên các con quay luân chuyển (gyroscope) trên quỹ đạo Trái đất, được duy trì trong nhiệt độ siêu lạnh. Dữ liệu được bắt đầu thu thập từ ngày 14 tháng 8 năm 2005. Việc phân tích dữ liệu từ 4 con quay luân chuyển chỉ ra mức lệch võng 6,601.8±18.3 mas/năm, và mức lệch kéo khung là -37:2±7.2 mas/năm, trong khi dự đoán tương ứng của thuyết tương đối rộng là -6,606.1 mas/yr and -39.2 mas/yr, (‘mas’ là milliarc-giây; 1 mas= 4.848 X10-9 radian, hay 2.778 X10-7 độ).

Bảng dữ liệu và đồ thị dưới đây cung cấp kết quả số liệu từ mỗi con quay luân chuyển, số bình quân gia quyền của cả 4 con quay, và dự đoán được Leonard Schiff, nhà vật lý của Đại học Stanford tính toán theo thuyết tương đối rộng của Einstein.

Trong đồ thị trên, khu vực bên trong mỗi hình elip đại diện cho khoảng tin cậy 95% (95% confidence interval) cho số liệu đo đạc của mỗi con quay luân chuyển đối với hiệu ứng võng và hiệu ứng kéo khung. Chiều cao của hình elip thể hiện khoảng tin cậy 95% cho hiệu ứng võng còn chiều rộng đại diện khoảng tin cậy 95% hiệu ứng kéo khung. Hình elip màu đen đại diện cho bình quân gia quyền số liệu đo được từ cả 4 con quay luân chuyển. Ngôi sao đen nằm ở trung tâm hình elip đen đại diện cho con số tính toán chính xác theo thuyết tương đối của Einstein đối với hiệu ứng võng và hiệu ứng kéo khung.

Một chặng đường kỳ vĩ

Ý tưởng về nhiệm vụ GP-B được đề xuất từ năm 1959, nhưng dự án này phải chờ đợi cho tới khi các công nghệ cần thiết liên quan được nghiên cứu ra.

“GP-B, về khái niệm thì đơn giản, nhưng đòi hỏi công nghệ cực kỳ phức tạp”, nhận xét từ Rex Geveden, cựu giám đốc chương trình GP-B, nay là chủ tịch công ty Teledyne Brown Engineering tại Huntsville, bang Alabama.

“Ý tưởng đã có từ 3 tới 4 thập kỷ trước khi con người có đủ trình độ công nghệ để thực hiện. 13 công nghệ tinh xảo được sinh ra trong quá trình nghiên cứu thực hiện dự án GP-B. Quả cầu luân chuyển có thể coi là vật thể tròn nhất mà con người từng chế tạo được. Chênh lệch lớn nhất giữa các đường kính của quả cầu chỉ vào khoảng 2 phần 10 của một phần triệu inch.”

Những sáng chế sinh ra từ GP-B được dùng trực tiếp để cải tiến Hệ thống Định vị Toàn cầu (GPS). Một dự án khác của NASA có tên gọi Cobe có nhiệm vụ chụp lại hình ảnh vũ trụ ở khoảng dưới 1 triệu năm sau Big Bang, thành công được là nhờ công nghệ được phát triển ra từ GP-B. 

Khoảng 100 sinh viên đã hoàn thành luận án PhD nhờ tham gia vào các hạng mục của dự án, trong suốt quá trình nghiên cứu phát triển, chế tạo, và thực hiện chuyến bay của vệ tinh trong không gian.

Hơn 350 sinh viên đại học cũng tham gia vào GP-B, bao gồm một người sau này trở thành nữ du hành vũ trụ đầu tiên của Mỹ, Sally Ride. Một người khác là Eric Cornell, đoạt giải Nobel Vật lý năm 2001.

1. Góc quay của từng con quay được giám sát để theo dõi những thay đổi gây ra bởi các hiệu ứng tiếp theo thuyết tương đối rộng

2. Độ lệch kéo khung

3. Độc lệch võng

4. Các con quay luân chuyển trên vệ tinh Gravity Probe B được dữ trong hộp chân không đặc biệt được thiết kế để chống lại mọi tạp lực

5. NASA phóng vệ tinh GP-B vào ngày 20 tháng 04, nhưng bắt đầu cấp kinh phí cho dự án này từ năm 1963, tức là khá lâu trước khi Neil Armstrong đặt chân lên Mặt trăng