Fridman và vũ trụ học hiện đại - Hiệu ứng Doppler và sự tản xa của các thiên hà

Bước ngoặt sự nghiệp vẻ vang của Fridman xảy ra giữa độ tuổi 34 cũng vào những buổi đêm trầm ngâm nghiên cứu thuyết tương đối tổng quát của Einstein. Fridman quan tâm đến mẫu vũ trụ mới do Einstein đưa ra: Vũ trụ là một thế giới hình cầu 3 chiều có thể tích giới hạn và không biến đổi theo thời gian (mẫu vũ trụ dừng). Để cân bằng lực hấp dẫn Newton (lực hút) và làm cho thế giới ổn định trở nên dừng, Einstein phải đưa ra lực đẩy vũ trụ không phụ thuộc vào khối lượng vật chất, chỉ phụ thuộc vào khoảng cách từng phần chia nhỏ của thế giới. Gia tốc đẩy và gia tốc hút phải bằng nhau về giá trị tuyệt đối và ngược nhau về dấu. Lực đẩy vũ trụ thực tế không thể nhận ra ở phòng thí nghiệm trên trái đất, thậm chí trong phạm vi hệ Mặt trời và cả thiên hà chúng ta vì nó rất nhỏ, bỏ qua được so với lực hút. Lực đẩy vũ trụ dự đoán chỉ có thể phát triển được ở phạm vi các thiên hà xa xôi tận chân trời vũ trụ. Bởi thế trong phương trình trường hấp dẫn Einstein đã xuất hiện 1 hằng số vũ trụ mô tả lực đẩy gọi là hấp dẫn của chân không …

Bằng tài năng của mình, Fridman cho rằng có thể giải được phương trình trường hấp dẫn Einstein cho toàn thể vũ trụ mà không cần đến hằng số vũ trụ, tức không cần đến lực đẩy giả định, nhưng phải từ chối giả thiết về tính dừng, tính bất biến theo thời gian của mật độ trung bình của vật chất trong vũ trụ. Thế là Fridman đã tìm ra nghiệm mới của phương trình Einstein-nghiệm không dừng, biến đổi theo thời gian. Ông cho công bố các công trình: “ Về độ cong của không gian”(1922) và “thế giới như không gian và thời gian”(1923) ở đó Fridman dã dũng cảm trình bày bằng toán học thuần tuý lý thuyết giãn nở của vũ trụ làm cho thiên hà tản xa nhau. Ông trở thành một trong số ít người phân tích xuất sắc thuyết tương đối và là người đầu tiên tuyên truyền các nhà vật lý Nga làm quen với thuyết tương đối Einstein trong các công trình của mình, Fridman trình bày thận trọng, khiêm tốn và tràn ngập niềm tin một ngày không xa con người sẽ khám phá ra điều bí ẩn về vũ trụ đang nở rộng. Chưa một ai biết đến bao giờ lý thuyết vũ trụ học hiện đại đầu tiên của Fridman mới được thực nghiệm xác nhận.

Giữa lúc tài năng đang nở rộ, giữa bao phấn chấn ngổn ngang thì trái tim nhà bác học ngừng đập ở tuổi 37! Chỉ 4 năm sau lý thuyết Fridman được khẳng định đúng đắn qua tài liệu quan sát thiên văn (1929). Người đem vinh quang đến cho Fridman là nhà thiên văn Mỹ nổi tiếng Hubble E.(1889-1953). Làm việc ở Đài quan sát Mount Wilson vùng ngoại ô Losangeres (Bang California ). Hubble E. đã cho công bố hàng loạt ảnh phổ chụp từ kính thiên văn phản xạ đường kính gương 2,5 mét. Hầu hết là ảnh phổ các đối tượng vũ trụ xa xôi ở ngoài thiên hà chúng ta. Ảnh phổ-đó là bản hồ sơ lý lịch đa dạng của một nguồn sáng. Nó chứa đựng những thông tin về thành phần hoá học, cường độ ánh sáng phát ra từ nguồn và nhiều thông tin khác. Đặc biệt nếu thấy các vạch phổ chụp được bị dịch chuyển so với phổ chuẩn thì theo hiệu ứng Doppler (sẽ nói rõ sau) còn biết được nguồn sáng đang chuyển động ra xa hay lại gần trái đất. Hubble thấy nhất quán rằng tất cả các ảnh phổ theo mọi phía từ trái đất đều bị dịch chuyển về phía đỏ (red shift), nghĩa là các thiên hà xa xôi ở mọi phía đang tản ra xa (vũ trụ đang nở rộng) Thiên hà ở càng xa, độ dịch chuyển về phía đỏ càng lớn. Vận tốc tản xa của các thiên hà tỷ lệ thuận với khoảng cách R từ trái đất đến thiên hà và đều có chung hệ thức V=hR gọi là định luật Hubble trong đó h gọi là hằng số hubble.

Bức tranh vũ trụ nở rộng của Fridman càng thêm sáng tỏ kể từ năm 1963 mở đầu thời kỳ khám phá các Quasar (Quasistellar object-1963-Đối tượng y như sao, vật thể giả sao). Các Quasar rất xa, tận miền biên giới vũ trụ, độ sáng gấp hàng trăm lần độ sáng của thiên hà chúng ta, đặc biệt có độ chuyển dịch đỏ rất lớn trong phổ chụp được. Viền sĩ Ginzburg V.L.( Sinh 1916,Moscow)-người vừa nhận được giải thưởng Nobel vè Vật lý ở tuổi 87 (năm 2003) cũng chỉ rõ: Vũ trụ nở rộng, các thiên hà tản xa, xảy ra trong tỷ lệ cực lớn. Hệ mặt trời Thiên hà chúng ta và thậm chí cả một nhóm thiên hà (quần thể thiên hà) gần nhau, liên kết với nhau bởi lực hấp dẫn, không cần tham gia vào sự giãn nở vũ trụ.

Vũ trụ học và thiên văn học hiện đại càng phát triển thì chân trời có biến cố vũ trụ càng thêm rộng mở trong tầm nhìn của con người: Vũ trụ mà chúng ta nhận thức được đến ngày nay mới chỉ là một phần của thế giới vật chất vô hạn trong không gian và thời gian, cũng vô cùng đa dạng về hình thể, từ các hạt vi mô trong dòng tia vũ trụ đến các thiên hà khổng lồ đang tản xa trong suốt qua trình phát triển tiến hoá của mình. Phần này của thế giới vật chất gọi là Siêu thiên hà(hay còn gọi là Metagalaxy) chỉ chứa một vài tỉ thiên hà mà các Quasar nằm ở tận chân trời vũ trụ hôm nay tức chân trời các biến cố nhận thức được.

Độ lớn cực đại của khoảng cách không gian biết được trong vật lý hiện đại bằng 1028cm gọi là bán kính vũ trụ, tức bằng khoảng cách tới chân trời các biến cố. Các biến cố ở hai bờ đối diện nhau, xa nhau nhất thì không thể truyền tin cho nhau biết được. bán kính vũ trụ còn tăng theo tiến trình nhận thức của con người.

Lý thuyết vũ trụ giản nở của Fridman đã được thừa nhận bởi kết quả quan sát thiên văn tương thích đúng với cái gọi là hiệu ứng Doppler nêu ra ở trên. Hiệu ứng này do nhà vật lý và thiên văn Áo Christian Dopple (1803-1985) khám phá năm 1842 khi ông làm việc ở Đại học tổng hợp Praha. Doppler phát hiện thấy rằng lúc di chuyển nguồn sáng lại gần mình thì nguồn sáng trở lên xanh tím hơn, còn di chuyển ra xa sẽ đỏ hơn. Từ đó ông lập luận lý thuyết về sự phụ thuộc về tần số âm thanh và các dao động ánh sáng vào vận tốc chuyển động của người quan sát là nguồn phát dao động. Doppler khẳng định đó là hiệu ứng biến đổi bước sóng (hoặc tần số dao động sóng) quan sát được khi cho nguồn sáng chuyển động đối với máy thu sóng. Ông còn đưa ra giả thuyết ánh sáng của sao sẽ trở lên đỏ hơn (ứng với bước sóng kéo dài ra) nếu khoảng cách giữa trái đất và sao tăng lên và sẽ tím hơn (ứng với bước sóng co ngắn lại) hẳn ông không biết được gần một thế kỷ sau trở đi hiệu ứng vừa khám phá lại đóng vai trò to lớn trong nghiên cứu vũ trụ học hiện đại và vật lý thiên văn tương đối.

Hiệu ứng Doppler đặc trưng cho các sóng bất kỳ như sóng âm, sóng ánh sáng, sóng điện từ… năm 1845 nhà khí tượng học Hà Lan Buys Ballot (1817-1890) phát hiện hiệu ứng Doppler đối với sóng âm. Năm 1848 nhà vật lý Pháp Fizeau A (1819-1896) đưa ra phân tích hiẹu ứng Doppler đúng đắn trong quang học, đồng thời đề nghị dùng nguyên lý Doppler để xác định vận tốc tia (vận tốc xuyên tâm) của các thiên thể theo độ dịch chuyển các vạch phổ trong quang phổ của thiên thể đó. (Vận tốc tia là hình chiếu của véctơ vận tốc không gian của thiên thể trên tia ngắm được xác định theo hiệu ứng Doppler. Vận tốc tia tương ứng với thiên thể đi ra xa người quan sát, vận tốc tia âm khi ngược lại). Năm 1867 nhà thiên văn Anh Huggins W (1824-1910) phát hiện hiệu ứng Doppler đối với sóng ánh sáng. Đến năm 1912 Sliphir V.N (1876-1969) nhà thiên văn Mỹ là người đầu tiên xác định vận tốc tia của các quần sao dạng cầu và các tinh văn xoắn ốc. Năm 1914 Sliphir phát hiện vận tốc tia của tinh văn Tiên nữ (Andromeda) là + 300km/s. Một năm sau ông lại xác định được vận tốc tia + 1 100 km/s đối với một số thiên hà xoắn ốc ở xa hơn. Tính vận tóc Andromeda là thiên hà xoắn ốc khổng lồ trên bầu trời phương bắc duy nhất thấy được bằng mắt thường và ở gần thiên hà chúng ta nhất (cách xa ta 2,3 triệu năm ánh sáng). Hình ảnh Andromeda chụp được hôm nay là ánh sáng của nó phát ra từ 2,3 triệu năm tiến hoá về trước. song phải chờ tới A.Einstein, Afridman và E. Hubblerthì con người mới biết được các thiên hà đang tản xa, vũ trụ đang nở rộng!

Chúng ta sẽ còn thấy những định luật vật lý khám phá ra trong phòng thí nghiệm Trái đất từ các thế kỷ qua được kiểm nghiệmở vùng lân cận mặt trời đều áp dụng được cho các thiên thể vũ trụ. Nhờ đó mà con người có khả năng nhận thức đúng đắn rằng: Vũ trụ không dừng, cũng không biến đổi luân hồi mà vận động phát triển vĩnh viễn. Sự phát triển tiến hoá của vũ trụ đang được quan sát trong phạm vi toàn bộ vũ trụ, từ các hạt cơ bản nhỏ bé nhất đến các thiên hà khổng lồ xa xôi.

Những bậc thiên tài khoa học luôn luôn tin vào hiệu lực của các định luật vật lý vạn năng trong cả những điều kiện bất thường của vũ trụ.

Đồng thời niềm tin sâu sắc vào tính thống nhất vật chất của thế giới là đảm bảo cơ bản cho nghiên cứu vũ trụ thành công, được lịch sử khoa học tự nhiên thừa nhận. Thế giới là vật chất vĩnh viễn, vô tận trong không gian- thời gian. Con người-sản phẩm cao nhất, kỳ diệu nhất của thế giới vật chất và là một lực lượng vĩ đại của giới tự nhiên trên hành tinh trái đất của chúng ta!

Đón đọc kỳ sau:Mặt trời, từ trường của mặt trời và những ngôi sao.

* Hội ĐVLVN.

Nguồn: Tạp chí Địa cầu số 5, tháng 12-2003, trang 9.