Từ thuyết tương đối Einstein đến sự bùng nổ các khám phá bí mật vú trụ

Thuyết tương đối là lý thuyết vật lý - toán học rất trừu tượng và khó tiếp cận. Song chúng ta vẫn có thể tìm hiểu được nội dung và ý nghĩa căn bản của nó.

TỪ THUYẾT TƯƠNG ĐỐI ĐẾN EINSTEIN

Khi còn ngồi trên ghế đại học, Einstein có người thầy lớn là nhà vật lý, toán học Đức G. Minkowski (1864 - 1909) trang bị cho anh các kiến thức về hình học, vật lý, toán, phương pháp toán học đưa anh đến phát minh thuyết tương đối sau này. Einstein hiểu sâu sắc tính chân lý của các tiên đề hình học, tự nó bộc lộ rõ ràng không cần phải chứng minh. Cấu trúc tiên đề của hình học được coi là tiêu chuẩn chân lý của kiến thức toán học. Có thể phát triển nghiên cứu tiên đề hoá tri thức khoa học trong vật lý học với niềm tin vào sự thống nhất của toán học và tự nhiên học. Phương tiện của Einstein là khoa học cơ bản, là toán học.

Einstein chỉ rõ rằng lý thuyết có tính quy luật riêng hay tính tự trị (autonomic) đối với thực nghiệm, khi tạo ra nó. Nội dung lý thuyết vật lý không thể được rút ra từ thực nghiệm. Ông khẳng định: “Không tồn tại một phương pháp quy nạp nào có thể dẫn đến những khái niệm nền móng của vật lý học”. Vì thế lý thuyết mới của ông đòi hỏi phải tiên đoán trực tiếp chân lý của hiện thực vượt lên trước kinh nghiệm (thực nghiệm). Einstein đã phát huy phương pháp tiên đề trong vật lý lý thuyết trừu tượng với sử dụng phương tiện hình học hùng mạnh do Riemann B. (1826 – 1866) tạo ra như một học thuyết mới về tập hợp các đối tượng đồng nhất liên tục trong không gian nhiều chiều.

Einstein đưa ra hai tiên đề nắm bắt trực tiếp chân lý khách quan mang tên các tiên đề Einstein: Tiên đề 1 - Tất cả các định luật vật lý đều như nhau trong mọi hệ qui chiếu quán tính. Tiên đề 2 - Vận tốc ánh sáng trong chân không từ nguồn sáng, đói với người quan sát viên độc lập với chuyển động (tức C ≈ 300.000 Km/s là tuyệt đối trong thuyết tương đối). Cả hai tiên đề đều bao hàm các thực thể vật chất, không gian và thời gian. Xuất phát từ đây Einstein đã xây dựng nên thuyết tương đối theo qui trình suy diễn logic tài tình. Ông là người tiêu biểu cho sáng tạo tự do bay bổng của trí tuệ con người.

Khi áp dụng các tiên đề vào hệ chuyển động không gia tốc ông đã tạo ra thuyết tương đối hẹp dẫn đến khám phá định luật liên kết tương hỗ khối lượng và năng lượng E = m.c ²dùng làm cơ sở tính toán sự cân bằng năng lượng các phản ứng hạt nhân, cơ sở cho toàn bộ vật lý hạt nhân hiện đại và năng lượng học hạt nhân từ nguyên tử đến các vì sao. Còn khi áp dụng vào hệ chuyển động có gia tốc ông đạt tới thuyết tương đối tổng quát, cũng gọi là thuyết hấp dẫn tương đối tính (relativistics) hiện đại, làm bùng nổ sự phát triển các khoa học mới về vũ trụ như vũ trụ học tương đối tính và vật lý thiên văn tương đối tính. Từ đó Einstein tính được độ dịch chuyển về phía đỏ của phổ ánh sáng trong trường hấp dẫn mặt trời (MT), tính được độ lệch tia sáng do hấp dẫn, độ dịch chuyển điểm cận nhật của hành tinh Mercury do hấp dẫn của MT... Đưa ra hệ phương trình cơ bản mô tả trường hấp dẫn (phương trình Einstein), phát triển quan niệm không gian cong không biến đổi theo thời gian (mẫu vũ trụ Einstein) đánh dấu sự ra đời của vũ trụ luận (cosmology) hiện đại (1917) - học thuyết vật lý về vũ trụ nói chung.

Sau sáng tạo thuyết tương đối, Einstein đề nghị các nhà thiên văn tìm cách kiểm tra tính toán lý thuyết của ông bằng thực hành quan sát. Ít lâu sau các kết quả quan sát độ dịch chuyển điểm cận nhật của Thuỷ Tinh phù hợp, chính xác cao như Einstein đã tính. Đó là thành công xuất sắc nhất của thuyết tương đối tổng quát, tạo ra niềm tin lớn cho các nhà khoa học thế kỷ XX tiến hành kiểm chứng và phát triển vũ trụ học hiện đại.

... ĐẾN SỰ BÙNG NỔ CÁC KHÁM PHÁ BÍ MẬT VŨ TRỤ

Những cuộc kiểm nghiệm thuyết tương đối Einstein là nhằm xác nhận lý thuyết, đồng thời cũng là những cuộc khám phá mới về bí mật của vũ trụ.

* Năm 1919 nhà vật lý thiên văn Anh Eddington A. (1882 - 1944) lần đầu tiên quan sát đo được độ cong của tia sáng (phát ra từ một ngôi sao) do ảnh hưởng của trường hấp dẫn MT trong thời gian xảy ra nhật thực ngày 29/5/1919. Nhiều cuộc quan sát tương tự vào các năm 1922, 1929, 1936, 1947, 1952 thu được kết qủa ngày càng chính xác hơn.

* 1922 nhà toán học tài năng Nga Fridman A. A. (1888 - 1925) thực hành giải phương trình trường hấp dẫn Einstein và tìm được nghiệm không dừng (không ổn định) trái ngược hẳn với nghiệm dừng Einstein. Fridman đưa ra tiên đoán lý thuyết dãn nở của vũ trụ và mẫu vũ trụ không dừng. Đây là khám phá lý thuyết rực rỡ nhất từ lý thuyết Einstein.

* 1924 Eddington A. lại phát hiện ra sự phụ thuộc giữa khối lượng và độ trưng (luminosity) của sao, xác nhận nguồn năng lượng sao là các phản ứng nhiệt hạch tổng hợp Heli từ Hyđro xảy ra trong lòng sao. Năng lượng được giải thoát khi khối lượng m chuyển hoá thành năng lượng E thích ứng đúng định luật E = m.c ²theo thuyết tương đối của Einstein.

* 1933 nhà vật lý Áo Oliphant M. (sinh 1901) cùng Rutherford E. (1870 - 1937) đã chứng minh bằng thực nghiệm tính đúng đắn của nguyên lý tương đương khối lượng và năng lượng E = m.c ²thể hiện rõ trong các phản ứng hạt nhân.

* 1938 - 1945 giai đoạn khám phá và sử dụng năng lượng hạt nhân đầu tiên. Định luật E = m.c ²được thực nghiệm xác nhận chính xác hoàn toàn khi so sánh năng lượng toả ra trong phân rã phóng xạ với hiệu khối lượng giữa hạt nhân ban đầu và sản phẩm phân rã ở trạng thái cuối.

* 1960 nhà vật lý Mỹ Pound R. (sinh 1919) đo được sự trôi chậm của thời gian trong trường trọng lực của trái đất bằng đồng hồ nguyên tử Mossbauer với độ chính xác 10 ^-16giây. Thí nghiệm tiến hành ở một tháp cao 20m tại trường đại học Harward. Cứ xuống thấp 1m đồng hồ chạy chậm lại 10 ^-16giây, xác nhận trường hấp dẫn không chỉ làm cong không gian mà còn làm chậm cả thời gian đúng như hệ quả của thuyết tương đối tổng quát Einstein.

Trong số ít những thành tựu khoa học có tính lịch sử vừa nêu thì thành tựu của A. A. Fridman (1922) có ý nghĩa to lớn ở chỗ tìm ra nghiệm không dừng của phương trình truờng hấp dẫn Einstein và tiên đoán lý thuyết tài tình về sự dãn nở của vũ trụ. Điều Fridman còn phân vân không rõ quan sát thực tế sẽ tương thích với kết quả tính toán của ông ra sao!

Tháng 5/1922 Fridman công bố công trình về “vấn đề độ cong của không gian” trên một tạp chí ở Đức (ở Nga khi đó không có tạp chí khoa học nào hoạt động). Thời gian ấy Einstein đang ở thăm Nhật và nhận được cuốn tạp chí mới gửi đến. Ông đọc chăm chú bài báo của tác giả Fridman lạ lẫm, rồi đặt bút viết luôn mươi dòng rất tự nhiên không nhan đề: “Những kết quả về một thế giới bất ổn định... đối với tôi thật đáng nghi ngờ... trong tính toán của Fridman có sai lầm. Thế giới là ổn định”.

Einstein gửi ngay về toà soạn để kịp đăng ở số tiếp sau. Ông phủ nhận kết quả tính toán của Fridman thực sự. Người đương thời làm quen với thuyết tương đối tổng quát đã từng cho rằng những quan niệm của Enstein thật kỳ lạ, thật duy lý! Nhiều người công kích “đả đảo thuyết tương đối” thậm tệ. Ông không hề nao núng buồn phiền, cho dù cả những nhân vật lịch sử được trao giải Nobel (GTNB) về vật lý trước ông, Lenard Ph. (1862 - 1957) GTNB 1905 và Stark J. (1874 - 1957) GTNB 1919 cũng phản đối ông thô bạo đến cùng. Hầu như cả năm 1922 Einstein đã đi du lịch khắp các nước châu Âu và châu Á. Đến đâu người ta cũng khâm phục, nghênh đón ông rất cởi mở, nhiệt tình.

Khi đọc được những dòng phán xét của Einstein, Fridman hiểu rõ sự phản kháng của nhà vật lý thiên tài là để bảo vệ chân lý của khoa học. Ông lập tức ngồi kiểm tra lại rất cẩn thận các phép tính của mình. Sai lầm đã được phát hiện nhưng không phải của mình mà của chính Einstein. Fridman vội vã viết thư gửi Einsein để giải trình và khẩn khoản đề nghị Einstein nếu đồng ý với những kết qủa mới này thì xin ông cho đăng lời công nhận nó trên tạp chí số sắp ra... Thế rồi Fridman sung sướng, xúc động đón nhận bản phê chuẩn mới “Xin thứ lỗi” nổi bật từng hàng chữ toát lên từ tâm hồn cao đẹp của con người vĩ đại: “... tôi cải chính lại rằng các kết quả tính toán của Fridman là đúng và đang tràn ngập một nguồn ánh sáng mới. Ngoài nghiệm số tĩnh, phương trình trường hấp dẫn còn chấp nhận cả nghiệm số động đối xứng tâm của cấu trúc không gian, nghĩa là nghiệm biến đổi theo thời gian. Einstein”.

Nhờ uy tín lẫy lừng của Einstein mà từ đó giả thuyết toán học mô tả sự giãn nở của vũ trụ mang tên Fridman mới mang lại niềm tin cho các nhà khoa học đương thời. Giả thuyết đó đã đánh dấu bước đột phá mở đầu phát triển Vũ trụ học tương đối tính - lý thuyết về vũ trụ không dừng, nghiên cứu cấu trúc, sự tiến hoá và phát triển của vũ trụ trên cơ sở thuyết tương đối tổng quát Einstein.