Sự vĩ đại của Einstein: Lật đổ định luật tồn tại 200 năm của Newton

Thứ Sáu, 07 Tháng Sáu 20191:00 CH

• VCCorp.vn

Trước khi đến với sự \”lật đổ\” này, cùng tìm hiểm về nhà thiên văn học hết lòng vì khoa học cách đây hơn 100 năm:

Arthur Eddington: Người nâng tầm thuyết tương đối và Einstein nổi tiếng toàn cầu

Cách đây 100 năm, nhà thiên văn học người Anh Arthur Eddington đã đến hòn đảo Príncipe ở phía tây châu Phi xa xôi để chứng kiến ​​và ghi lại một trong những sự kiện ngoạn mục nhất xảy ra trên bầu trời của chúng ta: Nhật thực toàn phần. 

Quan sát sự kiện thiên văn như vậy là một chuyện hết sức đơn giản ngày nay, nhưng tại thời điểm cách nay một thế kỷ, đó là một chuyện phi thường. Khi ấy, thế giới vẫn đang bận rộn với việc hồi phục sau chiến tranh. Hơn nữa, nhật thực toàn phần rất hiếm, ngắn. Đó là chưa kể đến những khó khăn như tài nguyên khoa học ít ỏi, kỹ thuật nhiếp ảnh sơ khai và điều kiện tự nhiên không thuận lợi (thời tiết nóng ẩm, mây)… tất cả đều khiến việc chụp hình nhật thực trở nên khó khả thi.

Tuy nhiên, với Arthur Eddington, những khó khăn này rất đáng để đối mặt, vì ông tin rằng, những quan sát mà ông có được có thể chứng minh hoặc bác bỏ ý tưởng khoa học mang tính cách mạng nhất thời bấy giờ: Thuyết tương đối rộng của Albert Einstein.

Einstein (trái) và Arthur Eddington tại Đài thiên văn Đại học Cambridge (Anh) năm 1930. Ảnh: Hiệp hội Thiên văn học/Thư viện Ảnh Khoa học Hoàng gia.

Trong Thuyết tương đối rộng công bố năm 1915, nhà bác học người Đức Einstein lập luận: Lực hấp dẫn không phải là một lực tác động ở khoảng cách giữa các vật thể, như Isaac Newton đã tuyên bố cách đó 200 năm. Thay vào đó, theo Einstein, lực hấp dẫn là kết quả của khối lượng của một vật thể khiến không gian bị cong (lõm) xuống. 

Từ quan điểm này, một vật thể trên quỹ đạo quanh Mặt Trời thực sự đang đi theo một đường thẳng nhưng xuyên qua không gian đã bị uốn cong bởi khối lượng của Mặt Trời. Ngay cả một chùm ánh sáng cũng sẽ bị uốn cong khi nó đi dọc theo phần không gian cong này.

\”Einstein đã sử dụng các quan sát thiên văn học lúc bấy giờ để bổ sung cho lý thuyết của mình, ví dụ các hiện tượng dị thường đã biết trong quỹ đạo của sao Thủy quanh Mặt Trời. Điều cần thiết là có được bằng chứng để kiểm chứng lý thuyết của Eisntein về lực hấp dẫn là đúng. Nhật thực toàn phần vào ngày 29/5/1919 mang đến cơ hội đó.\”, chuyên gia Carolin Crawford, thuộc Viện Thiên văn học Cambridge (Anh) cho biết.

Chính nhà thiên văn học người Anh Arthur Eddington, một trong số ít các nhà khoa học Anh sẵn sàng nghĩ về khoa học Đức, đã vượt qua ranh giới thời chiến để chứng minh lý thuyết của Einstein.

Khi nhật thực toàn phần xảy ra, tại vị trí quan sát ở Trái Đất, Mặt Trăng khi đó đi qua giữa Trái Đất và Mặt Trời và che khuất hoàn toàn Mặt Trời, các nhà khoa học có thể thu được kết luận chứng minh thuyết tương đôi của Einstein đúng hay sai bằng cách so sánh các bức ảnh hiện có của một cụm sao cụ thể với hình ảnh của chúng được chụp trong khi diễn ra nhật thực, các nhà thiên văn học có thể phát hiện ra hình ảnh các cụm sao (khi diễn ra nhật thực) có dịch chuyển vị trí hay không, bởi vì theo lý thuyết của Einstein, không gian sẽ bị khối lượng khổng lồ của Mặt Trời uốn cong khi nó di chuyển phía trước các ngôi sao.

Nhật thực toàn phần, ngày 29/5/1919, được chụp tại Sobral ở Brazi. Ảnh: Thư viện ảnh Khoa học & Xã hội/SSPL/Getty Images.

Và đó là những gì nhà thiên văn học Arthur Eddington đặt ra để chứng minh, cùng với một nhóm các nhà thiên văn học người Anh thứ 2 cũng đến Sobral, ở miền bắc Brazil, để quan sát nhật thực toàn phần năm đó.

Cả hai cuộc thám hiểm đều được tổ chứng bởi nhà thiên văn học Frank Watson Dyson thuộc Đài thiên văn Hoàng gia Greenwich, Anh. Và cả 2 nhóm nghiên cứu sẽ quan sát các ngôi sao của cụm Hyades trong chòm sao Kim Ngưu. Hyades là cụm sao mở gần Hệ Mặt Trời nhất trong dải Ngân Hà của chúng ta. Những ngôi sao sáng nhất của cụm Hyades tạo thành hình chữ \”V\” khổng lồ.

Nếu vị trí rõ ràng của những ngôi sao này dịch chuyển (thay đổi) so với các bức ảnh ban đầu, trước khi nhật thực xảy ra, thì khối lượng của Mặt Trời đang khiến không gian bị cong.

Thuyết tương đối rộng của Einstein cho biết, khi ánh sáng truyền qua một vật thể khổng lồ như Mặt Trời thì lực hấp dẫn sẽ bẻ cong các tia ở mức độ rất nhỏ. Điều này có nghĩa là hình ảnh của một ngôi sao ở xa sẽ bị dịch chuyển một lượng nhỏ – giống như việc ngôi sao đó ở sai vị trí so với ban đầu. 

Nhà bác học Einstein cũng dự đoán một con số cụ thể cho sự thay đổi đó, khoảng 1,7 giây góc hoặc khoảng 1/60milimét trên một bức ảnh. Đây là một thử thách lớn với các nhà thiên văn học.

Tuy nhiên, với quyết tâm cao độ của 2 nhóm các nhà khoa học (một nhóm quan sát nhật thực ở Príncipe, châu Phi – và một nhóm quan sát nhật thực ở Sobral, miền bắc Brazil), họ đã thu được kết quả đáng kinh ngạc.

Sự vĩ đại của Einstein: Lật đổ lý thuyết 200 năm của Isaac Newton

Tháng 8/1919, 2 nhóm các nhà thiên văn học tập trung lại và bắt đầu nghiên cứu các vị trí của cụm sao Hyades. Kết luận, có 2 kết quả: Từ các bức ảnh chụp được ở Sobral, các nhà thiên văn học nhận thấy ánh sáng bị bẻ cong khoảng 1,98 giây góc. Trong khi các bức ảnh chụp ở Príncipe, ánh sáng bị bẻ cong khoảng 1,6 giây góc.

Dù dựa trên những dữ liệu hạn chế song những phát hiện này hoàn toàn phủ hợp với lý thuyết của Einstein. Đó là một kết quả gây chấn động trong làng thiên văn học lúc bấy giới, biến nhật thực toàn phần năm 1919 trở thành nhật thực toàn phần quan trọng nhất trong lịch sử, nhà vật lý Mỹ Daniel Kennefick nhận định trong cuốn sách \”No Shadow of a Doubt: The 1919 Eclipse That Confirmed Einstein’s Theory of Relativity\”.

Tối ngày 6/11/1919, nhóm nghiên cứu gồm Arthur Eddington, Frank Watson Dyson và Andrew Crommelin (làm việc tại Đài thiên văn Hoàng gia Greenwich) đã có buổi phân tích kết quả trong một cuộc họp kín của Hiệp hội Hoàng gia London. Những dự giả sững sờ và bất ngờ với những kết luận mà nhóm Arthur Eddington đưa ra.

\”Lý thuyết 200 năm của nhà vật lý Isaac Newton (1643-1727) hoàn toàn bị đảo lộn. Đây là kết quả quan trọng nhất thu được liên quan đến lý thuyết hấp dẫn kể từ thời của Newton.\” – JJ Thomson, Chủ tịch Hiệp hội Hoàng gia London nhận định.

Các nhà báo thế giới cũng ấn tượng không kém. \”Một cuộc cách mạng trong khoa học, lý thuyết mới của vũ trụ: Lý thuyết của Newton hoàn toàn bị lật đổ\” là dòng tít mà tạp chí Times đăng vào ngày hôm sau đó, trong khi tờ New York Times có bài viết tựa đề \”Lights all askew in the heavens: Einstein’s theory triumphs\”. 

Những bức ảnh của Arthur Eddington về nhật thực năm 1919 đã chứng minh Einstein đúng và mở ra môt kỷ nguyên mới tôn vinh trọng lực là \”vua\”.

Về phần mình, Albert Einstein trở thành một nhà khoa học nổi tiếng toàn cầu. Đây là sự khởi đầu thế kỷ của lực hấp dẫn. 100 năm sau đó, các hiệu ứng cong vênh trong không gian đã thống trị ngành thiên văn học thế giới. Các nghiên cứu thêm về nhật thực sau đó cũng tạo ra kết quả hoàn toàn phù hợp với lý thuyết của Einstein. 

Đáng kể hơn, các bức ảnh được chụp bởi kính viễn vọng không gian Hubble (của NASA) cũng chứng minh những biến dạng ngoạn mục của không gian được tạo ra từ các trường hấp dẫn mạnh trong vũ trụ. 

Thậm chí ngoạn mục hơn là phát hiện đầu tiên về sóng hấp dẫn – cũng được dự đoán bởi thuyết tương đối rộng của Einstein. Chúng được tạo ra khi hai vật thể đặc biệt lớn va chạm vào nhau. Trước đó, Einstein nghĩ rằng chúng ta không thể phát hiện ra những gợn sóng nhỏ trong không-thời gian được tạo ra bởi những sự kiện cực kỳ xa xôi này.

Tuy nhiên, vào năm 2016, các nhà thiên văn học tuyên bố họ đã phát hiện các rung động với bước sóng chỉ vài trăm tỷ tỷ mét và kết luận rằng chúng đã bị kích hoạt bởi sóng hấp dẫn do hai hố đen va chạm, cách Trái Đất hàng tỷ năm ánh sáng. 

Và rồi, ngày 10/4/2019 đã đến, ngày mà cả nhân loại lần đầu tiên chứng minh được sự tồn tại của hố đen sau những dự đoán bậc thầy của Eintein. Hơn 200 nhà khoa học, thiên văn học quốc tế thuộc dự án Kính thiên văn Chân trời Sự kiện (EHT) đã bắt hố đen (quái vật vũ trụ vô hình) phải hiện hình.

Cách Trái Đất 53 triệu năm ánh sáng, hồ đen siêu lớn nằm tại trung tâm thiên hà Messier 87 (M87) có khối lượng gấp 6,5 tỷ lần Mặt Trời, và lớn gấp 1.500 lần so với hố đen Sagittarius A* được cho là nằm trong trung tâm Dải Ngân Hà của chúng ta_{(đọc chi tiết)}.

Bức ảnh chụp hố đen đầu tiên trong lịch sử nhân loại do kính EHT thực hiện. Nguồn: EHT

Ron Cowen, tác giả cuốn sách \”Gravity’s Century: From Einstein’s Eclipse to Images of Black Holes\” nhận định: Hai kết quả khoa học đáng kinh ngạc này – các cuộc thám hiểm nhật thực năm 1919 và các quan sát của Kính viễn vọng Chân trời một thế kỷ sau đó – đã thúc đẩy một kỷ nguyên không giống bất kỳ thời đại nào trong lịch sử khoa học.

Nói cách khác, đây là một thế kỷ của trọng lực. Hai sự kiện năm 1919 và 2019 là kết quả hoàn hảo của nhau. Cái đầu tiên cung cấp bằng chứng đầu tiên về cách trọng lực hình thành không-thời gian. Kết quả thứ hai cho thấy hiệu ứng đó gây ấn tượng thực và ấn tượng đến mức nào.

Bức ảnh chụp hố đen mà EHT công bố hồi tháng 4/2019 cực kỳ ấn tượng. Điều đó lại chứng minh những tiên đoán không tưởng của Eisntein về vũ trụ, trước đó, chúng ta cũng không thể nào quên công đóng góp to lớn của nhà thiên văn học người Anh Arthur Eddington và cộng sự trong việc làm được thí nghiệm khoa học quan trọng nhất trong thế kỷ 20.

Trong bài viết \”The man who made Einstein world-famous\” đăng trên BBC, tác giảnhận định, thật khó tưởng tượng khi có khoảng thời gian tên của Albert Einstein không được công nhận trên toàn thế giới. Ngay cả sau khi ông hoàn thành thuyết tương đối của mình vào năm 1915, Albert Einstein gần như không được biết đến bên ngoài nước Đức – cho đến khi nhà thiên văn học người Anh Arthur Stanley Eddington tham gia.

Những ý tưởng của Einstein đã bị mắc kẹt bởi Thế chiến I. Nhưng cả hai khi gặp gỡ nhau đều tin rằng khoa học nên vượt qua sự chia rẽ của cuộc chiến.

Chính sự hợp tác của họ (giữa một nhà khoa học theo chủ nghĩa hòa bình, một trong số ít các nhà khoa học Anh sẵn sàng nghĩ về khoa học Đức – và một nhà khoa học Đức yêu hòa bình, người bác bỏ mọi định kiến ​​thời chiến, sẵn sàng thách thức định luật được công nhận hàng trăm năm của Newton) đã cho phép thuyết tương đối vượt qua các chiến hào và bằng một cách nào đó, chính Arthur Eddington đã giúp Einstein trở thành nhà khoa học nổi tiếng toàn cầu!

Bài viết sử dụng nguồn: BBC, The Guardian