Thuyết tương đối rộng của Einstein, 100 năm sau chưa cũ

Tháng 11 này đánh dấu 100 năm ra đời Thuyết tương đối rộng nổi tiếng của nhà bác học Albert Einstein. Lý thuyết  này từ khi ra đời đã làm thay đổi căn bản hiểu biết của con người về vũ trụ, về những hiện tượng khoa học kỳ bí nhất. Từ đó đến nay đã có không biết bao nhiêu nhà khoa học tìm cách kiểm chứng công trình nghiên cứu của Einstein, chưa một thí nghiệm phát hiện hay chứng minh được sai sót hay điểm yếu nào trong Thuyết tương đối rộng.

Nhà bác học Albert Einstein (1879 -1955), cha đẻ của Thuyết tương đối làm thay đổi căn bản hiểu biết của con người về vũ trụ

Thuyết tương đối rộng hay còn gọi Thuyết tương đối tổng quát ( General relative hay General theory of relative) là kết quả công trình nghiên cứu lý thuyết hình học của lực hấp dẫn do nhà vật lý Albert Einstein tiến hành từ năm 1907 đến tháng 11 năm 1915 thì được trình bày.

Hiện tại Thuyết tương đối rộng được coi là lý thuyết mô tả thành công nhất lực hấp dẫn của vật lý học hiện đại. Với các nhà nghiên cứu không chỉ riêng trong lĩnh vực vật lý, Thuyết tương đối rộng từ khi được công bố đã tạo nên một cuộc cách mạng thực sự trong nhận thức khoa học.

David Kaisser, Giáo sư vật lý và lịch sử khoa học tại Viện Công nghệ Massachusette (MIT) Hoa Kỳ, giải thích : « Einstein đã làm thay đổi nhận thức một cách căn bản nhất về không gian và thời gian, mở cho chúng ta cánh cửa đi vào vũ trụ và một số trong những cái hấp dẫn nhất của thuyết liên quan đến các hố đen ».

Nhà vật lý học thiên tài Einstein đã trình bày công trình thuyết tương đối rộng ngày 25/11/1915 trước Viện hàn lâm khoa học Phổ. Đến tháng 3/1916, nghiên cứu được đăng trên tạp chí khoa học Annalen Der Physik.

Thuyết tương đối rộng, một trong những lý thuyết khoa học mang tính cách mạng nhất trong lịch sử nhân loại. Thuyết đã tạo được bước nhảy vọt so với Định luật vạn vật hấp dẫn của Issac Newton phát hiện vào năm 1687. Giáo sư vật lý và vũ trụ học tại Đại học Chicago giải thích, thuyết của Einstein đã chỉ cho thấy « không gian và thời gian không phải là khái niệm tuyệt đối mà đó cũng là những hiện tượng chịu sự vận động như những tiến trình khác trong vũ trụ ».

Trước đó, năm 1905 Einstein đã đưa ra thuyết tương đối hẹp, theo đó ông mô tả sự biến dạng của thời gian và không gian bởi một vật vận động gần với tốc độ ánh sáng. Kết hợp với các định luật khác của vật lý, Ông đã lập lên phương trình với công thức nổi tiếng E=mc2 ( E : năng lượng, m : khối lượng, c : tốc độ ánh sáng ), tính được sự chuyển đổi tương đương giữa khối lượng và năng lượng. Công thức này đã thay đổi các định đề trước đó cho rằng năng lượng và khối lượng không liên quan gì với nhau.

Người tiên liệu cho sự ra đời của GPS

Mười năm sau đó, thuyết tương đối rộng hình thành đem lại cái nhìn mới rộng hơn bằng việc giải thích trọng lực là một đường cong sinh ra thời gian và không gian với sự xuất hiện của một khối lượng. Như vậy thời gian trôi đi chậm hơn bên cạnh một trọng trường lớn như của trái đất hơn là trong chân không vũ trụ.

Hệ quả này đã được kiểm chứng bằng so sánh hai đồng hồ nguyên tử, một đặt tại trái đất, một đặt trong một phi cơ bay ở độ cao. Kết quả, chiếc đồng hồ trên phi cơ chạy chậm hơn một chút so với đồng hồ đặt trên mặt đất. Chính thiết bị định vị toàn cầu GPS, công cụ nay đã trở nên quen thuộc là một ứng dụng rút ra từ hiện tượng trên. Các vệ tinh phải trang bị các đồng hồ cực kỳ chính xác để hiệu chỉnh vào sự chênh lệch giờ này nếu không thiết bị GPS sẽ không thể hoạt động.

Theo thuyết tương đối rộng, ánh sáng cũng bị uốn cong bởi các lực trọng trường lớn. Điều này đã được nhà thiên văn học người Anh Arthur Eddington khẳng định trong các quan sát của ông vào năm 1919.

Einstein còn tiên liệu rằng các ngôi sao vào cuối chu kỳ tồn tại khi cạn nguồn nhiên liệu hạt nhân sẽ tự nổ dưới tác dụng của lực trọng trường của chính nó. Vỏ của các ngôi sao nổ tung, hiện tượng mà vật lý thiên văn gọi là vụ nổ supernova, trong khi đó phần trung tâm của vì tinh tú tạo thành một vật thể đặc cứng được gọi là các pulsar tự quay rất nhanh quanh mình. Các pulsar trong thiên hà này có thể biến thành những hố đen có lực trọng trường khổng lồ làm cong võng không gian khiến ánh sáng cũng bị cuốn theo.

Theo Einstein, các vật thể thiên hà đó sẽ gây ra làn sóng trong không –thời gian, giống như một hòn đá ném xuống nước gây ra sóng. Đây là điểm mà các nhà thiên văn học vẫn cố gắng kiểm chứng nhưng chưa có kết quả. Tuy nhiên thách thức lớn là làm sao kết hợp hài hòa giữa thuyết tương đối rộng và vật lý lượng tử, hai trụ cột của ngành vật lý học hiện đại. Đó là nhiệm vụ của các nhà khoa học ngày nay. Người ta ví phát hiện của Einstein như chiếc rỏ rỗng để hậu thế đặt hy vọng và giấc mơ vào đó.

Từ đưa bé tự kỷ thành thiên tài

Ít ai ngờ rằng trước khi trở thành nhà bác học vĩ đại, Albert Einstein là cậu bé nói năng trình bày khó khăn, rất vất vả trong việc học hành. Chính vì thế cậu bé Albert chọn cách tự nói một mình hoặc im lặng. Điều này khiến cha mẹ Albert nghĩ rằng cậu con trai họ bị chứng tự kỉ và gửi cậu vào một trường học đặc biệt.

Niềm đam mê khoa học và những bí ẩn tự nhiên đã có trong con người của Albert Einstein từ rất sớm. Trong cuốn tiểu sử Einstein của Robert Green có ghi lại : « Được bố cho chiếc la bàn, ngay lập tức cậu bé Albert đã bị mê hoặc bởi chiếc kim la bàn tự động đổi hướng khi di chuyển.... cậu tự hỏi liệu trong vũ trụ có tồn tại những lực nào khác vô hình và mạnh mà con người còn chưa phát hiện ra ? Suốt cả đời mình, Albert Einstein vẫn cứ ám ảnh mãi với câu hỏi này ».

Albert Einstein có một hành trình học đường rất vất vả. Cậu bé rất ghét học thuộc lòng, chủ yếu trau dồi kiến thức bằng tự học và trao đổi với một vài người bạn thân. Ở trường Albert vẫn thường bị đánh giá là một cậu học trò kém, lơ đễnh và không ham học.

Vì thế khi lên 16 tuổi, bố mẹ Albert rất lo lắng cho tương lai cho con đã gửi cậu đến trường Aarau, nằm gần nhà ở Zurich. Trường học này theo phương pháp sư phạm chú trọng vào tự học bằng quan sát hướng tới việc phát triển ý tưởng và trực giác của học trò. Ngay cả toán và vật lý cũng được nhà trường dạy theo phương pháp này. Người ta không cho trò học thuộc lòng, làm bài tập. Phương pháp chủ yếu phát triển trí thông minh, sáng tạo của cá nhân.

Chính trong môi trường này, cậu học trò Albert Einstein đã bất ngờ tỏa sáng và cảm thấy say mê với việc học hành. Điểm khởi đầu sự nghiệp của nhà bác học này cũng rất đặc biệt, khi Einstein tốt nghiệp trường Bách khoa Zurich với số điểm thuộc hàng cuối bảng. Thế nhưng chỉ 10 năm sau, cử nhân loại xoàng đó lại là người cho ra đời thuyết tương đối, một phát hiện khoa học vĩ đại cho nhân loại.