25/11/1915 - Albert Einstein giới thiệu công trình nghiên cứu về Thuyết tương đối rộng

Nhà vật lý học thiên tài Albert Einstein đã trình bày công trình Thuyết tương đối rộng ngày 25/11/1915 trước Viện hàn lâm khoa học Phổ tại Berlin. Đến tháng 3/1916, nghiên cứu được đăng trên tạp chí khoa học Annalen Der Physik. Đây được coi là sự kiện mang tính bước ngoặt của nhân loại khi đã tạo được bước nhảy vọt so với Định luật vạn vật hấp dẫn của Issac Newton phát hiện vào năm 1687.

Hiện tại, Thuyết tương đối rộng được coi là lý thuyết mô tả hoàn chỉnh 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 về khoa học của cả nhân loạin.Trước đó vào năm 1905, Albert Einstein đã đưa ra thuyết tương đối hẹp. Theo đó, ông đã mô tả sự biến dạng của thời gian và không gian bởi một vật thể chuyển động gần với tốc độ ánh sáng. Kết hợp với các định luật khác của vật lý, Einstein đã lập lên phương trình với công thức nổi tiếng E=mc^2 ( 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.

Thuyết tương đối rộng giải thích lực hấp dẫn bằng độ cong hình học của không thời gian xác định bởi:

Vật chất và năng lượng làm cong không-thời gian xung quanh chúng.

Một vật rơi tự do dưới tác dụng của trường lực hấp dẫn chuyển động trên đường trắc địa giữa hai điểm của không thời gian.

Không-thời gian bốn chiều trong thuyết tương đối hẹp vốn đã khó hình dung, nên không-thời gian cong lại càng tỏ ra là một thách thức khó chinh phục đối với những người nghiên cứu về Thuyết tương đối rộng. Theo một cách hiểu đơn giản, nếu giảm số chiều của không-thời gian xuống thì có thể mô tả một cách tương tự các hình ảnh trong trường hợp mặt cong 2 chiều. Ví dụ, giả sử có hai chiếc xe bắt đầu tại đường xích đạo và di chuyển về phía Bắc. Lúc đầu hướng của hai xe này song song với nhau, mặc dù không bị tác động bởi lực nào khác, cuối cùng hai xe sẽ gặp nhau tại điểm cực Bắc. Một quan sát viên quan sát quá trình di chuyển của hai xe, nếu người này không biết bề mặt Trái Đất bị cong thì anh ta sẽ cho rằng đã có một lực hút hai xe về phía lại gần nhau.

Đây là ví dụ điển hình cho một hiện tượng thuần túy hình học, lực hấp dẫn đôi khi trong thuyết tương đối rộng được gọi là giả lực. Vì đường trắc địa nối hai điểm trong không thời gian không phụ thuộc vào đặc tính của vật rơi tự do trong trường hấp dẫn, hiện tượng đã được nhà vật lý Galileo Galilei phát hiện ra đầu tiên, nên hai vật ở cùng cao độ sẽ rơi tự do với tốc độ như nhau. Trong cơ học Newton, điều này có nghĩa là khối lượng quán tính và khối lượng hấp dẫn của một vật phải tương đương nhau. Phát biểu này cũng là cơ sở cho thuyết tương đối rộng.

Albert Einstein sau này nói rằng, lý do cho sự phát triển thuyết tương đối tổng quát là do sự không thỏa mãn của ông ở sự ưu tiên của chuyển động quán tính trong thuyết tương đối đặc biệt, trong khi một lý thuyết bao gồm những trạng thái chuyển động khác (kể cả chuyển động có gia tốc) có thể sẽ đầy đủ hơn. Vì vậy năm 1908 ông viết một bài báo về gia tốc trong thuyết tương đối đặc biệt, ông cũng nhận xét là sự rơi tự do thực sự là một chuyển động quán tính, và đối với người quan sát rơi tự do các nguyên lý của thuyết tương đối đặc biệt phải được áp dụng. Khẳng định này gọi là Nguyên lý tương đương. Trong cùng khuôn khổ bài báo đó, Einstein cũng tiên đoán hiệu ứng giãn thời gian do hấp dẫn.

Năm 1911, Einstein đăng bài báo khác mở rộng bài báo năm 1907, trong đó thêm vào hiệu ứng sự lệch ánh sáng do các vật thể có khối lượng lớn gây ra khi ánh sáng đi gần vào. Thuyết tương đối tổng quát là một lý thuyết hấp dẫn được phát triển bởi Albert Einsteinn từ 1907 và 1915 cùng với sự giúp đỡ của Marcel Grossmann. Theo lý thuyết này, có sự hút nhau giữa các vật thể là do sự uốn cong không thời gian do các vật thể gây ra.

Trước khi ra đời thuyết tương đối tổng quát, định luật vạn vật hấp dẫn của Newton đã được công nhận hơn 200 năm và miêu tả đúng lực hấp dẫn giữa các vật, mặc dù chính Newton không xem lý thuyết của ông đã miêu tả đúng bản chất của hấp dẫn. Trong thiên văn, đã có nhiều quan sát cẩn thận cho thấy sự sai lệch không giải thích được giữa lý thuyết và các quan sát. Theo mô hình của Newton, hấp dẫn là lực hút giữa các vật với nhau, tuy ông không rõ bản chất của lực này, về cơ bản lý thuyết đã miêu tả thành công chuyển động của các hành tinh.

Tuy nhiên, các thí nghiệm và quan sát cho thấy mô hình của Einstein có liên quan đến một vài hiệu ứng chưa giải thích được trong mô hình của Newton, như là những dị thường nhỏ trong chuyển động của Sao Thủy và các hành tinh khác. Thuyết tương đối tổng quát cũng tiên đoán nhiều hiệu ứng kì lạ của hấp dẫn, như sóng hấp dẫn, thấu kính hấp dẫn, và một hiệu ứng hấp dẫn tác động lên thời gian đó là sự giãn thời gian do hấp dẫn. Nhiều tiên đoán đã được thực nghiệm xác nhận, và nhiều chủ đề trong lý thuyết vẫn đang được nghiên cứu. Ví dụ, mặc dù có những chứng cứ gián tiếp về sóng hấp dẫn, các chứng cứ thực nghiệm trực tiếp về sự tồn tại của sóng hấp dẫn vẫn đang được tìm kiếm bởi nhiều tổ chức các nhà khoa học như các dự án LIGO, GEO 600...

Thuyết tương đối tổng quát được phát triển thành một công cụ cơ bản trong thiên văn vật lý hiện đại. Nó cung cấp những hiểu biết nền tảng về lỗ đen, vùng không thời gian nơi hấp dẫn rất mạnh mà ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát ra được. Sự có mặt của chúng thông qua những bức xạ cường độ mạnh của các đối tượng thiên văn như nhân các thiên hà hoạt động hay các quasar. Thuyết tương đối tổng quát cũng là một phần trong mô hình chuẩn của vụ nổ Big Bang về nguồn gốc vũ trụ.

Tổng hợp