Tại sao ánh sáng bị bẻ cong bởi trọng lực?

Tác dụng của trọng lực lên ánh sáng: Độ cong của không-thời gian

Trọng lực là từ mà chúng ta thường nghe thấy trong cuộc sống hàng ngày và sức hút của nó đối với vật chất đã được biết đến từ lâu. Tuy nhiên không phải ai cũng biết rằng trọng lực cũng ảnh hưởng đến ánh sáng. Đúng là ánh sáng sẽ trải qua một hiện tượng kỳ lạ khi đi qua một trường hấp dẫn, tức là không gian và thời gian sẽ bị bẻ cong.

Chúng ta cần làm rõ một khái niệm đó là tác dụng của trọng lực lên không gian và thời gian. Theo thuyết tương đối rộng của Einstein, lực hấp dẫn không chỉ là lực hút của vật chất mà là sự tương tác giữa vật chất và không-thời gian. Sự hiện diện của vật chất làm cho không-thời gian bị xoắn và uốn cong, tạo ra trường hấp dẫn. Khi ánh sáng đi qua trường hấp dẫn này sẽ bị ảnh hưởng bởi độ cong của không gian và thời gian, từ đó làm thay đổi đường truyền của ánh sáng.

Đường truyền ánh sáng thường là một đường thẳng, đây là hiện tượng thường gặp trong đời sống hàng ngày của chúng ta. Khi ánh sáng tiếp cận trường hấp dẫn, nó sẽ bị tác dụng bởi trọng lực và lệch khỏi đường đi ban đầu. Cụ thể, trường hấp dẫn đóng vai trò như một tấm gương cong, bẻ cong ánh sáng. Điều này cho phép các tia sáng phát ra từ nguồn sáng đi chệch khỏi đường thẳng trên đường đến đích. Hiện tượng này đã được xác nhận bằng thực nghiệm trong không gian gần Mặt Trời.

Một ví dụ điển hình là khi ánh sáng phát ra từ một ngôi sao bị bẻ cong trong trường hấp dẫn gần nó. Khi chúng ta quan sát ánh sáng này, nó dường như đến từ một hướng hoàn toàn khác, gọi là thấu kính hấp dẫn. Trên thực tế, thấu kính hấp dẫn đã được sử dụng để xác nhận tính đúng đắn của thuyết tương đối rộng.

Ngoài thấu kính hấp dẫn, trọng lực còn khiến thời gian chậm lại. Theo thuyết tương đối, khi chúng ta ở trong trường hấp dẫn mạnh hơn thì thời gian sẽ chậm lại. Điều này là do trường hấp dẫn làm cho đường truyền ánh sáng bị bẻ cong, thời gian và không gian có mối liên hệ với nhau. Khi ánh sáng truyền qua trường hấp dẫn, thời gian chậm lại do đường đi của ánh sáng bị cong. Đây được gọi là hiệu ứng trễ thời gian hấp dẫn. Một lần nữa, hiệu ứng này đã được xác nhận bằng thực nghiệm.

Tác dụng của trọng lực lên ánh sáng không chỉ là tính toán lý thuyết mà còn có thể được xác nhận bằng thực nghiệm. Ví dụ, trong quá trình quan sát nhật thực năm 1919, các nhà vật lý đã đo vị trí của các ngôi sao gần Mặt Trời, xác nhận tác động của lực hấp dẫn lên ánh sáng. Kết quả thí nghiệm này đã gây sốc cho toàn bộ cộng đồng khoa học và mang lại sự ủng hộ mạnh mẽ cho tính đúng đắn của thuyết tương đối rộng.

Tác dụng của trọng lực lên ánh sáng có thể được giải thích bằng độ cong của không-thời gian. Sự tồn tại của trường hấp dẫn sẽ làm lệch đường truyền của ánh sáng, khiến ánh sáng bị bẻ cong khi đi qua trường hấp dẫn. Hiện tượng này bao gồm thấu kính hấp dẫn và độ trễ thời gian hấp dẫn. Thông qua xác nhận thực nghiệm, các nhà khoa học đã xác nhận thêm tính đúng đắn của thuyết tương đối rộng của Einstein. Ảnh hưởng của trọng lực lên ánh sáng không chỉ giúp chúng ta hiểu biết sâu sắc hơn về vũ trụ mà còn cung cấp cho chúng ta góc nhìn rộng hơn để tìm hiểu các hiện tượng khác nhau trong vũ trụ.

Thuyết tương đối và sự lệch hướng của ánh sáng: Những tiên đoán của Einstein

Khi nhắc đến thuyết tương đối, hầu hết mọi người đều nghĩ đến Albert Einstein. Ông là một trong những nhà khoa học vĩ đại nhất thế kỷ 20, nổi tiếng với thuyết tương đối. Một trong những dự đoán quan trọng nhất liên quan đến độ lệch của ánh sáng.

Năm 1905, Einstein đề xuất thuyết tương đối đặc biệt, dựa trên hai giả định cơ bản: nguyên lý tương đối và nguyên lý tốc độ ánh sáng không đổi. Theo nguyên lý tương đối, không có hệ quy chiếu cụ thể nào có thể được gọi là “cố định tuyệt đối” và mọi định luật vật lý phải được xác định tương ứng với trạng thái chuyển động. Nguyên lý tốc độ ánh sáng không đổi cho thấy giá trị của tốc độ ánh sáng trong chân không là không đổi.

Dựa trên hai nguyên lý này, Einstein suy luận rằng sự truyền ánh sáng sẽ không bị ảnh hưởng bởi trạng thái chuyển động của vật thể. Nói cách khác, dù chúng ta đứng yên hay chuyển động, dù chúng ta tiến lên hay lùi lại, tốc độ ánh sáng luôn không đổi. Kết luận này đã lật đổ hoàn toàn khái niệm cơ học Newton và gây sốc trong cộng đồng khoa học.

Những dự đoán của Einstein không dừng lại ở đó. Năm 1915, ông xuất bản một bài báo về thuyết tương đối rộng. Thuyết tương đối rộng được phát triển hơn nữa trên cơ sở thuyết tương đối đặc biệt và bao gồm khái niệm về lực hấp dẫn. Theo thuyết tương đối rộng, khối lượng và năng lượng của một vật thể làm cho không-thời gian bị cong và các vật thể khác bị ảnh hưởng bởi đường cong của không-thời gian.

Trong lý thuyết này, ánh sáng cũng bị ảnh hưởng bởi độ cong của không-thời gian. Khi ánh sáng truyền qua một đường cong trong không-thời gian, nó bị lệch. Nói một cách đơn giản, ánh sáng sẽ bị tác động bởi trường hấp dẫn của vật thể, khiến nó đổi hướng. Hiện tượng này đã được xác nhận trong thí nghiệm nhật thực toàn phần năm 1919.

Một nhóm các nhà khoa học do Arthur Edenton dẫn đầu đã sử dụng nhật thực toàn phần để quan sát đường đi của ánh sáng sao gần Mặt Trời. Theo lý thuyết của Einstein, lực hấp dẫn của Mặt Trời sẽ làm cong ánh sáng. Kết quả thực nghiệm đã xác nhận lý thuyết này và kiểm chứng thành công thuyết tương đối rộng của Einstein.

Khám phá này đã có tác động sâu sắc đến cộng đồng khoa học. Nó không chỉ chứng minh tính đúng đắn của thuyết tương đối của Einstein mà còn cung cấp hướng dẫn cho các nghiên cứu và thí nghiệm tiếp theo.

Hiện tượng lệch ánh sáng còn có nhiều ứng dụng thực tế. Ví dụ, kính thiên văn và kính hiển vi chúng ta sử dụng trong cuộc sống hàng ngày đều được thiết kế dựa trên nguyên lý lệch ánh sáng. Hiện tượng lệch ánh sáng còn đóng vai trò quan trọng trong thiên văn học, cung cấp những manh mối quan trọng để chúng ta quan sát và nghiên cứu vũ trụ.

Những dự đoán của Einstein về thuyết tương đối và sự lệch hướng của ánh sáng là những cột mốc quan trọng trong lịch sử khoa học. Lý thuyết của ông đã đưa chúng ta đến sự hiểu biết sâu sắc về các quy luật của vũ trụ và có tác động rộng rãi đến nhiều ngành học. Thuyết tương đối và dự đoán về độ lệch ánh sáng sẽ luôn là cơ sở quan trọng cho nghiên cứu khoa học, hé lộ những bí ẩn của vũ trụ cho chúng ta.

Tham khảo: Zhihu