Chương 7: Các thử nghiệm thực nghiệm của Lý thuyết Đối tươn tổng quát

Trong các chương trước, chúng ta đã thấy làm sao lý thuyết tổng quát của Einstein về tươn thay đổi cách hiểu của chúng ta về trọng lực, không gian và thời gian. Lý thuyết này đưa ra một số dự đoán nổi bật mà khác biệt so với trọng lực theo Newton, như là sự uốn cong ánh sáng từ Mặt Trời, sự tiến vòng quỹ đạo của Sao Thủy, và lệch màu trọng lực của ánh sáng. Trong chương này, chúng ta sẽ khám phá chi tiết những dự đoán này và xem xét bằng chứng quan sát đã tích luỹ trong suốt thế kỷ qua để kiểm tra Đối tươn tổng quát. Chúng ta sẽ bắt đầu với ba "thử nghiệm cổ điển" mà Einstein đã đề xuất, và sau đó tiến tới các thử nghiệm hiện đại hơn liên quan đến hiệu ứng kính lúp trọng lực, sóng trọng lực và lỗ đen. Như chúng ta sẽ thấy, Đối tươn tổng quát đã vượt qua mọi thử nghiệm một cách xuất sắc, gắn chắc vị trí là lý thuyết trọng lực tốt nhất của chúng ta cho đến nay.

Ba thử nghiệm cổ điển

Ngay sau khi Einstein công bố lý thuyết tổng quát của mình vào năm 1915, ông đề xuất ba thử nghiệm quan sát có thể xác nhận hoặc bác bỏ lý thuyết này. Những thử nghiệm này, được biết đến với tên gọi "thử nghiệm cổ điển" của Đối tươn tổng quát, là:

  1. Tiến vòng quỹ đạo của Sao Thủy
  2. Uốn cong ánh sáng từ Mặt Trời
  3. Lệch màu trọng lực của ánh sáng

Hãy xem xét từng thử nghiệm này một cách chi tiết.

Tiến vòng quỹ đạo của Sao Thủy

Hành tinh Sao Thủy có một quỹ đạo siêu ê-li phức hợp xoay quanh Mặt Trời, với điểm gần nhất (quỹ đạo lưỡng cực) tiến vòng một lượng nhỏ sau mỗi vòng quỹ đạo. Theo trọng lực theo Newton, tiến vòng này hoàn toàn có thể giải thích bằng sự tác động trọng lực từ các hành tinh khác. Tuy nhiên, quan sát chính xác vào cuối thế kỷ 19 đã phát hiện ra sự không khớp nhỏ: quỹ đạo lưỡng cực của Sao Thủy tiến về phía trước khoảng 43 giây cung quay mỗi thế kỷ nhiều hơn so với những gì lý thuyết của Newton dự đoán.

Hiện tượng này đã làm bí ẩn các nhà thiên văn học trong nhiều thập kỷ, và một vài người đã gợi ý sự tồn tại của một hành tinh không thể nhìn thấy ("Vulcan") gần Mặt Trời để giải thích nó. Nhưng vào năm 1915, Einstein đã chỉ ra rằng lý thuyết tổng quát của ông tự nhiên giải thích được tiến vòng dư thừa của Sao Thủy. Theo Đối tươn tổng quát, sự uốn cong của không gian thời gian xung quanh Mặt Trời làm cho quỹ đạo của Sao Thủy tiến vòng thêm 43 giây cung quay mỗi thế kỷ, hoàn toàn trùng khớp với quan sát.

Điều này là một chiến thắng lớn cho lý thuyết của Einstein. Nó giải thích một bí ẩn lâu đời và cung cấp bằng chứng thuyết phục về sự tồn tại của uốn cong không gian thời gian. Ngày nay, việc tiến vòng quỹ đạo của Sao Thủy được coi là một trong những trụ cột quan sát quan trọng nhất của Đối tươn tổng quát.

Uốn cong ánh sáng từ Mặt Trời

Dự đoán khác của lý thuyết tổng quát là ánh sáng sẽ bị uốn cong bởi các trường trọng lực. Theo lý thuyết, một tia ánh sáng đi qua gần Mặt Trời sẽ bị uốn cong một góc nhỏ, với độ uốn cong gấp đôi so với những gì được dự đoán bởi trọng lực theo Newton.

Einstein nhận ra rằng hiệu ứng này có thể được thử nghiệm trong khi có một ngày nhật toàn bộ, khi các ngôi sao gần Mặt Trời trở nên nhìn thấy trong bầu trời ban ngày tối tăm. Bằng cách so sánh vị trí hiển thị của các ngôi sao trong khi nhật toàn với vị trí thường thấy của chúng vào ban đêm, các nhà thiên văn học có thể đo đạc sự uốn cong và xem xem nó có khớp với dự đoán của Đối tươn tổng quát hay không.

Lần thử nghiệm đầu tiên để đo đạc hiệu ứng này được tiến hành trong khi nhật toàn hoàn toàn vào năm 1919, bởi hai đội điều tra do nhà thiên văn học người Anh Arthur Eddington dẫn đầu. Một đội đã đi đến đảo Principe ngoài khơi bờ biển châu Phi, trong khi đội khác đã đến Sobral, Brazil. Dù gặp khó khăn về thời tiết và thiết bị, cả hai đội đều thành công chụp ảnh trong lúc nhật toàn và đo đạc vị trí của các ngôi sao.

Khi kết quả được phân tích, chúng cho thấy ánh sáng các ngôi sao thực sự bị uốn cong bởi Mặt Trời, với một độ lớn gần khớp với dự đoán của Einstein. Tin tức này đã thu hút sự chú ý trên toàn thế giới và đã đẩy Einstein trở thành một nhân vật nổi tiếng quốc tế. Sự uốn cong ánh sáng từ Mặt Trời được coi là một sự xác nhận ngoạn mục về Đối tươn tổng quát và sự tồn tại của uốn cong không gian thời gian.

Kể từ năm 1919, thử nghiệm uốn cong ánh sáng đã được lặp đi lặp lại nhiều lần với độ chính xác ngày càng tăng, sử dụng cả kính viển vọng vô tuyến và quang học. Những phép đo chính xác nhất cho đến nay, được thực hiện với kỹ thuật nhiễu xạ siêu dài (VLBI), đã xác nhận Đối tươn tổng quát với độ chính xác trong khoảng 0,02%.

Lệch màu trọng lực của ánh sáng

Thử nghiệm cổ điển thứ ba của Đối tươn tổng quát liên quan đến lệch màu trọng lực của ánh sáng. Theo Đối tươn tổng quát, ánh sáng phát ra trong một trường trọng lực sẽ bị lệch màu (tức là bước sóng của nó sẽ tăng lên) khi nó leo lên khỏi giếng tiềm năng. Cường độ trường trọng lực càng mạnh, lệch màu càng lớn.

Einstein đề xuất rằng hiệu ứng này có thể được đo bằng cách sử dụng các vạch phổ từ Mặt Trời. Ánh sáng được phát ra bởi các nguyên tử trong không khí của Mặt Trời sẽ bị lệch màu nhỏ so với các vạch phổ tương tự được tạo ra trong phòng thí nghiệm trên Trái Đất, do trường trọng lực mạnh của Mặt Trời.

Đo lường lệch màu trọng lực này rất khó, do cần phải có quang phổ kỹ thuật cực kỳ chính xác và sự hiện diện của các hiệu ứng khác có thể làm dịch chuyển các vạch phổ (như dịch chuyển Doppler do quay của Mặt Trời). Đo đạc thành công đầu tiên được thực hiện vào năm 1925 bởi Walter Adams, sử dụng một máy quang phổ trên kính viển vọng 100 inch ở Đài thiên văn Mount Wilson. Adams đã tìm thấy một lệch màu trọng lực khớp với dự đoán của Einstein, mặc dù còn một độ không chính xác khá lớn.

Các bài thử nghiệm chính xác hơn về lệch màu trọng lực đã được thực hiện kể từ đó, sử dụng hiệu ứng Mössbauer và đồng hồ nguyên tử. Vào những năm 1960, Robert Pound và Glen Rebka đã đo lệch màu của tia gamma đi lên và xuống một tháp cao 22 mét tại Đại học Harvard, xác nhận Đối tươn tổng quát với độ chính xác trong khoảng 1%. Các thí nghiệm sau đó sử dụng đồng hồ maser hydro đưa lên tên lửa đã xác nhận lệch màu với độ chính xác trong khoảng một vài phần trăm trong 10^5. Kéo đỏ của trọng lực không chỉ là một bài kiểm tra chính của lý thuyết Tổng quát, mà còn là một vấn đề thực tiễn đáng quan ngại cho các vệ tinh GPS, chúng trải qua một hiện tượng kéo đỏ đáng kể do trọng lực của Trái Đất. Nếu không sửa chữa hiệu ứng này, điều hướng GPS sẽ sai lệch một vài kilômét mỗi ngày.

Các Thử Nghiệm Hiện Đại về Lý Thuyết Tổng Quát

Trong khi ba thử nghiệm cổ điển cung cấp sự chứng cứ mạnh nhất cho lý thuyết Tổng quát, đã có rất nhiều thử nghiệm khác được đề xuất và tiến hành trong một thế kỷ kể từ khi lý thuyết của Einstein được công bố. Những thử nghiệm hiện đại này khám phá GR trong những chế độ mới và cực đoan, và tận dụng các công nghệ tiên tiến mà trong ngày của Einstein, chúng là những gì không thể tưởng tượng được.

Xuyên Tâm Quang Học

Một trong những dự đoán ấn tượng nhất của lý thuyết Tổng quát là hiện tượng xuyên tâm quang học. Giống như một ống kính thuỷ tinh uốn cong các chùm tia sáng đi qua, một vật thể khổng lồ (như một thiên hà hoặc cụm thiên hà) có thể uốn cong đường đi của ánh sáng từ nguồn phía sau, hoạt động như "một ống kính trọng lực".

Có ba chế độ chính của xuyên tâm quang học:

  1. Xuyên tâm mạnh: Điều này xảy ra khi ống kính đủ lớn và đủ phù hợp để tạo ra nhiều hình ảnh, cung, hoặc vòng của nguồn phía sau. Ống kính mạnh đầu tiên được phát hiện vào năm 1979, dưới dạng đồng ngọc quặng song sinh thật sự là hai hình ảnh của cùng một đôi ngọc quặng, bị uốn cong bởi một thiên hà phía trước. Hiện đã biết hàng trăm ống kính mạnh, và chúng cung cấp một cách để vẽ bản đồ phân bố vật chất tối và kiểm tra GR trên quy mô kiparsec.

  2. Xuyên tâm yếu: Đây là một hiệu ứng tinh tế hơn xảy ra khi khối lượng tạo hiện tượng xuyên tâm không đủ mạnh để tạo ra nhiều hình ảnh, nhưng vẫn làm méo dạng các hình dạng của thiên hà phía sau. Bằng cách phân tích thống kê méo dạng hình dạng này trên khắp bầu trời, những nhà thiên văn học có thể vẽ bản đồ cấu trúc vũ trụ trên quy mô vũ trụ và kiểm tra GR. Xuyên tâm yếu đã trở thành một phương pháp quan trọng để nghiên cứu vũ trụ học trong những năm gần đây, với những khảo sát chính như Khảo sát Năng Lượng Tối và Khảo sát Độ Kilo cung cấp những đo lường ngày càng chính xác.

  3. Xuyên tâm vi tiểu: Điều này xảy ra khi một vật thể gọn nhẹ (như một ngôi sao hoặc hành tinh) đi qua trước một ngôi sao phía sau, gây sự sáng lên tạm thời của quang phổ ít hơn đến từ vật nền có hiện tượng xuyên tâm. Xuyên tâm vi tiểu đã được sử dụng để khám phá các hành tinh ngoại hành và để nghiên cứu quần thể lỗ đen và các vật thể tối khác trong dải ngân hà của chúng ta. Nó cũng cung cấp một cách thử nghiệm GR trên quy mô ngôi sao.

Xuyên tâm quang học đã cung cấp một số bằng chứng ấn tượng nhất cho lý thuyết Tổng quát cho đến nay. Số lượng, phân bố và tính chất của các hệ thống có hiện tượng xuyên tâm phù hợp với những dự đoán của GR, và đã đặt ra ràng buộc chặt chẽ đối với các lý thuyết thay thế về trọng lực.

Sóng Trọng Lực

Có lẽ phát triển thú vị nhất trong việc kiểm nghiệm lý thuyết Tổng quát trong những năm gần đây là phát hiện trực tiếp sóng trọng lực. Đây là những sóng nhấp nháy trong cấu trúc không gian-thời gian, do khối lượng gia tốc và lan tỏa với tốc độ của ánh sáng. Einstein đã dự đoán sự tồn tại của sóng trọng lực vào năm 1916, nhưng ông nghi ngờ rằng chúng sẽ bao giờ được phát hiện do biên độ nhỏ vô cùng.

Một thế kỷ sau đó, Thiết Bị Khảo Sát Sóng Trọng Lực Bằng Giao Thoa Laser (LIGO) đã thành công trong việc đo lường những biến dạng không gian-thời gian nhỏ bé do sóng trọng lực. Phát hiện đầu tiên, được thực hiện vào tháng 9 năm 2015, đến từ sự hợp nhất của hai lỗ đen cách khoảng 1.3 tỷ năm ánh sáng. Hình dạng sóng quan sát khớp với dự đoán của lý thuyết Tổng quát với độ chính xác trong khoảng vài phần trăm, cung cấp một bằng chứng nổi bật cho lý thuyết trong điều kiện trường mạnh, vận tốc cao.

Kể từ đó, LIGO và đối tác châu Âu của nó, Virgo, đã phát hiện thêm hàng chục sự kiện sóng trọng lực. Các sự kiện này bao gồm sự kết hợp của hai lỗ đen song sinh, hai ngôi sao neutron song sinh, và thậm chí một sự kết hợp giữa một ngôi sao neutron và lỗ đen có thể. Mỗi sự kiện cung cấp một cuộc thử nghiệm mới cho GR trong điều kiện cực đoan, và cho đến nay, lý thuyết đã vượt qua những thử nghiệm này một cách xuất sắc.

Astronomia sóng trọng lực đã mở ra cửa sổ hoàn toàn mới về vũ trụ, cho phép chúng ta khám phá các khu vực và sự kiện không thể nhìn thấy bằng bức xạ elec-tromagnetic. Nó cũng cung cấp một số thử nghiệm chặt chẽ nhất của GR đến nay, xác nhận các dự đoán quan trọng như sự tồn tại của lỗ đen, sự lan tỏa của sóng trọng lực với tốc độ ánh sáng, và "định lý không tóc" (nói rằng lỗ đen hoàn toàn được xác định bởi khối lượng, điện tích và vòng xoay). 3. Sóng hấp dẫn: Như đã đề cập ở trên, tín hiệu sóng hấp dẫn được phát hiện bởi LIGO và Virgo khớp với dự đoán về việc hợp nhất của lỗ đen. Khối lượng, xoay và các thuộc tính khác được suy ra từ những tín hiệu này nhất quán với lỗ đen và không nhất quán với các vật thể nhỏ gọn khác như ngôi sao neutron.

  1. Kính viễn vọng Đường chân trời: Năm 2019, Hợp tác Kính viễn vọng Đường chân trời công bố hình ảnh trực tiếp đầu tiên của một lỗ đen. Bằng cách liên kết các kính viễn vọng vô tuyến xung quanh thế giới để tạo thành một kính viễn vọng ảo có kích thước trái đất, họ có thể giải quyết được ranh giới sự kiện của lỗ đen siêu khối lượng ở trung tâm của thiên hà M87. Kích thước và hình dạng của bóng lỗ đen quan sát được khớp với dự đoán của lý thuyết tương đối tổng quát, đưa ra một bằng chứng hình ảnh ấn tượng cho lý thuyết này.

Bằng chứng quan sát cho sự tồn tại của lỗ đen hiện nay rất mạnh mẽ, cho rằng nó tồn tại gần như chắc chắn. Chúng cung cấp một số bài kiểm tra cực đoan của lý thuyết tương đối tổng quát, thăm dò lý thuyết trong các khu vực có uốn cong mạnh và vận tốc cao. Cho đến nay, GR đã vượt qua tất cả các bài kiểm tra này, làm chắc chắn thêm vị thế của nó như là lý thuyết hấp dẫn tốt nhất của chúng ta.

Kết luận

Sau một thế kỷ kể từ khi ra đời, lý thuyết tương đối tổng quát vẫn là lý thuyết cực kỳ chính xác và được kiểm chứng tốt nhất về trọng lực. Từ những bài kiểm tra cổ điển được đề xuất bởi Einstein cho những quan sát hiện đại về sóng hấp dẫn và lỗ đen, lý thuyết đã trải qua những bài kiểm tra ngày càng chính xác và nghiêm ngặt, và đã chiến thắng trong mọi trường hợp.

Sự xác nhận của lý thuyết tương đối tổng quát không chỉ là một chiến thắng của lý thuyết mà còn là của phương pháp khoa học nói chung. GR đã đưa ra nhiều dự đoán táo bạo, phản ngược với trọng lực Newton và lý thuyết thông thường. Tuy nhiên, khi những dự đoán này được kiểm tra bằng các thí nghiệm và quan sát được thiết kế cẩn thận, chúng được xác định là chính xác. Đây là bản chất của khoa học: đưa ra những dự đoán có thể kiểm tra và để thiên nhiên là trọng tài cuối cùng của sự thật.

Tất nhiên, không có lý thuyết khoa học nào hoàn chỉnh hoặc cuối cùng. Vẫn còn nhiều câu hỏi chưa được giải đáp và vấn đề chưa có lời giải.

Chapter 0 Einstein Theory of Relativity