Một lần nữa Einstein lại đúng

Làm quen với vật lý hiện đại Một lần nữa Einstein lại đúng Phạm Việt Hưng Khoa học lại vừa đạt được một chiến công vang dội khi hai nhà khoa học Mỹ, Kopeikin và Ed Fomalont tại Đại học Missouri ở Columbia, lần đầu tiên đã đo được tốc độ lan truyền của lực hấp dẫn, khớp với dự đoán thiên tài của Albert Einstein trong Thuyết tương đối rộng. Thành tựu này ủng hộ cho “Lý thuyết của Tất cả” (TOE - Theory of Everything), một lý thuyết trung tâm của vật lý hiện đại nhằm thống nhất toàn bộ các lực trong tự nhiên, tức là thống nhất toàn bộ thế giới vật chất về cùng một bản chất. Hai sai lầm của Newton Lực hấp dẫn đã được khám phá từ thế kỉ 17 bởi isaac Newton, một trong những nhà toán học và vật lý vĩ đại nhất của mọi thời đại. Newton thiên tài không những dự đoán được sự tồn tại của lực hấp dẫn mà còn tính được chính xác lực tác dụng giữa hai vật thể có khối lượng, phát minh ra định luật vạn vật hấp dẫn và dùng định luật này để giải thích chuyển động của các thiên thể. Tuy nhiên Newton đã phạm hai sai lầm: Một, ông coi không gian giữa các thiên thể là trống rỗng, lực hấp dẫn có khả năng truyền qua không gian trống rỗng đó để tác dụng lên nhau. Hai, lực hấp dẫn tác dụng tức thời từ vật này lên vật kia, không cần thời gian để đi qua không gian. Nói cách khác, tốc độ lan truyền của lực hấp dẫn là vô hạn. Sai lầm thứ nhất đã bị Michael Faraday ở thế kỉ 19 bác bỏ. Theo Faraday không thể có không gian trống rỗng và nhất thiết lực phải truyền qua một môi trường trung gian. Môi trường này không nhất thiết được cấu tạo bởi vật chất nhìn thấy, mà có thể bằng một loại vật chất không nhìn thấy được gọi là trường. Lý thuyết về các trường ra đời từ đó. Nhưng sai lầm thứ hai thì phải đợi mãi đến đầu thế kỷ 20, năm 1916, khi Einstein công bố Thuyết tương đối rộng (TTĐR) mới bị bác bỏ. Trong thuyết tương đối này, Einstein nêu lên giả thiết lực hấp dẫn có tốc độ giới hạn, thậm chí ông cho rằng nó bằng tốc độ ánh sáng. Giả thiết này là một trong những cơ sở nền móng của TTĐR. Nếu giả thuyết này sụp đổ thì lý thuyết của Einstein cũng sụp đổ theo. Năm 1919, thí nghiệm của Authur Eddington đo độ lệch của tia sáng phát ra từ một ngôi sao khi nó đi ngang qua gần Mặt Trời, xác nhận hoàn toàn tiên đoán của Einstein về tính cong của không gian, một trong những hệ quả nổi tiếng của TTĐR. Từ đó lý thuyết của Einstein hoàn toàn có sức thuyết phục. Trong gần 100 năm qua, khoa học đã làm lại thí nghiệm của Eddington nhiều lần với những công cụ ngày càng tinh vi hơn, thu được những kết quả ngày càng gần với tính toán lý thuyết của Einstein hơn. Mặt khác, với TTĐR các nhà vũ trụ học đã giải thích và tính toán được hàng loạt hiện tượng thiên văn và vũ trụ một cách chính xác. Do đó đến nay TTĐR đã trở thành một trong những trụ cột của khoa học, thậm chí của cả triết học và nhận thức của loài người nói chung. Không còn ai nghi ngờ nó nữa, người ta chỉ sử dụng nó như một công cụ sắc bén để khám phá những hiện tượng mới, nguyên lí mới của tự nhiên. Giả thiết về tính giới hạn của tốc độ lực hấp dẫn có đúng không? Câu hỏi này từ lâu đã thách thức các nhà khoa học, và là một trong những thách thức vĩ đại nhất. Và phải đợi gần một thế kỉ sau Einstein, đầu năm 2003 mới có câu trả lời: “Một lần nữa Einstein lại đúng”, Kathy Sawyer, ký giả khoa học của nhật báo The Washington Post, phải thốt lên như vậy khi đưa tin bình luận về sự kiện vang dội này: Kết quả đo đạc của Fomalont và Kopeikin cho thấy tốc độ lan truyền của lực hấp dẫn bằng 1,06 lần tốc độ ánh sáng, tức bằng 299337km/s trong chân không với sai số 20%. Nhưng làm thế nào mà hai nhà khoa học đó đã làm được điều kì diệu ấy? Câu trả lời là: Họ đã học kỹ thí nghiệm của Authur Eddington. Vậy đến đây xin độc giả hãy trở lại với Eddington. Năm 1916, Einstein tiên đoán lực hấp dẫn sẽ làm uốn cong không gian xung quanh nó, và do đó ánh sáng đi qua một vùng ở gần thiên thể có khối lượng lớn cũng sẽ bị cong dưới tác dụng của lực hấp dẫn do thiên thể ấy gây ra. Eddington là người vô cùng sắc sảo khi ông đề nghị kiểm tra tiên đoán của Einstein nhân dịp một hiện tượng nhật thực hi hữu xảy ra vào năm 1919, trong đó Trái Đất, Mặt Trời và một ngôi sao biết rõ danh tính nằm gần như thẳng hàng, do vậy ánh sáng từ ngôi sao đến Trái Đất sẽ phải đi ngang qua gần Mặt Trời. Nếu Einstein đúng thì vị trí ngôi sao trên bản đồ sao lúc xảy ra nhật thực sẽ phải lệch đi một chút so với vị trí vốn có, do ánh sáng của nó bị lệch khi đi gần Mặt Trời. Kết quả như trên đã nói, thí nghiệm đã xác nhận tiên đoán của Einstein. Súng hấp dẫn của Mộc tinh Quasar Trỏi Đất Mộc tinh Lực hấp dẫn của Mộc tinh làm cong tia sỏng Quasar Tia sỏng phỏt đi từ Quasar Đến lượt Fomalont và Kopeikin, với chương trình nghiên cứu đã được chuẩn bị từ nhiều năm trước, hai ông đã “chộp” được một hiện tượng cũng vô cùng hi hữu xảy ra một lần trong một thập kỉ: Trái đất, Mộc tinh (một hành tinh trong hệ Mặt Trời) và một quasar cách xa Trái Đất vài tỉ năm ánh sáng, sắp xếp gần như thẳng hàng vào ngày 8 tháng 9 năm 2002. Sóng vô tuyến phát đi từ quasar đó tới Trái Đất khi đi ngang qua gần Mộc tinh sẽ bị lệch dưới tác dụng của lực hấp dẫn của Mộc tinh. Lực hấp dẫn càng lớn thì độ lệch càng lớn. Từ độ lệch thu nhận được từ rất nhiều đài quan sát khác nhau, các nhà khoa học có thể tính được tốc độ truyền của lực hấp dẫn. Đó là nội dung căn bản của thí nghiệm. Tuy nhiên, để thiết lập được một bài toán có nội dung dẫn tới đáp số là tốc độ truyền của lực hấp dẫn cần phải có một trình độ toán học siêu đẳng để thiết kế một hệ thống quan sát sao cho có thể thu nhận được những thông số cần thiết. Hơn nữa, cần phải có một hệ thống máy quan sát cực kì tinh vi để có thể ghi nhận được những dấu hiệu thay đổi nhỏ nhất của các dữ kiện. Để đáp ứng cả hai khó khăn rất lớn đó, thí nghiệm đã phải phối hợp hoạt động của một hệ thống kính viễn vọng trải rộng trên một phạm vi chưa từng có như trên Trái Đất: từ các kính viễn vọng vô tuyến trong nội địa nước Mỹ đến các kính viễn vọng vô tuyến trên vùng quần đảo Virgin Island và Hawaii, cùng với các kính viễn vọng vô tuyến tại eeffelsberg ở Đức. Độ chính xác của các kính viễn vọng này đạt tới mức nhận diện được một sợi tóc ở cách xa 400 km. Fomalont nói: “Chúng tôi phải thực hiện một phép đo với khoảng 3 lần chính xác hơn bất kì ai đã từng làm”. Thực ra Fomalont và Kopeikin vô cùng lo lắng về thời tiết trên Trái Đấ và các cơn bão điện từ có thể xảy ra trên Mộc tinh sẽ làm hỏng kế hoạch của họ. Nhưng họ đã gặp may. Kết quả, như ở trên đã thông báo, chứa đựng hai nội dung cơ bản: Lực hấp dẫn có tốc độ lan truyền hữu hạn. Năm 2003 mới thực sự là thời điểm cáo chung của tư tưởng Newton về tính tức thời của lực hấp dẫn, đồng thời xác nhận tiên đoán thiên tài của Einstein. Tốc độ của lực hấp dẫn tương đương với tốc độ ánh sáng. Fomalont nói: “Mục tiêu chủ yếu của chúng tôi lúc đầu là chứng minh rằng tốc độ vô hạn của sóng hấp dẫn là sai, nhưng cuối cùng chúng tôi đã đạt được kết quả vượt mức dự kiến. Bây giờ chúng tôi rất tự tin để nói rằng chúng tôi sẽ loại trừ bất kì một tốc độ nào của lực hấp dẫn nhanh tới mức gấp hai lần tốc độ ánh sáng”. Kết quả thí nghiệm đã được công bố trong cuộc họp của Hội thiên văn Mỹ đầu năm nay. Đại đa số các nhà khoa học có mặt đều tin vào kết quả của Fomalont và Kopeikin, mặc dù thí nghiệm sẽ còn được lặp lại trong tương lai. Chỉ có một nhà khoa học Nhật Bản tỏ ý nghi ngờ khi cho rằng trình độ kỹ thuật ngày nay chỉ mới có thể đo được tốc độ ánh sáng chứ chưa thể đo được tốc độ truyền của lực hấp dẫn, nhưng ý kiến này không được hội nghị ủng hộ. Vì sao Fomalont và Kopeikin chọn “phương án Eddington”? Hãy nghe Kopeikin giải thích: “Chưa ai có ý định đo tốc độ của lực hấp dẫn, vì hầu hết các nhà vật lý đều nghĩ rằng chỉ có mỗi một cách thực hiện điều này là phải phát hiện ra sóng hấp dẫn trước đã”. Thật vậy, từ nhiều năm nay những trung tâm nghiên cứu khổng lồ đã được xây dựng nhằm thăm dò các sóng hấp dẫn lan truyền trong không gian, phát đi từ các sự kiện như sự va đập của các sao nơtron hoặc của vụ nổ Big Bang 14 tỷ năm trước đây. Fomalont và Kopeikin đã đi đường tắt và tới đích nhanh hơn. Kết quả này đặc biệt làm cho các nhà vật lý lý thuyết rất thích thú, bởi vì họ đang theo đuổi “Lý thuyết của Tất cả”, hậu thân của lý thuyết thống nhất do Einstein chủ xướng từ năm 1920. Lý thuyết này đã tìm ra sự thống nhất của lực điện từ và lực hạt nhân yếu, gọi tắt là lực điện-yếu. Nhiều cố gắng đang tìm cách hợp nhất lực điện-yếu với lực hạt nhân mạnh. Nhưng Steven Weinberg, một trong ba người đoạt giải Nobel vật lý năm 1979, từng cảnh báo nỗ lực này chỉ có thể thành công nếu hợp nhất luôn cả lực hấp dẫn vào trong đó. Vì thế cuộc “săn đuổi tóm bắt” lực hấp dẫn trở thành đề tài chính của câu chuyện “Lý thuyết của Tất cả”. Trong bối cảnh đó, Fomalont và Kopeikin đã tạo nên một đột phá đầu tiên. Không nghi ngờ gì nữa, đây là một thắng lợi vĩ đại của khoa học!.p