Einstein đã thay đổi cách chúng ta hiểu vũ trụ như thế nào?

Ít có nhà khoa học nào làm thay đổi cách con người hình dung về vũ trụ sâu sắc như Albert Einstein. Từ một nhân viên văn phòng sáng chế ở Bern, ông đã đưa ra những ý tưởng khiến không gian, thời gian, vật chất và năng lượng không còn được xem là những khái niệm độc lập như trong bức tranh Newton cổ điển.

Điều đáng chú ý là nhiều hệ quả từ các lý thuyết của Einstein ngày nay không còn chỉ nằm trên giấy. Sự giãn nở của vũ trụ, lỗ đen, thấu kính hấp dẫn, sóng hấp dẫn và cả những hiệu chỉnh cần thiết cho hệ thống định vị vệ tinh đều liên quan trực tiếp hoặc gián tiếp đến cuộc cách mạng vật lý bắt đầu từ đầu thế kỷ XX.

Năm 1905 và một cuộc cách mạng trong vật lý

Năm 1905 thường được gọi là “năm kỳ diệu” của Einstein. Trong một khoảng thời gian ngắn, ông công bố một loạt công trình về chuyển động Brown, lượng tử ánh sáng, thuyết tương đối đặc biệt và mối quan hệ giữa khối lượng với năng lượng.

Những công trình này không phải là một lý thuyết duy nhất. Chúng giải quyết những vấn đề khác nhau, nhưng cùng góp phần phá vỡ hình ảnh về một vũ trụ vận hành theo một chiếc đồng hồ tuyệt đối, trong đó không gian và thời gian có giá trị giống nhau đối với mọi người quan sát.

Với Einstein, câu hỏi không chỉ là vật thể chuyển động nhanh đến đâu, mà còn là không gian và thời gian được đo như thế nào đối với những người quan sát khác nhau.

Thời gian không còn tuyệt đối

Trong thuyết tương đối đặc biệt, Einstein bắt đầu từ một nguyên lý tưởng như đơn giản: tốc độ ánh sáng trong chân không là như nhau đối với mọi người quan sát quán tính.

Để nguyên lý này phù hợp với các định luật vật lý, không gian và thời gian phải thay đổi theo trạng thái chuyển động của người quan sát. Một chiếc đồng hồ chuyển động rất nhanh có thể chạy khác với chiếc đồng hồ đứng yên tương đối với người quan sát; khoảng cách theo hướng chuyển động cũng có thể bị co lại.

Đây không phải là ảo giác hay lỗi của đồng hồ. Nó là một đặc điểm thực sự của cấu trúc không-thời gian.

E = mc²: vật chất và năng lượng liên hệ với nhau

Một hệ quả nổi tiếng của thuyết tương đối đặc biệt là phương trình E = mc². Nó cho thấy khối lượng có thể được xem như một dạng năng lượng, với hệ số chuyển đổi là bình phương tốc độ ánh sáng.

Phương trình này không đơn giản có nghĩa rằng “vật chất biến thành năng lượng” trong mọi tình huống. Nó mô tả mối quan hệ sâu sắc giữa năng lượng nghỉ và khối lượng của một hệ, đồng thời trở thành một nền tảng quan trọng để hiểu các quá trình hạt nhân và nhiều hiện tượng vật lý năng lượng cao.

Einstein mất gần một thập kỷ để giải bài toán hấp dẫn

Thuyết tương đối đặc biệt chưa mô tả đầy đủ hấp dẫn. Einstein phải tiếp tục tìm cách kết hợp nguyên lý tương đối với gia tốc và trường hấp dẫn. Quá trình này kéo dài gần một thập kỷ và cuối cùng dẫn tới thuyết tương đối rộng năm 1915.

Trong bức tranh mới, hấp dẫn không còn đơn giản là một lực kéo tức thời giữa hai vật thể. Khối lượng và năng lượng làm cong hình học của không-thời gian, còn vật chất chuyển động theo cấu trúc hình học đó.

Ánh sáng cũng bị hấp dẫn làm lệch đường đi

Một dự đoán nổi bật của thuyết tương đối rộng là ánh sáng truyền gần một vật thể có khối lượng lớn sẽ bị lệch do hình học không-thời gian bị cong.

Năm 1919, các quan sát nhật thực được thực hiện để kiểm tra dự đoán này bằng cách đo vị trí biểu kiến của các ngôi sao gần Mặt Trời. Kết quả đã giúp đưa Einstein trở thành một nhân vật khoa học nổi tiếng trên toàn thế giới.

Ngày nay, hiện tượng này được quan sát với độ chính xác cao hơn dưới dạng thấu kính hấp dẫn. Các thiên hà và cụm thiên hà có thể bẻ cong ánh sáng từ những vật thể ở phía sau, tạo ra các cung sáng, ảnh phóng đại hoặc nhiều ảnh của cùng một nguồn.

Vũ trụ không đứng yên

Thuyết tương đối rộng cũng mở ra một cách nhìn mới về toàn bộ vũ trụ. Khi các phương trình Einstein được áp dụng cho quy mô vũ trụ, chúng cho phép một vũ trụ động, trong đó không gian có thể giãn nở hoặc co lại.

Ban đầu Einstein từng tìm cách duy trì một vũ trụ tĩnh bằng cách đưa hằng số vũ trụ vào phương trình. Sau đó, các quan sát thiên văn cho thấy các thiên hà ở xa đang có xu hướng rời xa nhau, đưa ý tưởng về một vũ trụ đang giãn nở trở thành nền tảng của vũ trụ học hiện đại.

Từ đây, các nhà khoa học phát triển những mô hình về lịch sử nóng và đặc của vũ trụ sơ khai, dẫn tới khung lý thuyết Big Bang hiện đại.

Lỗ đen: một dự đoán vượt xa thời đại

Các phương trình của Einstein cho phép tồn tại những vùng không-thời gian có trường hấp dẫn mạnh đến mức một khi vật chất vượt qua chân trời sự kiện, ánh sáng cũng không thể thoát ra ngoài.

Ngày nay, bằng chứng thiên văn cho thấy lỗ đen là những đối tượng vật lý thực sự. Quan sát sao chuyển động quanh lỗ đen siêu khối lượng ở trung tâm Dải Ngân Hà, hình ảnh bóng lỗ đen và các tia vật chất relativistic đều cung cấp những cách khác nhau để kiểm tra vật lý trong trường hấp dẫn mạnh.

Sóng hấp dẫn: khi chính không-thời gian rung động

Nếu các vật thể cực kỳ nặng như hai lỗ đen chuyển động và hợp nhất, chúng có thể tạo ra những gợn lan truyền trong cấu trúc không-thời gian. Einstein đã dự đoán sự tồn tại của sóng hấp dẫn trong khuôn khổ thuyết tương đối rộng.

Năm 2015, LIGO lần đầu tiên trực tiếp phát hiện một tín hiệu sóng hấp dẫn từ vụ hợp nhất hai lỗ đen. Phát hiện này mở ra một phương thức quan sát vũ trụ hoàn toàn mới: thay vì chỉ thu nhận ánh sáng hoặc các hạt, con người có thể “nghe” những biến động của chính không-thời gian.

Không chỉ thay đổi thiên văn học

Ảnh hưởng của Einstein còn xuất hiện trong những công nghệ rất gần với đời sống. Hệ thống GPS phải tính đến các hiệu ứng của cả thuyết tương đối đặc biệt và tương đối rộng vì đồng hồ trên vệ tinh chuyển động với tốc độ khác và chịu trường hấp dẫn khác so với đồng hồ trên mặt đất.

Nếu không hiệu chỉnh các sai khác tương đối tính, vị trí xác định bằng GPS sẽ nhanh chóng tích lũy sai số đáng kể. Một lý thuyết từng được xem là cực kỳ trừu tượng vì thế lại trở thành một phần của công nghệ định vị hiện đại.

Einstein đã thay đổi điều gì trong cách chúng ta nhìn vũ trụ?

• Không gian và thời gian không còn là hai sân khấu tuyệt đối, tách biệt với người quan sát.
• Khối lượng và năng lượng có quan hệ sâu sắc với nhau.
• Hấp dẫn có thể được hiểu thông qua hình học của không-thời gian.
• Ánh sáng có thể bị lệch bởi độ cong của không-thời gian.
• Vũ trụ có thể giãn nở và tiến hóa theo thời gian.
• Lỗ đen và sóng hấp dẫn trở thành những hệ quả có thể kiểm chứng của lý thuyết.

Một thế kỷ sau, cuộc cách mạng vẫn tiếp diễn

Einstein không cung cấp một lý thuyết cuối cùng mô tả mọi thứ. Thuyết tương đối rộng vẫn chưa được hợp nhất hoàn chỉnh với cơ học lượng tử, và vật lý hiện đại tiếp tục tìm kiếm một mô tả sâu hơn về hấp dẫn ở những điều kiện cực đoan.

Nhưng di sản quan trọng của Einstein nằm ở cách ông đặt câu hỏi. Ông buộc vật lý phải từ bỏ một số trực giác tưởng như hiển nhiên để xây dựng một bức tranh trong đó không gian, thời gian, vật chất và năng lượng liên kết thành một cấu trúc thống nhất.

Từ một văn phòng sáng chế ở Bern đến những quan sát lỗ đen và sóng hấp dẫn bằng các đài quan sát hiện đại, cuộc cách mạng của Einstein vẫn tiếp tục định hình cách nhân loại khám phá vũ trụ.