Nhật thực toàn phần đã chứng minh thuyết tương đối của Einstein

Ngày 21/8/2017, toàn bộ nước Mỹ được chứng kiến sự kiện nhật thực toàn phần mê hoặc khi hiện tượng này trải dài từ bờ Tây sang bờ Đông, bắt đầu ở Oregon và kết thúc ở Nam Carolina.;Sự kiện này là cơ hội tuyệt vời để cùng nhìn lại một thí nghiệm đột phá đã diễn ra khi xuất hiện nhật thực toàn phần, và giúp khẳng định thuyết tương đối rộng của Albert Einstein. Cơ quan Vũ trụ châu Âu gọi sự kiện thiên văn này là "nhật thực đóng vai trò quan trọng nhất trong lịch sử khoa học".

Thí nghiệm lịch sử này được tiến hành vào ngày 29/5/1919, đúng 98 năm về trước.

Albert Einstein đã nổi tiếng toàn cầu trong suốt cuộc đời mình, nhưng ít người biết phải nhờ đến hiện tượng nhật thực toàn phần, tên tuổi của ông mới phủ sóng toàn thế giới. Nguồn: Public Domain.

Newton và Einstein

Năm 1915, Einstein công bố bốn tài liệu đột phá giới thiệu thuyết tương đối rộng của mình. Theo các bài viết của tờ New York Times, vào thời điểm đó, nhà vật lí lý thuyết người Đức gần như không được công chúng biết đến, và đã có những tranh cãi mạnh mẽ trong giới khoa học về lý thuyết mới của ông. Vào lúc này, cơ học cổ điển của Isaac Newton - được nêu trong cuốn sách "Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica" năm 1687 – đóng vai trò là cơ sở của nhiều ngành khoa học, và công trình của Einstein vấp phải sự hoài nghi cực lớn.

Một trong những nguyên lý chính của thuyết tương đối rộng là không gian không tĩnh tại. Chuyển động của các vật thể có thể thay đổi cấu trúc không gian. Ngược lại, theo quan điểm của Newton về vũ trụ, không gian là "không đổi".

Theo Einstein, không gian được kết hợp với chiều thời gian - tạo ra một tấm "vải" trải dài trên toàn bộ vũ trụ gọi là không - thời gian. Các vật thể khi đi qua tấm vải này, có thể bị chệch hướng, bẻ cong và xoắn lại bởi khối lượng và chuyển động của các vật thể trong không - thời gian.

Một ví dụ thể hiện sự khác biệt trong lý thuyết của hai nhà khoa học này liên quan đến tác động của lực hấp dẫn lên ánh sáng. Mặc dù động lực học cổ điển tiên đoán trọng lực của một ngôi sao có thể làm lệch hướng của một lượng tử ánh sáng (photon), đối với Einstein lý thuyết này không mô tả chính xác những gì thực sự đang diễn ra. Không phải trọng lực của ngôi sao hút lượng tử ánh sáng (theo Newton), mà đúng hơn là ngôi sao này tạo ra một đường cong trong không gian, giống như lực của một người đứng trên một tấm bạt lò xo tạo thành một đường cong trên bề mặt. Lượng tử ánh sáng giống như một quả lăn đi qua tấm bạt, và đơn giản sẽ đi theo đường cong đó. Dựa trên quan điểm chuyển động của lượng tử ánh sáng luôn theo đường thẳng; thì chính sự biến dạng của không - thời gian đã gây ra sự lệch hướng đó. Vì vậy, trọng lực là biểu hiện độ cong của không gian.

Tất cả các vật chất có khối lượng lớn đều tạo ra độ cong của không - thời gian, nhưng tác động của chúng là rất khó thấy, và việc kiểm tra lý thuyết của Einstein đòi hỏi những vật thể có khối lượng rất lớn, như những ngôi sao. Ngày nay, các nhà thiên văn học có thể nhìn sâu vào vũ trụ và quan sát các vật thể vô cùng lớn như các thiên hà khi chúng biến đổi không - thời gian dưới hiện tượng thấu kính hấp dẫn và khiến các lượng tử ánh sáng bị lệch hướng khi đi qua. Ánh sáng từ các vật thể nằm ngoài vật thể cực lớn dường như xuất hiện ở một vị trí khác trên bầu trời.

Nhưng vào đầu thế kỷ 20 vẫn chưa thể thực hiện được những quan sát như vậy. Chiến tranh thế giới thứ nhất diễn ra tại Châu Âu lúc đó đã giới hạn những thành quả nghiên cứu của Einstein trong cộng đồng khoa học nói tiếng Đức nói riêng. Và nếu không có thí nghiệm chứng minh lý thuyết mới của Einstein, ý tưởng của ông có thể đã phải chịu số phận bị lãng quên vô thời hạn trong một cuốn tạp chí xếp trên kệ sách thư viện đầy bụi.

Tuy nhiên, nhà thiên văn học người Anh Arthur Eddington đã chú ý tới các ý tưởng mới lạ của Einstein sau khi biết đến nhà vật lý người Hà Lan Willem De Sitter – người đã từng cộng tác với Einstein (Hà Lan là quốc gia trung lập trong Thế chiến thứ nhất). Ông nhận thấy mình có thể thực hiện một thực nghiệm để kiểm chứng lý thuyết trên.

Nhật thực toàn phần vào ngày 29/5/1919. Nguồn: Public Domain.

Thực nghiệm nhật thực

Mặt trời được xem là vật thể to lớn nhất trong hệ mặt trời, độ cong của nó trong không - thời gian sẽ là minh chứng sinh động nhất trong vũ trụ có vòng bán kính xấp xỉ một tỷ năm ánh sáng. Nhưng để kiểm tra lý thuyết của Einstein, các nhà thiên văn học sẽ phải nghiên cứu các vị trí của các ngôi sao gần vành nhật hoa. Tuy nhiên, việc quan sát khi ánh sáng mặt trời đang gay gắt là điều không thể.

Và rồi nhật thực năm 1919 đã xuất hiện.

Khi nhật thực toàn phần xảy ra, mặt trăng ở giữa mặt trời và trái đất, chặn toàn bộ ánh sáng từ đĩa mặt trời. Nhờ có những hiện tượng tuyệt vời như vậy mà những người dân trên trái đất mới có thể lần đầu tiên nhìn thấy bầu khí quyển từ tính bao quanh mặt trời - corona - trước khi kính thiên văn được phát minh. Mặt trăng đóng vai trò như một vật che khuất tự nhiên chặn ánh sáng chói chang từ Mặt trời, từ đó tiết lộ các cấu trúc dưới sự phát sáng tương đối yếu của vành nhật hoa.

Vào năm 1917, Frank Watson Dyson, thành viên hội thiên văn học hoàng gia Anh, đã dự tính một thí nghiệm xác định vị trí của các ngôi sao gần với vành nhật hoa trong quá trình nhật thực - mà hai năm sau đó Eddington đã thực hiện. Nếu có thể đo chính xác vị trí các ngôi sao trong quá trình nhật thực năm 1919 và sau đó so sánh với vị trí thông thường của chúng, thì có thể quan sát được ảnh hưởng của không - thời gian đã bị uốn cong – điều nằm ngoài dự đoán của Newton về cơ học cổ điển. Nếu vị trí của các ngôi sao bị thay đổi đúng như lý thuyết của Einstein, thì đây chính xác là thực nghiệm mà thuyết tương đối rộng cần để kiểm chứng. Eddington rất có thể đã biết nếu thực nghiệm này chứng minh được thuyết tương đối rộng, nó sẽ hoàn toàn thay đổi quan điểm về vũ trụ theo thuyết Newton.

Bức ảnh về nhật thực toàn phần vào ngày 29/5/1919 cho thấy một trong những ngôi sao được dùng để chứng minh thuyết tương đối rộng của Albert Einstein. Dấu chấm đỏ cho thấy vị trí mà đáng lẽ ngôi sao đã ở đó nếu không chịu tác động từ mặt trời. Nguồn: Đài quan sát Hoàng gia, Greenwich.

Dưới sự chỉ đạo của Eddington, Hội khoa học Hoàng gia và Hội Thiên văn Hoàng gia Anh đã tổ chức các chuyến thám hiểm đến các vùng nhiệt đới của Brazil và đảo Principe, ngoài khơi bờ biển phía tây châu Phi, nơi có thể chứng kiến nhật thực toàn phần. Một điều bất ngờ là khoảng thời gian mà mặt trăng che khuất toàn bộ bề mặt mặt trời vào nhật thực năm 1919 là một trong những khoảng thời gian dài nhất của thế kỷ 20, kéo dài khoảng 6 phút. Điều này giúp cho các nhà thiên văn học có đủ thời gian để đo vị trí tương đối của các ngôi sao trong cụm Hyades gần mặt trời vào thời điểm đó.

Mặc dù không - thời gian bị uốn cong khiến sự chệch hướng của ánh sáng mặt trời là rất nhỏ (mà mắt thường không nhìn thấy được), kết quả quan sát từ Brazil và đảo Principe sau khi được Eddington phân tích cho thấy sự thống nhất với các dự đoán của thuyết tương đối rộng. Sự biến dạng không - thời gian bởi khối lượng của mặt trời là có thật và quan điểm không gian không đổi của Newton đã bị thay thế bởi một lý thuyết mới. Khi tờ New York Times công bố kết luận trên vào ngày 7/11/1919,  tên tuổi của Einstein không chỉ được giới khoa học mà cả những bình thường cũng đều biết tới.

Kể từ khi nhật thực "quan trọng nhất" xảy ra 98 năm về trước, thuyết tương đối rộng đã được thử nghiệm theo nhiều cách khác nhau. Và mỗi lần thực nghiệm đều chứng minh quan điểm đặc biệt chính xác của Einstein về không - thời gian của vũ trụ mà loài người chúng ta đang tồn tại.

Quỳnh Mai

Theo Livescience