Thuyết tương đối rộng-Einstein

Lí thuyết tương đối rộng của Albert Einstein là một trong những thành tựu đỉnh cao của nền vật lí thế kỉ 20. Công bố vào năm 1916, nó giải thích cái chúng ta cảm nhận là lực hấp dẫn thực ra phát sinh từ sự cong của không gian và thời gian

pdf8 trang | Chia sẻ: lylyngoc | Lượt xem: 1755 | Lượt tải: 0download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Thuyết tương đối rộng-Einstein, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Thuyết tương đối rộng-einstein (sưu tầm) Thuyết tương đối rộng: Quá khứ, hiện tại và tương lai Lí thuyết tương đối rộng của Albert Einstein là một trong những thành tựu đỉnh cao của nền vật lí thế kỉ 20. Công bố vào năm 1916, nó giải thích cái chúng ta cảm nhận là lực hấp dẫn thực ra phát sinh từ sự cong của không gian và thời gian. Einstein đề xuất rằng các vật thể như mặt trời và trái đất làm thay đổi dạng hình học này. Trong sự có mặt của vật chất và năng lượng, nó có thể tiến triển, kéo căng ra và cuộn lại, hình thành nên các gợn, đỉnh và hõm, làm cho các vật đang chuyển động qua nó bị zig zag và cong đi. Cho nên, mặc dù trái đất bị hút về phía mặt trời bởi lực hấp dẫn, nhưng không có lực nào như vậy cả. Nó đơn giản là hình dạng của không-thời gian xung quanh mặt trời cho trái đất biết phải đi theo hướng nào mà thôi. Lí thuyết tương đối rộng có các hệ quả sâu rộng. Nó không chỉ giải thích chuyển động của các hành tinh; mà nó còn mô tả lịch sử và sự giãn nở của vũ trụ, cơ sở vật lí của các lỗ đen và sự cong của ánh sáng phát ra từ những ngôi sao và thiên hà xa xôi. Thuyết tương đối rộng: trí tuệ xuất chúng của Einstein Năm 1905, ở tuổi 26, Albert Einstein đề xuất lí thuyết tương đối đặc biệt. Lí thuyết trên dung hòa cơ sở vật lí của các vật đang chuyển động do Galileo Galilei và Newton phát triển với các định luật của bức xạ điện từ. Nó thừa nhận rằng tốc độ của ánh sáng luôn luôn không đổi, bất kể chuyển động của người đo nó như thế nào. Thuyết tương đối đặc biệt cho rằng không gian và thời gian hòa quyện với nhau đến một mức độ trước đó chưa bao giờ người ta tưởng tượng ra. Sang năm 1907, Einstein bắt đầu thử mở rộng thuyết tương đối đặc biệt để bao hàm cả sự hấp dẫn. Đột phá đầu tiên của ông xuất hiện khi ông đang làm việc tại một phòng cấp bằng sáng chế ở Bern, Thụy Sĩ. “Bất ngờ một ý tưởng nảy đến với tôi”, ông nhớ lại. “Nếu như một người rơi tự do, anh ta sẽ không cảm nhận thấy sức nặng của mình... Thí nghiệm tưởng tượng đơn giản này... đã đưa tới đến lí thuyết của sự hấp dẫn”. Ông nhận ra rằng có một mối liên hệ sâu sắc giữa các hệ bị ảnh hưởng bởi sự hấp dẫn và các hệ đang gia tốc. Đang rơi tự do sẽ không cảm nhận trọng lượng ? (Ảnh: Matt King/Getty) Bước phát triển lớn tiếp theo xuất hiện khi Einstein được giới thiệu cơ sở hình học phát triển bởi các nhà toán học Đức thế kỉ thứ 19, Carl Friedrich Gauss và Bernhard Riemann. Einstein áp dụng công trình của họ để viết nên các phương trình liên hệ hình học của không-thời gian với lượng năng lượng mà nó chứa. Ngày nay được gọi là các phương trình trường Einstein, và công bố vào năm 1916, chúng thay thế cho định luật vạn vật hấp dẫn của Newton và vẫn sử dụng cho đến ngày nay, sau gần một thế kỉ. Sử dụng thuyết tương đối rộng, Einstein đã đưa ra một loạt dự đoán. Thí dụ, ông chỉ ra lí thuyết của ông sẽ dẫn đến sự trôi giạt quan sát thấy của quỹ đạo Thủy tinh như thế nào. Ông còn tiên đoán rằng một vật khối lượng lớn, như mặt trời, sẽ làm méo hành trình của ánh sáng đi qua gần nó: tóm lại, hình dạng của không gian sẽ tác dụng như một thấu kính và làm tập trung ánh sáng. Einstein còn cho rằng bước sóng của ánh sáng phát ra ở gần một vật thể khối lượng lớn sẽ bị kéo căng ra, hay lệch đỏ, khi nó trèo ra khỏi không-thời gian bị cuộn lại ở gần vật thể nặng đó. Những tiên đoán này ngày nay được gọi là ba phép kiểm tra cổ điển của thuyết tương đối rộng. Thuyết tương đối rộng: nhà siêu khoa học Pedro Ferreira Năm 1919, nhà thiên văn học người Anh Arthur Eddington đã thực hiện chuyến thám hiểm đến đảo Hoàng tử ở ngoài khơi Tây Phi để xem ông có thể phát hiện ra sự hội tụ của ánh sáng như thuyết tương đối rộng tiên đoán hay không. Kế hoạch của ông là quan sát một đám sao sáng tên là Hyades khi mặt trời đi qua phía trước chúng, khi nhìn từ Trái đất. Để xem ánh sáng sao, Eddington cần một kì nhật thực toàn phần để chặn mất ánh chói của mặt trời. Nếu lí thuyết của Einstein là đúng, thì vị trí của các ngôi sao trong đám Hyades sẽ dường như bị lệch đi khoảng 1/2000 của một độ. Để định vị đám sao Hyades trên bầu trời, trước tiên Eddington chụp một bức ảnh ban đêm ở Oxford. Sau đó, vào ngày 29/05/1919, ông chụp ảnh Hyades khi chúng nằm hầu như thẳng phía sau mặt trời trong kì nhật thực toàn phần mà đảo Hoàng tử trải qua trong ngày hôm đó. So sánh hai phép đo, Eddington có thể chỉ ra sự dịch chuyển như Einstein đã tiên đoán và quá lớn để giải thích bằng lí thuyết Newton. Nhật thực năm 1919 chứng tỏ rằng lực hấp dẫn làm bẻ cong ánh sáng sao. (Ảnh: Hội Thiên văn học Hoàng gia/SPL) Sau chuyến thám hiểm quan sát nhật thực, đã có một số tranh cãi rằng phân tích của Eddington là có thiện kiến với thuyết tương đối rộng. Vấn đề không được giải quyết cho đến cuối thập niên 1970 khi các tấm phim chụp được mang ra phân tích lại và phân tích của Eddington được chứng tỏ là đúng. Kết quả của Eddington đã biến Einstein thành một siêu sao quốc tế: “Lí thuyết của Einstein thành công vang dội” là dòng tít của tờ The Times ở London. Từ đó về sau, khi ngày càng có nhiều hệ quả của lí thuyết của ông được phát hiện, thuyết tương đối rộng đã ăn sâu vào trí tưởng tượng của công chúng, với các mô tả của nó về vũ trụ giãn nở và các lỗ đen. Năm 1959, các nhà vật lí người Mĩ Robert Pound và Glen Rebka đã đo sự dịch đỏ hấp dẫn của ánh sáng trong phòng thí nghiệm của họ tại Đại học Harvard, nhờ đó xác nhận phép kiểm tra cuối cùng trong ba phép kiểm tra cổ điển của thuyết tương đối rộng. Không gian cho vật chất biết nên chuyển động như thế nào và vật chất cho không gian biết nên cong đi như thế nào (John Archibald Wheeler) Thuyết tương đối rộng: Sự hấp dẫn trước Einstein Năm 1686, Isaac Newton đề xuất một lí thuyết có sức mạnh vô song của sự chuyển động. Tại tâm điểm của nó là định luật vạn vật hấp dẫn, phát biểu rằng lực hấp dẫn giữa hai vật thể tỉ lệ với khối lượng của mỗi vật và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng. Định luật Newton là phổ quát vì nó có thể áp dụng cho bất kì tình huống nào trong đó lực hấp dẫn là quan trọng: các quả táo từ trên cây rơi xuống, các hành tinh quay xung quanh mặt trời, và nhiều, nhiều trường hợp khác nữa. Trong hơn 200 năm, lí thuyết hấp dẫn của Newton đã được sử dụng thành công để dự đoán chuyển động của các thiên thể và mô tả chính xác quỹ đạo của các hành tinh trong hệ mặt trời. Một minh chứng cho sức mạnh đó của nó là vào năm 1846, nhà thiên văn học người Pháp Urbain Le Verrier đã có thể dùng nó để tiên đoán sự tồn tại cua Hải vương tinh. Tuy nhiên, có một trường hợp trong đó lí thuyết của Newton dường như không cho câu trả lời chính xác. Le Verrier đã đo quỹ đạo của Thủy tinh với độ chính xác ngoại hạng và nhận thấy nó bị dịch đi một lượng hết sức nhỏ - chưa tới một phần trăm của một độ trong một thế kỉ - so với cái trông đợi thu về từ lí thuyết Newton. Sự không nhất quán giữa lí thuyết của Newton và quỹ đạo của Thủy tinh vẫn không được phân giải vào đầu thế kỉ thứ 20. Lí thuyết tương đối rộng của Einstein đã làm sáng tỏ rằng vũ trụ là nơi cực độ. Ngày nay, chúng ta biết nó nóng và đặc và đã giãn nở trong 13,7 tỉ năm qua. Nó còn chứa nhung nhúc những vùng không-thời gian cuộn hết sức chặt gọi là các lỗ đen bắt giữ mọi thứ rơi vào trong tầm mút của nó. Thuyết tương đối rộng: Các lỗ đen Không bao lâu sau khi Einstein đề xuất lí thuyết tương đối rộng của ông, một nhà vật lí người Đức tên là Karl Schwarzschild đã tìm ra một trong những nghiệm đầu tiên và quan trọng nhất của các phương trình trường Einstein. Ngày nay được gọi là nghiệm Schwarzschild, nó mô tả hình dạng của không-thời gian xung quanh các ngôi sao cực kì đặc – và nó có một số đặc điểm rất kì lạ. Trước tiên, ở ngay tại tâm của những vật thể như vậy, độ cong của không-thời gian trở nên vô hạn – tạo ra một đặc điểm gọi là một kì dị. Một đặc điểm còn lạ hơn nữa là một mặt cầu không nhìn thấy, gọi là chân trời sự cố, bao xung quanh điểm kì dị đó. Không có gì, kể cả ánh sáng, có thể thoát ra khỏi chân trời sự cố. Bạn hầu như có thể nghĩ điểm kì dị Schwarzschild là một cái lỗ trong cấu trúc của không-thời gian. Đài thiên văn tia X Chandra đã xác nhận các ý tưởng dựa trên nền thuyết tương đối của chúng ta về vũ trụ. (Ảnh: Trung tâm Đài thiên văn tia X Chadra) Vào những năm 1960, nhà toán học người New Zealand Roy Kerr đã phát hiện ra một họ nghiệm tổng quát hơn cho các phương trình trường Einstein. Những nghiệm này mô tả những vật thể đang quay tròn, và chúng còn kì lạ hơn cả nghiệm Schwarzschild. Các vật thể mà các nghiệm Schwarzschild và Kerr mô tả được gọi là các lỗ đen. Mặc dù không có lỗ đen nào từng được trông thấy trực tiếp, nhưng có bằng chứng không thể chối cãi rằng chúng tồn tại. Chúng thường được phát hiện ra qua tác dụng mà chúng để lại trên các vật thể thiên văn lân cận như các ngôi sao hay chất khí. Những lỗ đen nhỏ nhất có thể được tìm thấy xuất hiện cùng với các ngôi sao bình thường. Khi ngôi sao quay xung quanh lỗ đen, nó từ từ bị hút lấy một phần vật chất và phát ra tia X. Lỗ đen đầu tiên như vậy được quan sát thấy là Sygnus X-1, và hiện nay có một số cặp đôi tia X đã được xác định rõ ràng với các lỗ đen chừng bằng 10 lần khối lượng mặt trời. Bằng chứng cho những lỗ đen lớn hơn nhiều xuất hiện trong thập niên 1960 khi một số vật thể rất sáng và xa xôi đã được quan sát thấy trên bầu trời. Gọi là các quasar, chúng phát sinh từ các lỗ đen bị phá hủy có vẻ sinh ra tại lõi của các thiên hà. Chất khí ở chính giữa của một thiên hà hình thành nên một đĩa xoáy tít khi nó bị hút vào trong lỗ đen. Sức mạnh của lực hút của lỗ đen làm xoáy tít chất khí làm phát ra những lượng năng lượng khổng lồ có thể nhìn thấy ở cách xa nhiều tỉ năm ánh sáng. Các ước tính hiện nay đặt những lỗ đen này nằm trong khoảng giữa một triệu và một tỉ lần khối lượng của mặt trời. Kết quả là chúng được gọi là các lỗ đen siêu khối lượng. Bằng chứng hiện nay ủng hộ cho việc có một lỗ đen siêu khối lượng nằm tại tâm của mỗi thiên hà, trong đó có thiên hà của chúng ta. Thật vậy, các quan sát quỹ đạo của các sao nằm gần tâm của Dải Ngân hà cho thấy chúng đang chuyển động trong những quỹ đạo ngày càng thu hẹp lại. Những quỹ đạo này có thể hiểu được nếu không-thời gian mà chúng tồn tại trong đó bị bóp méo đáng kể bởi sự có mặt của một lỗ đen siêu khối lượng gấp hơn 4 triệu lần khối lượng của mặt trời. Bất chấp tên gọi của chúng, nhà vật lí người Anh Stephen Hawking đã chỉ ra rằng các lỗ đen có lẽ không hoàn toàn đen. Ông cho rằng, ở gần chân trời sự cố, sự sản sinh lượng tử của các hạt và phản hạt có thể dẫn tới một sự phát sáng rất yếu. Lóe sáng này, trở nên nổi tiếng là bức xạ Hawking, cho đến nay chưa được phát hiện ra vì nó quá mờ nhạt. Nhưng, theo năm tháng, bức xạ Hawking sẽ đủ để lấy hết năng lượng và khối lượng ra khỏi một lỗ đen, làm cho toàn bộ các lỗ đen cuối cùng bị bốc hơi và biến mất. Thuyết tương đối rộng: Vũ trụ giãn nở Một trong những tiên đoán kì lạ nhất của thuyết tương đối rộng ra đời khi chúng ta xét cái xảy ra với vũ trụ xem như một tổng thể. Không bao lâu sau khi Einstein công bố lí thuyết của ông, nhà khí tượng học và toán học người Nga Alexander Friedmann và vị linh mục người Bỉ Georges Lemaître đã chỉ ra rằng vũ trụ sẽ phát triển trước toàn bộ năng lượng mà nó chứa. Họ cho rằng vũ trụ lúc bắt đầu phải nhỏ và đặc, và giãn nở và loãng dần theo thời gian. Kết quả là các thiên hà sẽ trôi giạt ra xa nhau. Thoạt đầu, Einstein hoài nghi kết luận đó của Friedmann và Lemaître, ông nghiêng về một vũ trụ tĩnh tại. Nhưng một khám phá bơi nhà thiên văn học người Mĩ Edwin Hubble đã làm thay đổi suy nghĩ của ông. Vũ trụ thời sơ khai (Ảnh: NASA/Đội Khoa học WMAP) Hubble phân tích các thiên hà lùi ra xa Dải Ngân hà như thế nào. Ông nhận thấy các thiên hà ở xa di chuyển ra xa nhanh hơn các thiên hà tương đối ở gần. Các quan sát của Hubble chứng tỏ rằng vũ trụ thật sự đang giãn nở. Mô hình vũ trụ này sau đó được gọi tên là Big Bang (Vụ nổ Lớn). Trong hơn 20 năm qua, vô số các quan sát thực hiện bởi các vệ tinh và các kính thiên văn cỡ lớn đã xác nhận thêm bằng chứng cho một vũ trụ đang giãn nở và phát triển. Chúng ta đã thu được một số đo chính xác của tốc độ giãn nở của vũ trụ và nhiệt độ của “bức xạ tàn dư” để lại từ thời Big Bang, và chúng ta đã có thể quan sát các thiên hà trẻ khi vũ trụ ở trong giai đoạn trứng nước của nó. Ngày nay, người ta chấp nhận rằng vũ trụ khoảng chừng 13,7 tỉ năm tuổi. Nguồn thư viện vật lý(thuvienvatly.com)