Thuyết tương đối và bức tranh vật lý học về vũ trụ

Thuyết tương đối
Thuyết tương đối miêu tả cấu trúc của không gian và thời gian trong một thực thể thống nhất là
khơng thời gian cũng như giải thích bản chất của lực hấp dẫn là do sự uốn cong của không thời
gian bởi vật chất và năng lượng. Thuyết tương đối gồm hai lý thuyết vật lý do Albert Einstein
phát triển, với thuyết tương đối đặc biệt công bố vào năm 1905 và thuyết tương đối tổng quát
công bố vào cuối năm 1915 và đầu năm 1916. Thuyết tương đối hẹp miêu tả hành xử của không
gian và thời gian và những hiện tượng liên quan từ những quan sát viên chuyển động đều tương
đối với nhau. Thuyết tương đối rộng tổng quát các hệ quy chiếu quán tính sang hệ quy chiếu
chuyển động có gia tốc và bao gồm lực hấp dẫn giữa các khối lượng với nhau.
Thuyết tương đối thường phải được tính đến trong những q trình có vận tốc là lớn đáng kể so
với tốc độ ánh sáng (thường là trên 10% tốc độ ánh sáng) hoặc có trường hấp dẫn khá mạnh và
khơng thể bỏ qua được. Ở vận tốc tương đối tính, các hiệu ứng của thuyết tương đối hẹp trở nên
quan trọng và ảnh hưởng tới kết quả tiên đoán cũng như miêu tả hiện tượng vật lý.
Thuyết tương đối hẹp:
Xuất phát từ những vấn đề của lý thuyết Ê te và phương trình Maxwell trong thế kỷ XIX, thuyết
tương đối hẹp dần hình thành từ những dấu mốc chính sau:
 Thí nghiệm Michelson-Morley thực hiện năm 1887, được coi là thí nghiệm đầu tiên phủ
định giả thuyết bức xạ điện từ truyền trong môi trường giả định ê-te.
 Giả thuyết độ dài co ngắn nêu bởi George FitzGerald (1889) và Hendrik Antoon Lorentz
(1892) nhằm giải thích các kết quả của thí nghiệm Michelson – Morley.
 Phép biến đổi Lorentz do Lorentz (1892, 1899) và Joseph Larmor (1897) nêu ra, trong đó
thời gian là một tọa độ biến đổi như không gian, và việc khơng phát hiện được sự trơi ête
có thể giải thích bằng phép biến đổi này.
 Henri Poincaré phát biểu nguyên lý tương đối (1900, 1904), tốc độ ánh sáng là hằng số
(1898, 1904), tính tương đối của sự đồng thời (1898, 1900), mặc dù ông vẫn ủng hộ quan
điểm tồn tại Ête.
 Đạt tới tính hiệp biến đầy đủ của các phương trình cơ bản của điện động lực học bởi
Lorentz (1904) và Poincaré (1905) trong lý thuyết Lorentz về Ête.
Cuối cùng Albert Einstein (1905) đưa ra thuyết tương đối hẹp bằng diễn giải sáng sủa về toàn bộ
lý thuyết dựa trên nguyên lý tương đối và tiên đề tốc độ ánh sáng không đổi, ông loại bỏ khái
niệm Ête khi xem xét lại bản chất của không gian, thời gian và liên hệ của chúng với hệ quy

chiếu quán tính. Quan điểm động lực của Lorentz và Poincaré được thay thế bằng quan điểm
động học của Einstein. Mô hình tốn học của lý thuyết tương đối hẹp hồn thiện đầy đủ khi
Hermann Minkowski (1907) thêm thời gian vào thành tọa độ thứ tư trong cách biểu diễn không
gian Minkowsk.
Nguyên lý:
Thuyết tương đối hẹp dựa trên hai tiên đề:
-Tốc độ ánh sáng trong chân khơng có độ lớn bằng c (=299792458 m/s) trong mọi hệ quy chiếu
qn tính, khơng phụ thuộc vào phương truyền và tốc độ của nguồn sáng hay máy thu.
-Các định luật vật lý có cùng một dạng như nhau trong mọi hệ quy chiếu quán tính (nguyên lý
tương đối). Những hệ quy chiếu chuyển động đều gọi là hệ quy chiếu qn tính.
VD: Mơi trường ê te: các nhà vật lý từng giả thiết rằng Trái Đất chuyển động trong “môi trường”
chứa ê te giúp ánh sáng lan truyền.
Galileo Galilei đã miêu tả một dạng của nguyên lý tương đối trong cuốn “Dialogo sopra i due
massimi sistemi del mondo” vào năm 1632 bằng minh họa về một người ngồi trên con thuyền và
nguyên lý này cũng được Newton áp dụng cho cơ học của ông. Một hệ quả trực tiếp của nguyên


lý này là khơng có cách nào để đo vận tốc tuyệt đối của quan sát viên chuyển động đều trong
không gian và không thể định nghĩa một hệ quy chiếu đứng yên tuyệt đối. Hệ này phải chứa một
thứ gì đó đứng im đối với mọi thứ khác và nó mâu thuẫn với nguyên lý tương đối, theo đó các
định luật vật lý trong mọi hệ quy chiếu phải là như nhau. Trước khi có sự ra đời của thuyết tương
đối, lý thuyết điện từ cổ điển đề xuất sóng điện từ lan truyền trong mơi trường gọi là ê te, một
môi trường đứng im bất động. Môi trường này lấp đầy không gian với cấu trúc rắn chắc và do đó
các nhà vật lý dùng nó để định nghĩa một hệ quy chiếu tuyệt đối. Trong hệ này các định luật vật
lý sẽ có dạng đơn giản và tốc độ ánh sáng sẽ không phải là hằng số do vậy trái ngược với nguyên
lý tương đối. Tuy nhiên mọi thí nghiệm nhằm chứng minh sự tồn tại của ê te, như thí nghiệm
Michelson – Morley nổi tiếng vào năm 1887 đều thất bại khi không phát hiện ra sự sai khác về
tốc độ khi ánh sáng lan truyền theo các hướng khác nhau trong môi trường ê te giả định.
Einstein đã từ bỏ khái niệm thông thường về không gian và thời gian cũng như giả thuyết ê tê để
lý giải được vẻ mâu thuẫn bề ngoài giữa nguyên lý tương đối và tốc độ ánh sáng không đổi trong

lý thuyết điện từ. Không phải ngẫu nhiên mà có những thí nghiệm và kết luận trong thuyết điện
từ dẫn tới sự khám phá ra thuyết tương đối, như thí nghiệm di chuyển cuộn dây và nam châm.
Einstein đã đặt tên cho bài báo công bố năm 1905, khai sinh ra thuyết tương đối hẹp, “Về điện
động lực học của các vật thể chuyển động” để thể hiện sự trân trọng đối với lý thuyết điện từ
Maxwell và ảnh hưởng của nó tới khám phá của ơng.
Tính tương đối của không gian và thời gian:
Không gian và thời gian khơng cịn là cấu trúc bất biến phổ qt trong thuyết tương đối nữa. Cụ
thể, các quan sát viên sẽ nhận xét hai sự kiện xảy ra trong không gian và thời gian là đồng thời
hay sớm hoặc trễ tùy thuộc vào trạng thái chuyển động của họ. Vật thể chuyển động có kích
thước bị ngắn lại theo hướng chuyển động so với khi nó đứng yên và đồng hồ chuyển động chạy
chậm hơn so với đồng hồ đặt yên một chỗ. Tuy nhiên, mỗi quan sát viên chuyển động với vận
tốc đều đưa ra kết luận chỉ đúng trong hệ quy chiếu của riêng họ, do vậy những kết luận từ hai
quan sát viên có tính tương hỗ lẫn nhau, ví dụ như mỗi người sẽ thấy đồng hồ của người kia chạy
chậm lại. Thêm nữa, nếu hai người chuyển động dọc theo hướng nhìn của nhau, mỗi người sẽ
thấy thước đo của người kia ngắn đi. Nguyên lý tương đối không thể trả lời cho câu hỏi về người
nào miêu tả là đúng mà nó chỉ cho biết kết quả của từng người thu được.
Sự co ngắn chiều dài và sự dãn thời gian có thể dễ dàng hiểu được từ biểu đồ Minkowski và
nghịch lý anh em sinh đơi. Trong dạng thức tốn học, chúng là kết quả của phép biến đổi Lorentz
miêu tả mối liên hệ giữa tọa độ không gian và thời gian của các quan sát viên khác nhau. Phép
biến đổi tuyến tính này được rút ra trực tiếp từ hai tiên đề trên.
Hầu hết các hiệu ứng tương đối tính đều trở nên đáng kể khi vận tốc là tương đối lớn so với tốc
độ ánh sáng, do vậy phần lớn các hiện tượng hàng ngày có thể giải thích dựa trên cơ học Newton
và những hiệu ứng tương đối tính có vẻ như trái ngược với trực giác.
Tốc độ ánh sáng là một giới hạn:
Không một vật nào và không một thông tin nào có thể đi nhanh hơn ánh sáng trong chân không.
Càng gần tiếp cận với tốc độ ánh sáng, thì năng lượng vật đó càng lớn, bởi vì động năng của vật
luôn luôn tăng rất nhanh khi vận tốc của nó tăng. Để vật đạt tới tốc độ ánh sáng thì cần phải cung
cấp cho vật năng lượng lớn vô hạn.
Kết luận trên là hệ quả của cấu trúc khơng thời gian khơng phải là thuộc tính của vật, chẳng hạn
do hạn chế về công nghệ chế tạo tàu vũ trụ. Nếu một vật chuyển động nhanh hơn ánh sáng từ A

tới B, và một quan sát viên chuyển động từ B tới A thì lúc này câu hỏi ai miêu tả tình huống đúng
đắn lại có ý nghĩa. Khi đó quan sát viên sẽ nhìn thấy kết quả trước khi nhìn thấy nguyên nhân
(anh ta nhìn thấy vật xuất hiện ở B trước khi thấy nó đi ra từ A). Như vậy, nguyên lý nhân quả bị


vi phạm bởi vì trình tự nguyên nhân kết quả không được xác định. Những vật chuyển động
nhanh hơn ánh sáng sẽ đi ra khỏi tầm quan sát của người hoặc thiết bị theo dõi.
Không thời gian:
Không gian và thời gian xuất hiện trong những phương trình cơ bản của thuyết tương đối có vai
trị như nhau và có thể kết hợp thành không thời gian bốn chiều. Sự cảm nhận về không gian và
thời gian theo cách khác nhau chỉ là do cảm nhận của con người. Về mặt tốn học, khoảng khơng
thời gian giữa hai sự kiện được định nghĩa bằng hiệu tọa độ không thời gian bốn chiều của hai sự
kiện trong một hệ quy chiếu giống như định nghĩa về khoảng cách giữa hai điểm trong khơng
gian Euclide, chỉ có một điểm khác là tọa độ thời gian ngược dấu với tọa độ không gian. Trong
không thời gian cũng định nghĩa vectơ bốn như vectơ thông thường trong không gian ba chiều.
Trong không thời gian Minkowski, giới hạn tốc độ ánh sáng và tính tương đối của độ dài và
khoảng thời gian phân ra những vùng riêng biệt đối với mỗi quan sát viên:
-Miền các điểm nằm trong nón ánh sáng tương lai là các điểm mà quan sát viên có thể tới được
với vận tốc ánh sáng hoặc gửi đi tín hiệu với tốc độ ánh sáng.
-Miền các điểm nằm trong nón ánh sáng quá khứ là các điểm gửi đi với tín hiệu có tốc độ bằng
tốc độ ánh sáng tới được quan sát viên.
-Những điểm cịn lại nằm trong miền “kiểu-khơng gian” tách biệt khỏi quan sát viên. Trong miền
này, không thể định nghĩa được quá khứ và tương lai.
Các vectơ-bốn không thời gian có nhiều ứng dụng thực tiễn và lý thuyết, ví dụ như trong tính
tốn động năng của các hạt chuyển động trong máy gia tốc.
Sự tương đương giữa khối lượng và năng lượng:
Một hệ có khối lượng m chứa trong nó một năng lượng nghỉ E liên hệ bởi công thức:
E=mc2
với c là tốc độ ánh sáng. Công thức này là một trong những công thức nổi tiếng nhất của vật lý
học nói riêng và khoa học nói chung. Cũng vì cơng thức này mà Einstein hay bị hiểu nhầm rằng

ơng có liên quan tới sự phát triển của bom nguyên tử mặc dù chỉ có lá thư của ông gửi tới tổng
thống Franklin D. Roosevelt là đề cập tới việc Hoa Kỳ cần phải cảnh giác với chương trình
nghiên cứu vũ khí của Đức Quốc xã. Lượng năng lượng khổng lồ giải phóng ra từ phản ứng phân
hạch hạt nhân phần lớn là do giải phóng năng lượng liên kết của các hạt nhân trước khi phản ứng
trong khi năng lượng bởi sự chênh lệch khối lượng trước và sau phản ứng nhân với hệ số c² chỉ
đóng góp phần nhỏ. Phản ứng phân hạch được Otto Hahn, Otto Frisch và Lise Meitner phát hiện
vào năm 1938.
Phương trình E=mc² đóng góp vai trị hỗ trợ trong nghiên cứu phân hạch hạt nhân. Khơng phải vì
cơ chế đằng sau năng lượng hạt nhân, nhưng mà là một công cụ: Bởi vì năng lượng và khối
lượng tương đương với nhau, những phép đo độ nhạy cao về khối lượng của các hạt nhân nguyên
tử khác nhau cho những nhà nghiên cứu chứng cứ quan trọng về độ lớn của năng lượng liên kết
hạt nhân. Cơng thức của Einstein khơng nói cho chúng ta tại sao năng lượng liên kết hạt nhân lại
lớn đến cỡ đó mà nó mở ra một khả năng (cùng với những phương pháp khác) để đo những năng
lượng liên kết này.
Từ trường trong thuyết tương đối:
Sự tồn tại của lực từ có mối liên hệ mật thiết với thuyết tương đối hẹp. Định luật Coulomb về lực
điện khi đứng riêng rẽ sẽ khơng thể tương thích với cấu trúc của không thời gian. Thật vậy, khi
các điện tích đứng n sẽ khơng có từ trường xuất hiện, trừ khi có một quan sát viên đang di
chuyển so với các điện tích. Có thể giải thích kết quả quan sát này dựa trên phép biến đổi
Lorentz giữa mối liên hệ của vectơ từ trường và vectơ điện trường, cho thấy mối liên hệ khăng


khít giữa từ trường, điện trường và hệ quy chiếu được lựa chọn. Sự xuất hiện của từ trường khi
đưa nam châm di chuyển đến gần vòng dây dẫn (và ngược lại), hay tổng quát hơn khi có từ
trường biến đổi thì xuất hiện điện trường (và ngược lại) cịn liên quan đến thuộc tính của khơng
gian và thời gian. Từ phương diện này, tuy hai định luật Coulomb và định luật Biot-Savart có vẻ
khác nhau nhưng khi xét trong từng hệ quy chiếu của quan sát viên đứng yên hay chuyển động sẽ
cho những kết quả như nhau. Trong mơ tả tốn học của thuyết tương đối, từ trường và điện
trường được miêu tả chung bằng một đại lượng, tenxơ trường điện từ hạng bốn, tương tự như sự
thống nhất giữa không gian và thời gian trong không thời gian bốn chiều.

Thuyết tương đối rộng
Đã có một số các nhà khoa học đóng góp vào sự phát triển của thuyết tương đối hẹp và cuối cùng
với các bài báo Einstein công bố vào năm 1905 đưa đến lý thuyết hồn thiện đồng thời ơng cũng
mở ra sự phát triển mới cần thiết của thuyết tương đối rộng. Thuyết tương đối rộng hầu như do
một mình Einstein phát triển khi ông nghiên cứu những ý nghĩa vật lý cơ bản và mối liên hệ giữa
hình học và vật lý.
Sự phát triển này bắt đầu từ năm 1907, với “ý tưởng hạnh phúc nhất trong đời” của Einstein, đó
là nguyên lý tương đương về sự tương đương giữa khối lượng hấp dẫn và khối lượng qn tính.
Từ ngun lý này có thể suy ra được hiệu ứng dịch chuyển đỏ do hấp dẫn và đường đi của ánh
sáng bị lệch trong trường hấp dẫn cũng như độ trễ thời gian của tia sáng, hay độ trễ Shapiro.
Năm 1911, ơng đã có thể tính được sơ bộ độ lệch tia sáng là bao nhiêu. Trong thời gian này ông
cũng đề xuất rằng có thể đo được độ lệch rất nhỏ này từ các ngôi sao ở xa khi ánh sáng đi gần
Mặt Trời. Tuy vậy, giá trị tính tốn lúc đầu của ông chỉ bằng một nửa giá trị đúng của độ lệch.
Trong quá trình nghiên cứu, Einstein nhận ra cách biểu diễn khơng thời gian bằng khơng gian
Minkowski có vai trị rất quan trọng đối với lý thuyết mới. Lúc này ông cũng nhận thức rõ ràng
rằng hình học Euclid không cịn phù hợp khi tính tới ảnh hưởng của lực hấp dẫn. Năm 1913, ơng
bắt đầu sử dụng hình học phi Euclid được phát triển trong thế kỷ XIX cho lý thuyết của mình với
sự trợ giúp từ người bạn và là nhà toán học Marcel Grossmann, nhưng vẫn chưa đạt được kết quả
mong muốn, tức là miêu tả được mọi định luật của tự nhiên trong mọi hệ quy chiếu. Ông cuối
cùng vượt qua được vấn đề này vào tháng 11 năm 1915 sau nhiều lần thất bại, và Einstein đi đến
được dạng đúng của phương trình trường hấp dẫn. Hầu như đồng thời với ơng, nhà tốn học
David Hilbert cũng tìm ra được phương trình trường nhờ phương pháp biến phân. Dựa vào kết
quả này, Einstein đã tính đúng ra sự dịch chuyển của điểm cận nhật của Sao Thủy, và giá trị độ
lệch của tia sáng bằng 2 lần giá trị ơng tìm ra vào năm 1911. Năm 1919, giá trị này đã được xác
nhận trong lần nhật thực tồn phần và đưa đến sự thành cơng của lý thuyết tương đối tổng quát
cũng như gâysự chú ý đối với thế giới.
Sau đó, nhiều nhà vật lý đã tìm ra các nghiệm chính xác của phương trình trường cũng như giới
thiệu các kỹ thuật nghiên cứu mới, đưa đến nhiều mơ hình vũ trụ học và kết quả kì lạ như sự tồn
tại của lỗ đen.
Lực hấp dẫn và độ cong của không thời gian:

VD: Hiệu ứng thấu kính hấp dẫn làm méo hình ảnh các thiên hà ở xa khi ánh sáng của chúng đi
qua đám thiên hà Abell 383.
Thuyết tương đối rộng giải thích lực hấp dẫn bằng độ cong hình học của khơng thời gian xác
định bởi:
-Vật chất và năng lượng làm cong không thời gian xung quanh chúng.
-Một vật rơi tự do dưới tác dụng của trường lực hấp dẫn chuyển động trên đường trắc địa giữa
hai điểm của không thời gian.


Không thời gian bốn chiều trong thuyết tương đối hẹp đã thật khó hình dung, vì vậy khơng thời
gian cong thậm chí cịn khó hơn nữa. Để minh họa nó, có thể giảm số chiều của khơng thời gian
xưống và lấy hình ảnh tương tự trong trường hợp mặt cong 2 chiều. Giả sử có hai chiếc xe chạy
trên mặt cầu, chúng bắt đầu tại đường xích đạo và lái hướng về phía bắc theo đường trịn lớn.
Lúc đầu hướng của hai xe này song song với nhau, mặc dù không bị tác động bởi lực nào khác,
cuối cùng hai xe sẽ gặp nhau tại cực bắc. Một quan sát viên đứng trên mặt cầu, anh ta sẽ không
biết bề mặt bị cong và cho rằng đã có một lực hút hai xe về phía lại gần nhau. Đây là một hiện
tượng thuần túy hình học. Do đó lực hấp dẫn đôi khi trong thuyết tương đối rộng được gọi là giả
lực.
Vì đường trắc địa nối hai điểm trong khơng thời gian khơng phụ thuộc vào đặc tính của vật rơi tự
do trong trường hấp dẫn, hiện tượng đã được Galileo Galilei phát hiện ra đầu tiên, nên hai vật ở
cùng cao độ sẽ rơi tự do với tốc độ như nhau. Trong cơ học Newton, điều này có nghĩa là khối
lượng quán tính và khối lượng hấp dẫn của một vật phải tương đương nhau. Phát biểu này cũng
là cơ sở cho thuyết tương đối rộng.
Cấu trúc toán học của thuyết tương đối rộng:
Trong khi nhiều tiên đoán của thuyết tương đối hẹp được miêu tả dựa trên cấu trúc tốn học gọn
nhẹ và đơn giản, thì cấu trúc toán học của thuyết tương đối rộng lại phức tạp hơn. Lý thuyết cần
các phương pháp của hình học vi phân để miêu tả không thời gian cong, thay thế cho hình học
Euclid của khơng gian phẳng quen thuộc đối với chúng ta.
Để miêu tả sự cong, một vật thể cong hoặc không gian cong thường được nhúng vào không gian
có số chiều cao hơn. Ví dụ, mặt cầu hai chiều thường được hình dung ra khi nó đặt trong khơng

gian ba chiều. Tuy nhiên, các nhà tốn học có thể miêu tả được độ cong mà không cần áp dụng
hình thức nhúng này, tức là nó khơng phụ thuộc vào khơng gian bên ngồi, một đặc điểm quan
trọng cần thiết của thuyết tương đối tổng quát. Ví dụ như việc một người sống trên mặt cong đo
tổng các góc trong của một tam giác trên mặt cong cho kết quả khơng bằng 180° thì người đó sẽ
hiểu rằng anh ta đang sống trong một mặt cong mà không cần phải “nhảy” ra khỏi bề mặt này.
Mối liên hệ giữa độ cong và vật chất-năng lượng cũng như chuyển động của hạt trong trường hấp
dẫn được xác định bằng phương trình trường Einstein. Nó là phương trình tenxơ đối xứng hạng
hai, tương ứng với hệ 10 phương trình khi viết tường minh. Đối với các hiện tượng vật lý hấp
dẫn, các nhà vật lý thường đưa phương trình về những dạng xấp xỉ ít phức tạp hơn để có thể thu
được những tính chất hữu ích. Phương trình trường Einstein như sau:

Đồng hồ trong trường hấp dẫn:
Trong thuyết tương đối rộng, tốc độ hoạt động của đồng hồ không chỉ phụ thuộc vào vận tốc
tương đối của chúng, mà còn phụ thuộc vào vị trí của nó trong trường hấp dẫn cũng như độ mạnh
yếu của trường. Một đồng hồ đặt trên đỉnh núi sẽ chạy nhanh hơn cái y hệt đặt dưới thung lũng.
Tuy hiệu ứng này là rất nhỏ trong trường hấp dẫn của Trái Đất, nhưng để máy thu GPS tránh
được các sai số trong tọa độ vị trí khi nó thu được từ tần số vệ tinh thì cần phải hiệu chỉnh thời
gian giữa máy thu và thời gian trên vệ tinh để cho chúng đồng bộ.
Vũ trụ học:
Trong khi thuyết tương đối hẹp áp dụng cho trường hợp hệ quy chiếu đang xét nằm trong vùng
khơng thời gian có độ cong nhỏ có thể bỏ qua được, thì thuyết tương đối tổng qt khơng địi hỏi
giới hạn này. Do đó nó có thể áp dụng cho tồn thể vũ trụ và lý thuyết đóng vai trị quan trọng
của ngành vũ trụ học. Vì thế, sự giãn nở của vũ trụ, như được tiên đoán bởi Alexander
Friedmann và Georges Lemtre từ phương trình trường Einstein cũng như kết hợp với hằng số


vũ trụ học (năng lượng tối) và một số yếu tố khác như vật chất tối đã trở thành mô hình chuẩn
của vũ trụ học. Sự giãn nở này bắt đầu từ Vụ Nổ Lớn xảy ra từ cách nay 13,8 tỷ năm trước. Nó
cũng là sự bắt đầu của khơng gian và thời gian khi tồn bộ vũ trụ tập trung trong một vùng khơng
gian có đường kính kích cỡ chiều dài Planck.

Lỗ đen:
Một tiên đoán khác của thuyết tương đối rộng đó là sự tồn tại của lỗ đen. Những vật thể này tạo
ra trường hấp dẫn rất mạnh khiến cho ánh sáng cũng bị hút vào chân trời sự kiện, do đó nó khơng
thể thốt ra khỏi lỗ đen. Einstein khơng thích thú với ý tưởng về sự tồn tại của vật thể này, và
ông cho rằng phải có một cơ chế vật lý nào đó ngăn cản sự hình thành lỗ đen. Nhiều dữ liệu quan
sát thiên văn vật lý ngày nay cho thấy quả thực có những lỗ đen ẩn nấp trong vũ trụ, và chúng có
thể là trạng thái tiến hóa cuối cùng của các ngôi sao lớn trong các thiên hà hoặc được hình thành
từ sự suy sụp hấp dẫn của các đám khí trong vũ trụ sơ khai.
Sóng hấp dẫn:
Sóng hấp dẫn phát ra từ hai sao neutron quay quanh nhau. Ở đây không thời gian được miêu tả
như một tấm màn hai chiều và chuyển động của hệ hai sao neutron gây ra những biến đổi trong
độ cong không thời gian (các gợn sóng lăn tăn) lan truyền xa dần ra bên ngồi với biên độ sóng
giảm dần.
Tương tự như sóng điện từ tiên đoán bởi lý thuyết điện từ của Maxwell, thuyết tương đối rộng
cho phép sự tồn tại của sóng hấp dẫn: sự tập trung của khối lượng (hay năng lượng) làm cong
không thời gian, và sự thay đổi của hình dáng hoặc vị trí của vật thể gây ra sự biến đổi và lan
truyền trong toàn bộ vũ trụ với tốc độ bằng tốc độ ánh sáng. Tuy nhiên, những biến đổi này rất
nhỏ mà các nhà vật lý vẫn chưa phát hiện được sóng hấp dẫn một cách trực tiếp. Một vụ nổ siêu
tân tinh năm 1987 có thể phát ra sóng hấp dẫn và được các trạm quan sát ngày nay (2011) phát
hiện được. Tuy vậy chỉ có hai trạm quan sát cho tới năm đó và độ nhạy của chúng không thể phát
hiện ra được những gợn không thời gian cực nhỏ này. Nhờ những quan sát quỹ đạo hệ pulsar đôi
chứng tỏ một cách gián tiếp sự tồn tại của sóng hấp dẫn. Russell Hulse và Joseph Taylor đã nhận
Giải Nobel Vật lý năm 1993 nhờ những quan sát này.
Ngày 17 tháng 3 năm 2014, một đoàn thám hiểm Mỹ sau một nghiên cứu 3 năm thông báo tại
buổi họp báo ở Harvard, rằng họ đã quan sát được sóng hấp dẫn ban sơ (primordial gravitational
waves) của giây phút ngay sau Big Bang. Tuy nhiên sau đó nhóm BICEP 2 và Planck đã hợp tác
cùng phân tích dữ liệu với nhau và đi đến kết luận là hình ảnh mà BICEP 2 nhận được chủ yếu
do ảnh hưởng của bụi trong Ngân Hà chứ khơng phải từ sóng hấp dẫn ngun thủy.
Sau hơn 40 năm khởi xướng, huy động vốn tài trợ từ Quỹ Khoa học Quốc gia (NSF), xây dựng
và nâng cấp, nhóm cộng tác khoa học Advanced LIGO thông báo ngày 11 tháng 2 năm 2016

rằng hai trạm thám trắc ở Livingstone, Lousiana và Hanford, Washington đã thu được trực tiếp
tín hiệu sóng hấp dẫn từ kết quả sáp nhập của hai lỗ đen khối lượng sao nằm cách Trái Đất
khoảng 1,3 tỷ năm ánh sáng. Phát hiện này đã mở ra thời kỳ mới của thiên văn sóng hấp dẫn.
Xác nhận bằng thực nghiệm
Sự thành công đầu tiên của thuyết tương đối hẹp đó là nó giải thích được sự mâu thuẫn trong kết
quả thu được ở thí nghiệm Michelson-Morley và lý thuyết điện động lực học, trong khi đó lý
thuyết điện động lực học còn được coi là cơ sở cho sự phát triển của thuyết tương đối hẹp. Lý
thuyết đã được chứng minh là đúng đắn qua rất nhiều thí nghiệm và thực nghiệm, như thí nghiệm
Ives–Stilwell. Một ví dụ điển hình đó là việc phát hiện muon trong tia vũ trụ, mà những hạt này
không thể tới bề mặt Trái Đất được với thời gian sống rất ngắn của chúng nếu khơng có hiệu ứng
giãn thời gian khi chúng chuyển động với tốc độ gần bằng với tốc độ ánh sáng, hoặc các hạt
muon chuyển động với một quãng đường ngắn hơn do sự co độ dài. Chứng cứ cho điều này đến


từ các cuộc bay bằng khinh khí cầu vào tầng bình lưu thực hiện bởi nhà vật lý Thụy Sĩ Auguste
Piccard trong các năm 1931 và 1932, mà quá trình chuẩn bị có sự tham gia của Einstein.
Cịn đối với lý thuyết tương đối rộng, ở thời điểm công bố nó mới chỉ có một bằng chứng thực
nghiệm có thể để kiểm chứng, đó là sự dịch chuyển điểm cận nhật trong quỹ đạo của Sao Thủy.
Năm 1919, Arthur Eddington dẫn đầu tổ chức hai đoàn thám hiểm quan sát hiện tượng nhật thực,
họ đo được sự dịch chuyển của vị trí biểu kiến của các sao gần Mặt Trời và xác nhận trực tiếp về
các tia sáng bị lệch khi đi qua trường hấp dẫn. Thí nghiệm Pound–Rebka kiểm tra dịch chuyển
đỏ do hấp dẫn thực hiện năm 1959 là thí nghiệm chính xác cao đầu tiên về thuyết tương đối tổng
quát.
Các thí nghiệm và thực chứng khác bao gồm: thấu kính hấp dẫn, phát hiện trực tiếp sóng hấp
dẫn, quan sát quỹ đạo của cặp sao xung, mô hình chuẩn vũ trụ học, thí nghiệm Gravity Probe
B…
Ngồi thuyết tương đối rộng nêu bởi Einstein, cũng có những lý thuyết hấp dẫn tương đối tính
khác được đề xuất dựa trên các cơ sở của thuyết tương đối rộng. Lý thuyết nổi bật nhất là lý
thuyết Jordan – Brans-Dicke, mặc dù đa số những lý thuyết này có cấu trúc phức tạp hơn. Sự
đúng đắn của các lý thuyết này vẫn chưa hồn tồn bị bác bỏ. Đã có nhiều thí nghiệm và thực

nghiệm nhằm kiểm tra thuyết tương đối tổng quát lẫn các lý thuyết thay thế khác.
Tiếp nhận và giải thích:
Nhận thức của cơng chúng:
Cách tiếp cận mới của thuyết tương đối về không gian và thời gian đã thu hút sự quan tâm của
công chúng kể từ khi lý thuyết ra đời. Einstein trở nên nổi tiếng và thuyết tương đối dần xuất
hiện trên các phương tiện truyền thơng. Với cách nói đơn giản mọi thứ đều tương đối, đôi khi lý
thuyết trở thành một lĩnh vực xem xét của chủ nghĩa tương đối trong triết học.
Trong bộ phim chiếu vào tháng 4 năm 1922 nhan đề “Những điều cơ bản của thuyết tương đối
Einstein”, với nhiều khung hình minh họa giải thích thuyết tương đối hẹp của Einstein trước
khán giả.
Những lời chỉ trích phê bình về thuyết tương đối bắt nguồn từ nhiều cách khác nhau, như hiểu sai
lý thuyết, chống đối những tiến bộ của toán học và vật lý hay liên quan đến nguồn gốc Do Thái
của Einstein. Từ thập kỷ 1920 một vài nhà vật lý ở Đức đã công khai chống người Do Thái, bao
gồm hai người đoạt giải Nobel là Philipp Lenard và Johannes Stark, với phong trào Deutsche
Physik chống lại thuyết tương đối. Vài năm sau khi Chủ nghĩa Quốc xã nắm quyền, Stark đăng
một bài viết trên tờ Das Schwarze Korps của SS số ngày 15 tháng 7 năm 1937 chống lại những
người trong nước còn theo ủng hộ thuyết tương đối và thuyết lượng tử. Trong số họ, Stark tố cáo
Werner Heisenberg và Max Planck là những người Do Thái trắng. Heisenberg đã đến gặp trực
tiếp Himmler và đạt được khơi phục danh dự của mình.
Khoa học cơng nhận:
Thời gian đầu thuyết tương đối mới ra đời chưa được cộng đồng khoa học công nhận, với Albert
Einstein nhận giải Nobel Vật lý năm 1921 với lý do có cống hiến cho nền vật lý lý thuyết và đặc
biệt cho hiệu ứng quang điện. Ngày nay, cả thuyết tương đối hẹp và thuyết tương đối rộng đã
được thừa nhận rộng rãi và chúng là những trụ cột cho ngành vật lý cũng như nền tảng trong sự
phát triển của các công nghệ hiện đại.
Kết luận:
Thuyết tương đối làm nên cuộc cách mạng về sự hiểu biết không gian và thời gian cũng như
những hiện tượng liên quan mà vượt xa khỏi những ý tưởng và quan sát trực giác. Những hiện
tượng này đã được miêu tả bằng những phương trình tốn học chính xác và xác nhận đúng đắn
bằng thực nghiệm. Khi được phát minh, thuyết tương đối chứa đựng lý thuyết cơ học cổ điển của

Isaac Newton có từ hơn 200 năm trước như là một trường hợp giới hạn của nó.Và do đó, thuyết
tương đối cũng thỏa mãn ngun lý tương ứng.
Mơ hình chuẩn của vật lý hạt mô tả bằng lý thuyết trường lượng tử, lý thuyết thống nhất giữa
thuyết tương đối hẹp và cơ học lượng tử. Với thuyết tương đối, ngành vũ trụ học và vật lý thiên
văn đã tiên đoán và quan sát thấy những hiện tượng thiên văn học kỳ lạ bao gồm sao neutron, lỗ
đen, sóng hấp dẫn, thấu kính hấp dẫn…
Thuyết tương đối tổng quát cùng với vật lý lượng tử là hai trụ cột chính yếu của vật lý hiện đại.
Hiện nay, các nhà vật lý đang nỗ lực thống nhất hai lý thuyết này trong một thuyết gọi là Lý
thuyết vạn vật (Theory of Everything). Mặc dù có nhiều bước tiến với những mơ hình khác nhau,
song nỗ lực thống nhất hai lý thuyết vẫn là một trong những thử thách lớn nhất của ngành nghiên
cứu vật lý cơ bản.

Bức tranh vật lí học về vũ trụ
Khoảng năm 340 trước CN, triết gia Aristotle, trong cuốn sách của ông nhan đề Về bầu trời, đã
chỉ ra rằng Trái Đất chúng ta là hình cầu (chứ khơng phải phằng như nhiều người tin trước đó) và
là trung tâm của Vũ Trụ. Ý tưởng này đã được Ptolemy phát triển thành một mơ hình vũ trụ hồn
chỉnh gọi là thuyết Địa Tâm. Thuyết này được nhà thờ Thiên Chúa giáo ủng hộ, vì nó có một ưu
điểm rất lớn là để dành khá nhiều chỗ cho thiên đường và địa ngục.
Năm 1554, Nicholas Copernicus, một mục sư người Ba Lan, đề xuất mơ hình mới hay thuyết
Nhật tâm cho rằng Mặt trời đứng yên, còn Trái đất và các hành tinh khác quay xung quanh nó.
Quỹ đạo chuyển động của các hành tinh, đã được Johannes Kepler chỉ ra, là hình elip chứ khơng
phải hình trịn (sau này được chứng minh trong cơng trình của Isaac Newton).
Năm 1867, Isaac Newton công bố tác phẩm kinh điển ‘Những ngun lí tốn học của triết học tự
nhiên’ gồm các định luật về chuyển động và luật hấp dẫn. Trong hệ thống của Newton, vẫn chịu
ảnh hưởng nhiều từ các tư tưởng trước đó, khẳng định rằng khơng gian và thời gian là tuyệt đối
và vẫn chưa chỉ ra được nguồn gốc của lực hấp dẫn.
Từ khi con người bắt đầu quan sát, khám phá vũ trụ, thì câu hỏi thường xuyên được thảo luận là:
liệu vũ trụ có điểm bắt đầu trong thời gian và có bị giới hạn trong không gian hay không? St.

Augustaine khẳng định rằng vũ trụ ra đời vào khoảng 5000 năm trước CN, phù hợp với sách
Sáng thế ký (quyển đầu của Kinh Cựu Ước) nhưng một số nhà tư tưởng khác (bao gồm Aristotle
và các triết gia Hy Lạp khác) lại tin rằng vũ trụ không thay đổi, tĩnh.
Năm 1929, Edwin Hubble đã chứng minh rằng vũ trụ đang giãn nở. Điều này gợi ý rằng, có một
thời điểm gọi là Vụ Nổ Lớn (Big Bang), tại đó vũ trụ vơ cùng nhỏ và vô cùng đặc (mật độ vô
hạn). Thời điểm Big Bang, cho tới nay, được công nhận là thời điểm bắt đầu của vũ trụ. Mọi định
luật vật lý (mà con người khám phá được cho tới thời điểm này) đều vô nghĩa trước thời điểm
Big Bang.
Năm 1905, Albert Einstein công bố thuyết Tương đối hẹp khẳng định không gian và thời gian là
tương đối; khơng gì có thể vượt qua vận tốc ánh sáng và vận tốc ánh sáng là như nhau đối với
mọi người quan sát. Hệ quả nổi tiếng nhất của thuyết Tương đối hẹp là khám phá ra mối quan hệ
giữa khối lượng và năng lượng qua công thức nổi tiếng E = mc2 . Thuyết tương đối hẹp cũng chỉ
ra rằng, khơng cịn hai thực thể độc lập là không gian và thời gian, chỉ cịn một thực thể duy nhất
là khơng – thời gian.
Năm 1915, cũng là Einstein, công bố thuyết tương đối rộng (hay thuyết tương đối tổng quát)
khẳng định rằng không-thời gian không phải là cơ cấu tĩnh, như mọi người vẫn nghĩ trước năm
1915, mà rất ‘năng động’. Không – thời gian khơng cịn phẳng mà sẽ bị cong do khối lượng của
vật chất chứa trong nó và khơng – thời gian cong sẽ ảnh hưởng đến cách thức mà các vật chuyển
động.


Năm 1965, Roger Penrose, nhà Vật lý và Toán học người Anh, đã chỉ ra sự tồn tại của điểm kì dị
trong khơng-thời gian hay cịn gọi là lỗ đen.
Năm 1970, trong một bài báo viết chung của Penrose và Stephen Hawking (tác giả cuốn sách),
đã chứng minh được rằng cần phải có điểm kì dị vụ nổ lớn chỉ với điều kiện thuyết tương đối
rộng là đúng và vũ trụ chứa một lượng vật chất như chúng ta quan sát thấy. Như vậy vũ trụ có
một điểm khởi đầu trong thời gian đã được chứng minh.
Tóm lại lịch sử của khám phá vũ trụ bắt đầu từ mơ hình ‘Địa tâm’ của Ptolemy đến mơ hình
‘Nhật tâm’ của Copernicus và đến mơ hình hiện đại trong đó trái đất chỉ là một hành tinh kích
thước vừa phải quay xung quanh một ngơi sao kích cỡ trung bình trong vùng biên của một thiên

hà xoắn ốc bình thường vốn chỉ là một trong triệu triệu triệu thiên hà của vũ trụ quan sát được.
Cấu tạo vật chất: Aristotle tin rằng vật chất được cấu tạo từ bốn yếu tố là đất, nước, khơng khí và
lửa. Ơng cũng tin rằng vật chất là liên tục và có thể chia nhỏ hơn một cách vô tận. Tuy nhiên,
một triết gia Hy Lạp khác, Democritus, lại tin rằng vật chất được cấu tạo từ các hạt không thể
phân chia được gọi là nguyên tử.
Năm 1830, John Dalton – nhà Vật Lý và Hoá Học người Anh – chỉ ra rằng các hợp chất hố học
ln ln được hố hợp theo những tỷ lệ nhất định có thể được giải thích là do các nguyên tử đã
cụm lại thành những đơn nguyên được gọi là phân tử.
Năm 1905, trong một bài báo, Einstein đã chỉ ra rằng chuyển động Brown là kết quả va chạm
của các nguyên tử chất lỏng với các hạt bụi. Cùng thời gian đó, J.J. Thompson, một nghiên cứu
sinh của trường Cambridge, đã chứng tỏ sự tồn tại của một loại hạt mà ông gọi là electron.
Năm 1911, Ernest Rutherford, nhà Vật Lý người Anh, đã chứng minh rằng các nguyên tử có cấu
trúc bên trong: gồm một hạt nhân mang điện dương và các electron mang điện âm quay xung
quanh. Đến năm 1932, James Chadwick, đồng nghiệp của Rutherford tại Cambridge, đã phát
hiện cấu tạo hạt nhân gồm hạt mang điện dương là proton và hạt không mang điện gọi là
neutron. Đến giữa cuối thế kỉ 20 người ta còn phát hiện nhiều hạt nhỏ hơn cả proton và neutron
và những hạt này được nhà Vật Lý Mỹ Murray Gell-Mann gọi là các hạt quark.
Năm 1900, Max Plank, nhà khoa học người Đức, đã cho rằng ánh sáng, tia X và các sóng khác
khơng thể được phát xạ với một tốc độ tuỳ ý mà thành từng phần nhất định gọi là lượng tử
(photon). Điều này đã được Einstein sau này chứng minh qua hiệu ứng quang điện (và ông nhận
giải nobel vì công trình này chứ không phải thuyết tương đối). Năm 1926, một nhà Vật Lý người
Đức khác, Werner Heisenberg phát minh ra Nguyên lý bất định nổi tiếng. Những năm sau đó,
Heisenberg và các nhà vật lý thiên tài Edwin Schrodinger và Paul Dirac đã xây dựng lại cơ học
với nguyên lý bất định là nền tảng thành một lý thuyết mới gọi là cơ học lượng tử.
Năm 1928, Paul Dirac là người đầu tiên kết hợp thành công cơ học lượng tử và thuyết tương đối
hẹp. Lý thuyết này của Dirac cịn tiên đốn được electron cịn có phản electron hay cịn gọi là
positron. Ngày nay, chúng ta biết rằng mỗi hạt đều có phản hạt của nó, vật chất có phản vật chất,
nhân loại có phản nhân loại…
Như vậy lúc này ánh sáng vừa có tính sóng, vừa có tính hạt (lưỡng tính sóng/hạt) và cơ học
lượng tử đã đưa vào một yếu tố không thể tránh khỏi và đã gây ra nhiều phản ứng bởi các nhà

khoa học, trong đó có Einstein, yếu tố ngẫu nhiên, bất định. Và dưới cái nhìn của cơ học lượng
tử, các lực trong tự nhiên, thay vì là những nguyên nhân bí ẩn, đã được chỉ ra là q trình trao
đổi các hạt. Có bốn lực cơ bản trong tự nhiên: lực hấp dẫn hình thành do sự trao đổi các hạt
graviton, lực điện từ là sự trao đổi các photon, lực hạt nhân yếu gây ra sự phóng xạ là sự trao đổi
các boson và cuối cùng là lực hạt nhân mạnh giữ cho các quark trong proton và neutron, proton
và neutron trong nguyên tử, là sự trao đổi các hạt gluon.
Kết luận


Hiện nay, khoa học hiện đại, với hai cột trụ là thuyết tương đối và cơ học lượng tử, đã có nhiều
thành tựu đáng kể trong khám phá nguồn gốc vũ trụ và cấu tạo thế giới vật chất. Nhiều mơ hình,
lý thuyết mới ra đời như lý thuyết thống nhất, lý thuyết dây,…, trong một nỗ lực thống nhất hai
cột trụ tương đối và lượng tử. Mặc dù còn nhiều hạn chế, chủ yếu là do chưa đủ khả năng thí
nghiệm kiểm chứng, nhưng những lý thuyết này cũng mang lại nhiều hướng mới trong việc giải
thích vũ trụ, cấu tạo vật chất.