Thuyết tương đối của Einstein chính xác đến đâu potx

Thuyết tương đối của Einstein
chính xác đến đâu
Các nhà khoa học vừa xúc tiến một dự án thuộc hàng siêu “khủng”,
nhằm kiểm tra độ chính xác của thuyết tương đối - một trong những lý
thuyết vật lý làm thay đổi hầu như toàn bộ nền khoa học hiện đại. Có điều, để
thực hiện được một dự án như vậy, ngoài trình độ tổ chức, năng lực của các
nhà khoa học, cần có khoản tiền không dưới 760 triệu đô la.
Dự ánđã đượccác nhà khoahọc công bố trong cuộc họpbáo tại Washington
cuối tháng Tư vừa qua.Các nhà khoahọc thuộc Đại học Stanfordđã lên tiếng
khẳng định giá trị vàđộ chính xác khoahọc được nêu ra trong lý thuyếttương đối
của nhà bác học Einstein.Tuy nhiên, để kiểm định cụ thể trong thực tế, cần triển
khai một dự ánnghiên cứukhoa học khổng lồ,kéo dài trong nhiều năm vớisự
thamgia của nhiềuchuyên giathuộc các lĩnhvực khácnhau.“Tư tưởng của
Einstein vẫnsống- giáo sư FrancisEveritt,Giámđốcchươngtrình Gravity ProbeB,
tự tin tuyênbố. Trái đấtvà các hànhtinh thực sự uốn cong không gian xung quanh
chínhnó - chính điều này đã tuân thủ đầy đủ các phươngtrình của thuyết tương
đối!”.
Cần nhớ lại rằng vào năm2004, NASAđã cho phóng vệ tinh mangtên
GravityProbe B lên quỹ đạo. Nó có nhiệm vụ đo lường hiệu ứng các tác độngtinh
tế của Tráiđất tới cấu trúc Không-Thời gian xungquanh hànhtinh này. Gravity
Probe Bchính thức làm việctừ 2005vàtruyền về mặt đất vô số thông tin không
thể nào ngờ trước đó… Vấn đề ở chỗ, người ta đã thiết kế trên vệ tinhnày những
con quayhồi chuyển chính xác chưa từng có,và bộ máyđã được định vị thường
trực khinhắm vàomột ngôi saorất xa (như một điểm thamchiếu).Thiết bị vệ tinh
siêu nhạy này đã “chộp bắt” được trục trôi của các con quayhồi chuyển để báo
“lỗi”trong khoảng 1/10.000 giây cung(arcseconds).
Trongnăm 2007, cácnhà bác họcMỹ đã chính thức công bố các kết quả phân
tích đầu tiên từ các dữ liệu GravityProbe B thuthập được.Đối với thuyết tương
đối rộng,các chuyêngia đã nhìn nhậnvới tinh thần lạc quan.Nhưng khiấy cũng
nảy sinhvấn đề khingười ta phát hiệnra có các lực bổ sungnào đó, liên quan đến
cấu trúccủa vệ tinh. Việctính toán để điềuchỉnh saocho các yếu tố “phát sinh” ấy

khôngảnhhưởng tới đối tượngđang theo dõi đã lấy đi “vèo” 5 năm trời bópđầu
bóp tráncủa các nhà vật lýthiên văn! Trongthực tế, các nhà nghiêncứu đã gắng
lưu lại toàn bộ dự án, các thông số và xử lý, phân tích lại hàngtỷ gigabyte thôngtin
nguồn.Và công trìnhtưởng “dã tràng xecát” này đã không phải vô ích: Einstein đã
đúng.
Ở độ cao 642km (tính từ Trái đất), độ dài chu vi quỹ đạo của vệ tinh là trên
40 ngànkm. Đường bay của vệ tinh GravityProbe Bcho thấy:giá trị chínhxác về
độ dài của quỹ đạo nàyngắnhơn khoảng3 cm - so với thôngsố tính theo quỹ đạo
hình họcEuclide. Độ “lệch” chuẩn này thậtthú vị, vì nócho thấy độ lõm biến dạng
trong thực tế (do bị “uốn cong”…). Vấnđề “lệch” chuẩn xảy ra do thực tế là khối
lượng của Trái đất giống như một không gian uốn cong,tạo ra “hốc”và vi phạmtới
nguyênlý các hìnhhọc phẳngcủa không gian.
“Khốilượng của Trái đất đã kéo hút Không-Thời gian, nói mộtcách ‘tương
đối’, vào một hìnhcong nôngnhư chiếc nón,- giáo sư Everittgiải thích.Biến dạng
này cóthể được biểu diễn như là cắt ramột miếng hình nêm nhỏ của chiếc bánh.
Kết quả là, bề mặt vòng tròn “uốncong” đến 2,8cm. Trong trường hợpcủa các vệ
tinh, conquay hồi chuyển quayquanh trục của nókhinó đi vào quỹ đạo, và tất cả
các thời gianđã bị từ chối bởi một góc‘lệch’ rấtnhỏ. Có điều,sau cả mộtnăm, lỗi
này đã liên tục tíchlũy thêm tới mức cácthiết bị đã có thể ‘chộpbắt’ tận tayđược
nó. Hiệuứngthứ hai -“sức hútkhung”, đó là hiện tượng phối hợpquán tính hệ
thống tọa độ kéo choTrái Đất quay.“Điều này tựa như việc hành tinh của chúng ta
đã đượcđắm mình trong mật ong” - FrancisEveritt sosánhmột cách hìnhảnh.
Hiệu ứngnày dẫn đến một độ “lệch” chậmchạp củatrục các con quaytrong mặt
phẳng xích đạo.Bằng những trang bị tối tân nhất, Gravity ProbeB đã tìm thấy độ
“lệch”của hiệu ứng này. Độ chính xác củasố đo hai hiệu ứng“lệch” đượcmô tả ở
trên là 0,25% và 19%. Hầu như nỗ lực của các nhà khoahọc đã gần đạt đượcmục
tiêu, khicác giá trị thu được về độ “lệch” của trục con quay hồichuyển rấtkhớp với
tiên lượng thiên tài củaAlber Einstein
Những kết quả phát hiện doGravity ProbeB đem lại - về cơ bản, đã xua tan
nghingờ của không ítnhà nghiêncứulâu nay với những câu hỏi hóc búa“phản

biện” thuyết tươngđối. Dù chương trình thẩm địnhtrên được triển khai khikhông
còn nhà vật lýthiên tài, nó vẫn sẽ mang lại kết quả hởi lòng hởi dạ chonhững tín
đồ của Thuyếttương đối. Vấn đề là phảitiêu tốn ngóttỷ đô - cái giá để xóa đi nỗi
ngờ vực hằng ám ảnh, kể từ ngày nhà bác học thiên tài đưa ra lý thuyết nghequá ư
“tương đối” củamình.
Năm 1905,Einsteincôngbố bài báo ZurElektrodynamikbewegterKorper
(Về điện độnglực học của các vật thể chuyển động), giới thiệu thuyết tươngđối
hẹp. Tớinăm 1916,Albert Einsteincông bố Thuyết tươngđối rộng (General
theoryof relativity)- trước đó, ông đã đưavào trong loạt bài giảng tại Viện Khoa
học Phổ, ngày 25 tháng 11 năm 1915.
Theo lýthuyết này, trọng lực không tồn tại như lựcriêng (như quan niệm
của Newton), mà chẳng qualà lựcquán tính, haylà hệ quả của độ cong trong
Không-Thời gian.Về mặt trực quan,cảm giácvề lực hấp dẫn khi ngồi trên mặt đất
giống cảm giáclúc trongthang máy đi lên (hoặctương tự trong xekhi đang tăng
tốc/giảmtốc). Lý thuyếttương đối rộng đã dẫn đếnmột kết quả là mọi vật chất
(hay khối lượng hoặc nănglượng) đềulàm congKhông-Thời gian, và độ cong này
tác động đếnđường rơi tự docủa cácvật chất khác(kể cả đường đi của ánhsáng).
Các quan điểm về bản chất ánh
sáng
Ánh sáng là một người bạn gẫn gũi của con người trong mọi hoạt động
hằng ngày, đôi khi sự tồn tại của chúng đối với con người như là một điều
hiển nhiên. Nói như vậy không có nghĩa con người luôn chấp nhận sự đồng
hành của người bạn ánh sáng đi bên cạnh mình mà không đặt vấn đề tìm
hiểu “cội nguồn” của chúng. Vậy ánh sáng từ đâu sinh ra?
Bản chất của ánhsáng là như thế nào? Vô vàncâu hỏi, vànhững thắc mắc mà
con người đã đặt ra choánh sáng.Nhưng dườngnhư người bạnánhsáng của
chúng ta lại rấtthích chơitrò “đánh đố”,vì vậy, tuycon người từ thời cổ đại xa xưa
đã “hỏi” ánhsáng như vậy, nhưng phải nói rằng chođến thế kỉ 20, con ngườimới
thật sự có được cái nhìn đúng đắnhơn đối với ánh sáng,song vẫn chưahoàn thiện.
Quátrình con người đi tìmcâu trả lời củaánhsáng là rất dàivà trải qua nhiềugiai

đoạn, có nhữnggiai đoạn tưởng chừngnhư đã tìm ra, nhưng rồi “gợi ý” mới của
ánh sáng lại xuất hiện vàcon ngườilại kiếmtìm. .
Ánh sángtrong con mắt củangười cổ và trung đại:
Empédocle (khoảng 490– 435 TCN)làtácgiả của lý thuyết về thị giác xa xưa
nhất.Liên quan đến ánh sáng,Empédocle cho rằng mắttruyền các“tiathị giác”
đến thế giới bên ngoài. Sở dĩ có lý thuyết về cáctia thị giác này một phần là do
niềmtin dân gian cho rằngcác con mắt có chứa “lửa. TheoEmpédocle, ánh sáng
khôngđi theo mộtchiều từ mắt tớivật; ánh sáng còn đi theo chiều ngượclại, từ vật
đến mắt.
Leucippe(khoảng460-370TCN): trái ngược với EmpédoclethìLeuccipe cho
rằng thế giới thị giác đến với chúng ta, và do đó về thựcchất thị giác là một trải
nghiệmthụ động. Dưới tácđộng củaánhsáng, các hìnhảnh về các vật quanh ta sẽ
tách khỏi bề mặt của vật, như dacủa một con rắn lộtxác tách khỏi cơ thể, và điđến
mắtchúng ta.
Aristolte(384-322TCN), là mộttriết gia thuộc trườngphái tự nhiên. Liên
quan đến thị giác, Aristoltebácbỏ dứt khoát các “tia thị giác” của Empédocle,bởi
theo ông lý thuyết này không giải thíchđược tại saochúng ta không nhìn thấy
trong bóng tối.Theo ông, sự tri giác các vật đượcthực hiện không phải thông qua
dòngvật chất, màbởi ấn tượng của chúnglên các giác quan.Như vậy mắt tiếp
nhậncác ấn tượng về màu sắc, hình dạng, chuyểnđộng,…
Euclide (khoảng 300 TCN): ông đã dùng toán học để ápdụng cho cáchiện
tượng tự nhiên, Euclideđưa ra tiên đề về tập hợpcác “tiathị giác”chứa trong một
hình nónmà đỉnh của nólà tâm củamắt và đáy là phạm vi nhìn thấy của mắt. Nhờ
có tiên đề mặt nónthị giác này và nhờ các tính toán hình học, ông đã giải thích
được tại saocây ở xa trông lại nhỏ hơn câyở gần.
ClaudePtolémée (khoảng 100-178):Ptolémée chorằng mắt đồng thời vừa là
máy phát vừa là máy thu:mắt phát racác “tia thị giác” có cùngbản chất vớiánh
sáng và màusắc.
Alhazen(965-1040):Alhazen đồng ý với quan điểm của Aristolterằng ánh
sáng đến từ bên ngoàiđi vào mắt, chứ không phải ngượclại. Theo ông, các tia sáng

thật sự tồn tại. Chúng lantruyền theo đường thẳng. Khi ánh sáng xungquanh chạm
vào mộtvật liền bị vậtnày phản xạ, từ mỗi điểm trên bề mặt của một vật có màu,
các chùm tiasáng lantỏa theo tất cả các hướng,và chỉ một tỉ lệ nhỏ của chúng đi
vào mắt chúngta. Ở đây Alhazen đã đưa ra ýtưởng về sự tán xạ ánhsáng.
FrancescoMaria Grimaldi (1618-1663):Ông đã tìm raphương thức truyền
ánh sáng thứ 4 ngòai 3 phương thức trướcđó đã tìm thấy là theo đường thẳng,
bằngphản xạ trên một mặtphẳng như gương chẳng hạn, và bằngkhúc xạ khithay
đổi môi trường. Phương thức thứ 4 đó là nhiễu xạ ánhsáng. Nghiên cứu này của
ông được công bố vào năm 1665.
Tronglịch sử khám phá,đã có nhiều lý thuyết để giải thích các hiện tượng tự
nhiênliên quan đếnánhsáng. Dưới đây là một số lý thuyết quantrọng:
Lý thuyết hạt ánh sáng:được Isaac Newtonđưa ra vào cuối thế kỷ XVII,cho
rằng dòngánh sáng là dòngdi chuyểncủa các hạt vật chất. Lý thuyết này giải thích
được hiện tượng phản xạ và mộtsố tính chất khác của ánh sáng; tuy nhiên không
giảithích được nhiều hiện tượngnhư giaothoa, nhiễuxạ, phân cực mang tínhchất
sóng.
Lý thuyết sóng ánh sáng:được Christiaan Huygensđưa ra, cho rằng dòng
ánh sáng là sự lan truyền củasóng. Lý thuyết này giải thích được nhiều hiệntượng
mang tính chấtsóng của ánh sáng như giao thoa, nhiễu xạ; đồngthời giải thíchtốt
hiện tượngkhúc xạ và phản xạ. Sau này Fresnen đã phát triểnthêm lý thuyết sóng
ánh sáng và giải thích được hiệntượng phân cực ánhsáng.
Lý thuyết sóng và lý thuyết hạt ánhsáng ra đời cùng thời điểm (thế kỷ 17) và
đã gây ra cuộc tranh luận lớn giữa haitrường phái.
Lý thuyết điện từ: sau khilý thuyếtsóng, lý thuyết hạt rađời và gây nhiều
tranh luận thìnăm 1865JamesClerk Maxwellđưa ra lý thuyếtđiện từ ánh sáng
dựa vào côngtrình nghiên cứu của Ampe,Pharaday. Theo đó ánh sáng là một
nhiễu loạn điện từ và vận tốcánh sángtrong mộtmôi trườngdo cáchằng số ε và µ
của môi trường đó xác định.Lý thuyết này đã thiết lập sự liênhệ giữa cáctính chất
điện và từ với tính chấtquang theo hệ thức: .
Tuy nhiên vì các đai lượngε và µ trong hệ phươngtrình Maxwellkhông phụ

thuộcvào bước sóng ánh sáng, cho nên lý thuyết điện từ ánh sáng vẫn chưa giải
thích được hiện tượngtán sắc ánhsáng.
Lý thuyết electron:được Lorenxođưa ra vào năm 1896nhằm khắc phục hạn
chế của lýthuyết điện từ, lý thuyếtnày đã cho rằnghằng số điện môi củamôi
trường phụ thuộc vào bước sóngcủa ánhsáng tới. Theođó đã giải thích được hiện
tượng tán sắc,hấp thụ ánhsáng; tuy nhiên lý thuyếtnày vẫn chưa giảithích được
nhiều hiện tượng cóliên hệ tới sự tương tác của anhs sángvới môi trường, đặc
biệt là sự phát xạ của vật đentuyệt đối.
Lý thuyết lượng tử nănglượng: được Plăng đưa ranăm 1900 để giải quyết
những khó khăn trên. TheoPlăng sự phát xạ trườngđiện từ do vật khôngthể xảy
ra mộtcách liên tụcmà là giánđoạn, nghĩa là thành từng lượng nănglượng tỉ lệ
với tần số bứcxạ (haytỉ lệ nghịch với bước sóng :
Mặcdù vậy nhưng lý thuyết lượngtử nănglượng chỉ mới đề cập đến tính
chất gián đoạn của nănglượng bứcxạ củavật đentuyệt đối mà chưa nêu rõ được
bản chất lượng tử năng lượng
Lý thuyết lượng tử ánh sáng:năm 1905 dựa vào địnhluật bảo toàn năng
lượng trong thế giới vi mô Anhxtanhphát triển thuyếtlượng tử Plăng đưara
thuyết lượng tử ánh sáng để giải thích cácđịnhluật quangđiện. Theo thuyết này
thì: ánh sáng không nhữngđược bức xạ mà còn bị hấp thụ vàtruyền đi thành từng
lượng năng lượng gián đoạn gọi là lượngtử ánhsáng.
Lượngtử ánh sángvề sau được gọi là photon,và thuyết lượng tử ánh sáng
còn gọi là thuyết photon. Thuyết lượng tử ánhsáng đã giải thích được hàng loạt
hiện tượngmà thuyết điện từ tỏ ra bất lực như: sự phát xạ, hấpthụ ánh sáng,các
hiện tượngquang điện, huỳnh quang,…Thuyết lượngtử ánh sáng không giốngvới
thuyết hạt ánhsángvì nó vẫngiữ cả những khái niệm sóng.Như vậy ánhsáng vừa
có tính chất sóngvừa có tính chất hạt, ta nói nó có lưỡngtính sóng– hạt.
Trongkhoahọc ngàynay chúng tađã có cách định nghĩahoàn chỉnh và chính
xác về ánh sáng: Ánh sáng là từ phổ thông dùng để chỉ các bức xạ điện từ cóbước
sóng nằm trong vùngquang phổ nhìn thấy được bằngmắt thường(tức là từ
khoảng 400nm đến 700nm). Giống như mọi bức xạ điện từ, ánh sáng cóthể được

mô tả như nhữngđợt sóng hạt chuyển động gọilà photon.