Lý thuyết dây cho rằng các hạt mà chúng ta nhìn thấy là các chuỗi năng lượng 1D. Tín dụng hình ảnh: Thư viện ảnh khoa học
Thuyết tương đối rộng được phát triển như một nỗ lực nhằm thống nhất các lực điện từ và lực hấp dẫn.
Đó là một nhiệm vụ đã ám ảnh Einstein trong hơn tám năm khi ông tìm cách đưa lực hấp dẫn vào thuyết tương đối hẹp vốn đã rất thành công của mình.
Trước khi thuyết tương đối rộng ra đời, Định luật hấp dẫn của Newton đã thống trị hơn hai thế kỷ, nhưng vẫn còn thiếu một thứ gì đó.
Lý thuyết xoay quanh một lực bí ẩn và vô hình được gọi là lực hấp dẫn giữ Vũ trụ lại với nhau, nhưng không đưa ra lời giải thích thực sự nào về nguyên nhân gây ra nó hoặc cách thức hoạt động của nó, mà chỉ có tác dụng của nó.
Khi công nghệ tiên tiến, các phép đo chính xác mới bắt đầu cho thấy những sai sót.
Các quan sát không phù hợp với lý thuyết, và vào đầu những năm 1900, mọi người đang tìm kiếm một lời giải thích mới về lực hấp dẫn.
Chính những vấn đề này mà Einstein đã tạo ra thuyết tương đối để khắc phục. Nhưng lý thuyết của ông kỳ lạ đến mức ngay cả sau khi đã cung cấp bằng chứng dứt khoát thì cũng phải mất vài năm thuyết tương đối rộng mới thực sự có chỗ đứng vững chắc.
Tuy nhiên, một khi nó đã thay đổi hoàn toàn cách chúng ta nhìn vào Vũ trụ của mình và bây giờ, 100 năm sau, nó củng cố gần như toàn bộ vật lý hiện đại.
Thuyết tương đối rộng phát biểu rằng mọi thứ có khối lượng, từ nguyên tử đến các thiên hà, đều nằm trong không thời gian bốn chiều bị uốn cong và định hình bởi các vật thể khi chúng di chuyển qua nó.
Vật có khối lượng càng lớn thì không thời gian xung quanh nó bị biến dạng càng nhiều.
Những nhiễu loạn này trong kết cấu của không thời gian sau đó tiếp tục ảnh hưởng đến mọi thứ di chuyển qua nó, bao gồm cả ánh sáng.
Ý tưởng này đã cung cấp nền tảng cho sự hiểu biết của chúng ta về lỗ đen, thấu kính hấp dẫn và sóng hấp dẫn.
“Thuyết tương đối rộng là một lý thuyết cực kỳ thành công,” Abhay Ashetekar, giám đốc Viện Lực hấp dẫn và Vũ trụ tại Đại học bang Pennsylvania, nói.
“Nhưng nó có những hạn chế. Vào thời điểm bắt đầu của Vũ trụ hoặc bên trong một lỗ đen, thuyết tương đối dự đoán rằng các giới hạn vật lý trở nên vô hạn và vật lý như chúng ta biết sẽ kết thúc.
Điều này cho thấy rằng lý thuyết đã bị đẩy ra ngoài giá trị của nó.
Đó là tín hiệu cho thấy cần có một lý thuyết mới.”
Giờ đây, các nỗ lực đang được thực hiện để dung hòa nó với lý thuyết vĩ đại khác về Vũ trụ của chúng ta: cơ học lượng tử, vật lý ở cấp độ nano trong đó mọi thứ được tạo thành từ các đơn vị riêng biệt gọi là lượng tử. Nhưng hợp nhất hai hệ thống xung đột này không phải là điều đơn giản.
Khi lực hấp dẫn xử lý ở dạng tuyệt đối, khi mọi hành động gây ra một phản ứng đã biết, thì cơ học lượng tử chỉ đưa ra xác suất của một điều gì đó xảy ra. Cố gắng kết nối chúng thành một lý thuyết về ‘lực hấp dẫn lượng tử’ đã đạt được rất ít thành công.
Nỗ lực nổi tiếng nhất để làm như vậy là lý thuyết dây, giả định rằng cái mà chúng ta thấy là các hạt thực ra đang dao động các dây năng lượng một chiều.
Các lý thuyết khác, chẳng hạn như lực hấp dẫn vòng lượng tử, cố gắng lượng tử hóa lực hấp dẫn, tạo điểm ảnh cho kết cấu không thời gian thành các lượng tử riêng lẻ để nếu bạn có thể nhìn cận cảnh nó, bạn sẽ thấy cấu trúc không thể nhìn thấy ở quy mô vĩ mô. “
Thuyết tương đối rộng hấp thụ các trường hấp dẫn vào chính hình học của không thời gian,” Ashetekar nói.
“Nếu điều đó đúng thì hình học của không thời gian phải là cơ học lượng tử. Bản thân không thời gian nên có các khối xây dựng cơ bản. Nên có các nguyên tử hình học.”
Thật không may, việc cố gắng quan sát những ‘nguyên tử hình học’ này hiện nằm ngoài khả năng của công nghệ.
Đây là một trong những vấn đề cơ bản mà những người nghiên cứu lực hấp dẫn lượng tử gặp phải.
Mặc dù có thể tạo ra các mô phỏng và phương trình tinh tế để mô tả Vũ trụ, nhưng việc chứng minh chúng lại đặc biệt khó khăn.
Có những đội đang cố gắng tìm ra dấu vết của cơ học lượng tử để lại trong Vũ trụ rất sơ khai bằng cách quan sát, ví dụ, nền vi sóng vũ trụ.
Tuy nhiên, việc cố gắng kiểm tra trực tiếp các lý thuyết này đòi hỏi một lượng năng lượng phi thường, vượt xa khả năng sản xuất của loài người hiện nay.
Nhưng không có gì lạ khi lý thuyết khoa học đưa ra những dự đoán vượt quá giới hạn của những gì có thể kiểm tra, chỉ để công nghệ bắt kịp sau này.
Martin Hendry, giáo sư về lực hấp dẫn và vật lý thiên văn tại Đại học Glasgow, lưu ý rằng đây là trường hợp của một hiện tượng khác được tiên đoán bởi thuyết tương đối rộng: sóng hấp dẫn.
“Sóng hấp dẫn được tạo ra bởi các nguồn vật lý thiên văn trong Vũ trụ di chuyển trong không thời gian, khi các vật thể như lỗ đen và sao neutron va chạm và kết hợp với nhau. Sau đó, chúng lan ra như những gợn sóng trong ao.”
Việc tìm kiếm các sóng hấp dẫn này (hay ‘sóng hấp dẫn’ theo cách gọi của những người nghiên cứu chúng) là trọng tâm chính của nghiên cứu ngày nay.
Chúng được đề xuất ngay sau khi bài báo năm 1915 của Einstein được xuất bản, nhưng phải mất cả thế kỷ xen kẽ để công nghệ bắt kịp mức mà chúng ta có thể tìm thấy chúng.
Các máy dò ngày nay rất lớn, sử dụng tia laze để đo chính xác khoảng cách vài km, tìm kiếm những thay đổi nhỏ có thể gây ra bởi sóng hấp dẫn truyền qua và kéo dài hoặc co lại không thời gian.
Đó không phải là nhiệm vụ dễ dàng, vì những thay đổi đang được tìm kiếm nhỏ hơn kích thước của một nguyên tử.
May mắn thay, hai trong số những máy dò lớn nhất, LIGO và VIGRO, đang trong quá trình nâng cấp.
Có lẽ sau đó cuối cùng họ sẽ có thể ghi lại một; rất có thể là do hai vật thể khổng lồ va chạm với nhau.
Hendry cho biết: “Cho đến nay, những nhiễu loạn này đã bị lấn át hoàn toàn bởi những nhiễu loạn khác do tất cả các loại nguồn tiếng ồn cục bộ.
“Nhưng ứng cử viên hàng đầu cho các tín hiệu thiên văn có thể được phát hiện là sự kết hợp của các hệ nhị phân nhỏ gọn.”
Khi các nguồn dày đặc xoáy vào nhau và hợp nhất với nhau, một lượng năng lượng hấp dẫn khổng lồ được tỏa ra dưới dạng sóng.
Chúng có thể đủ lớn để được phát hiện ở đây trên Trái đất.
Mặc dù những sóng như vậy vẫn chưa được phát hiện trực tiếp, nhưng đã có một số bằng chứng gián tiếp về chúng.
“Có một hệ nhị phân sao neutron, hệ nhị phân Hulse-Taylor, có lẽ là bằng chứng thuyết phục nhất mà chúng ta có rằng sóng hấp dẫn tồn tại,” Hendry nói.
“Thuyết tương đối rộng dự đoán rằng năng lượng sẽ tỏa ra dưới dạng sóng hấp dẫn, khiến quỹ đạo co lại.
Sự thay đổi trong các tham số quỹ đạo của hệ thống nhị phân đó rất phù hợp với các dự đoán của thuyết tương đối rộng.”
Tuy nhiên, một trong những vấn đề lớn nhất mà những người chạy máy dò phải đối mặt là biết phải tìm gì.
“Một trong những điều thú vị về thuyết tương đối rộng là nó phi tuyến tính, bạn không thể chồng hai trường hấp dẫn,” Harvey Reall, giáo sư vật lý lý thuyết tại Đại học Cambridge, nói.
Điều này có nghĩa là bạn không thể đơn giản cộng hai trường hấp dẫn lại với nhau, chẳng hạn như trường hấp dẫn của Mặt trời và Trái đất, và tìm ra chính xác kết quả cuối cùng sẽ là gì.
Mặc dù có nhiều phép tính gần đúng tốt cho trường hấp dẫn yếu, nhưng khi trường hấp dẫn mạnh – giống như xung quanh một lỗ đen – việc kết hợp các tác động của cả hai là gần như không thể thực hiện trực tiếp.
Thay vào đó, các nhà nghiên cứu phải chạy mô phỏng máy tính để ước tính.
Reall cho biết: “Các nhà nghiên cứu đã bắt đầu mô phỏng các lỗ đen hợp nhất vào những năm 1970.
“Họ có thể thực hiện một quỹ đạo trước khi mã bị lỗi. Nhưng vào năm 2005, hai đội cuối cùng đã giải quyết được vấn đề.
Bây giờ người ta thường xuyên trích xuất sóng hấp dẫn phát ra từ các lỗ đen và sao neutron.”
Biết được loại sóng hấp dẫn nào có thể được phát ra giúp công việc chọn ra tín hiệu từ tiếng ồn nói chung trở nên dễ dàng hơn nhiều.
Với thế hệ máy dò tiếp theo đã được lên kế hoạch, người ta hy vọng rằng sóng hấp dẫn sẽ được phát hiện trong vài thập kỷ tới.
“Một khi chúng ta biết cách quan sát Vũ trụ bằng sóng hấp dẫn, hy vọng là chúng ta sẽ nhìn thấy những thứ hoàn toàn không bị phát hiện.
Đó sẽ là một cách hoàn toàn mới để làm thiên văn học,” Reall nói.
Sóng hấp dẫn sẽ mở ra một cách mới để nghiên cứu vũ trụ, vì thuyết tương đối đã cho chúng ta một khuôn khổ mới để suy nghĩ về thế giới xung quanh chúng ta.
Một trăm năm sau khi Einstein lần đầu tiên đề xuất lý thuyết vĩ đại của mình, các nhóm nghiên cứu trên khắp thế giới đang làm việc với và phát triển các phương trình của ông, đưa ra những câu hỏi mà thậm chí một thế kỷ trước chưa ai nghĩ sẽ hỏi.
Hy vọng rằng vào thời điểm kỷ niệm 100 năm tới, chúng ta sẽ có ít nhất một số câu trả lời.
Mười năm trước lý thuyết tổng quát của mình, Einstein đã xuất bản một bài báo về thuyết tương đối hẹp.
Điều này khẳng định rằng dù bạn có di chuyển nhanh đến đâu thì các định luật vật lý vẫn không thay đổi trong phạm vi tham chiếu của chính bạn.
Một trong những khái niệm chính là giới hạn tốc độ phổ quát của ánh sáng.
Trước Einstein, người ta cho rằng tốc độ ánh sáng thay đổi tương đối so với người quan sát.
Nếu bạn đang chuyển động so với một nguồn sáng, thì sự khác biệt về tốc độ này sẽ thay đổi tốc độ ánh sáng, giống như nếu bạn đang lái xe trên đường cao tốc và vượt một phương tiện khác, nó sẽ có vẻ như đang di chuyển chậm hơn so với bạn. tốc độ thực tế của nó.
Thuyết tương đối nói rằng tốc độ ánh sáng vẫn cố định, bất kể tốc độ của người quan sát là bao nhiêu. Thay vào đó, kết cấu của không thời gian thay đổi để đảm bảo giới hạn tốc độ được duy trì.
Phần ‘đặc biệt’ về lý thuyết ban đầu này là nó chỉ xem xét những gì xảy ra đối với các vật thể chuyển động với vận tốc cao.
Khi soạn thảo lý thuyết chung của mình, Einstein đã lấy những ý tưởng này và áp dụng chúng cho toàn bộ Vũ trụ, chẳng hạn như khi các vật thể đang tăng tốc.
Điều này rất quan trọng vì khi đó ông có thể thay thế các tác động của gia tốc bằng những tác động do lực hấp dẫn gây ra, mang lại cho ông khuôn khổ sẽ tiếp tục hình thành nên cơ sở của hầu hết vũ trụ học hiện đại.
Bài viết này ban đầu xuất hiện trong số tháng 6 năm 2015 của Tạp chí BBC Sky at Night .