Thuyết tương đối rộng của Albert Einstein là lí thuyết quan trọng nhất trong vật lí hiện đại. Tuy nhiên, trong suốt 100 năm kê từ khi giới thiệu cho đến nay, người ta vẫn chưa thể tạo ra các điều kiện thí nghiệm cực hạn nhằm kiểm chứng lí thuyết này một cách trọn vẹn.

Năm 1915, thiên tài vật lí Albert Einstein đã công bố thuyết tương đối rộng diễn tả lực hấp dẫn như một tính chất cơ bản của không thời gian. Đồng thời, ông dùng các phương trình để biểu thị sự tương quan giữa năng lượng, động lượng của vật chất và bức xạ trong một trạng thái cụ thể. Từ đó đến nay đã 100 năm trôi qua, thuyết tương đối đã trở thành trụ cột của vật lí hiện đại và bất cứ ai tiếp cận tới vật lí đều phải chấp nhận nó. Tuy nhiên, các nhà khoa học luôn muốn tạo ra những điều kiện cực hạn nhằm kiểm chứng thuyết tương đối một cách trọn vẹn.

Kiểm chứng học thuyết của Einstein

Giờ đây, các nhà khoa học cho biết rằng họ đã có trong tay đủ công nghệ để bắt đầu truy tìm những bằng chứng của thuyết tương đối. Clifford Will, nhà vật lí lí thuyết tại Đại học Florida đã phát biểu: "Đối với tôi, những điều mà thuyết tương đối rộng đã làm trong suốt 100 năm qua là thật sự tuyệt vời. Những gì Einstein viết chính là thứ mà chúng ta sử dụng ngày nay." Will cho biết, thuyết tương đối diễn tả sự hấp dẫn không phải là một lực như thuyết cổ điển của Isaac Newton, là một sự uốn cong không gian và thời gian do khối lượng của vật thể.

Theo đó, nguyên nhân Trái Đất có quỹ đạo quay quanh Mặt Trời không phải vì nó hút Trái Đất, mà là do Mặt Trời đã bẻ cong không - thời gian. Có thể hình dung như bạn bỏ một quả bóng bowling vào một tấm chăn đang căng ra và tấm chăn sẽ uống cong theo hình dạng của quả bóng. Bên cạnh đó, thuyết tương đối còn đưa ra những dự đoán về lỗ đen, nơi mà không thời gian bị bẻ cong đến mức độ không có gì ở bên trong nó kể cả ánh sáng có thể thoát ra ngoài. Ngoài ra, thuyết tương đối rộng còn cung cấp cơ sở lí thuyết cho tiến trình dãn nỡ ngày càng nhanh của vũ trụ.

Trên thực tế, thuyết tương đối rộng đã được xác nhận qua nhiều vấn đề thực tiễn. Chính bản thân Einstein đã nổi tiếng bằng cách dự đoán chính xác quỹ đạo chuyển động của sao Thủy, điều mà các định luật vật lí của Newton không thể diễn tả chính xác. Thuyết của Einstein còn dự đoán rằng nếu một vật thể có khối lượng đủ lớn thì nó sẽ có thể uốn cong ánh sáng. Đây là hiệu ứng thấu kính hấp dẫn và thường được các nhà thiên văn học dùng trong việc dò tìm các ngoại hành tinh.

Tuy nhiên, nhà nghiên cứu Will cho biết rằng "Vẫn còn thiếu một mảnh bằng chứng để khảo sát có gì sai với thuyết tương đối rộng hay không. Điều quan trọng là phải kiểm chứng học thuyết trong những điều kiện chưa từng được thực hiện trước đây." Về cơ bản, lập luận của thuyết tương đối rộng hoàn toàn có thể lí giải được những tính chất của lực hấp dẫn thông thường, những hoạt động của con người trên Trái Đất hoặc của những hành tinh. Tuy nhiên, chưa từng có thử nghiệm nào đặt thuyết tương đối vào trong những trạng thái cực hạn, những vùng nằm trong ranh giới của vật lí.

Do đó, các nhà nghiên cứu quyết định kiểm chứng thuyết tương đối rộng bằng các gợn của độ cong của không thời gian. Đây được gọi sóng hấp dẫn và được sinh ra trong những sự kiện dữ dội như trong lúc 2 vật thể đang hợp nhất, bên trong lỗ đen hoặc các đối tượng vô cùng dày đặc như sao neutron. "Những trận pháo hoa vũ trụ này" sẽ sản sinh ra những đốm sáng rất nhỏ trong không - thời gian. Điển hình như một sự kiện như vậy có thể thay đổi những khoảng cách tưởng chừng như tĩnh trên Trái Đất. Nếu 2 hỗ đen va chạm và sáp nhập trong thiên hà Milky Way, sóng hấp dẫn sinh ra sẽ kéo dài và nén 2 vật thể trên Trái Đất cách nhau 1 mét, khiến khoảng cách giữa chúng giảm đi khoảng 1/1000 đường kính của hạt nhân nguyên tử.

Theo Will, giờ đây các nhà khoa học đã có thể thực hiện thử nghiệm với khả năng phát hiện ra phát hiện ra gợn sóng không thời gian từ các sự kiện trên. Ông cho biết: "Trong vài năm tới, chúng ta sẽ có rất nhiều cơ hội trực tiếp phát hiện ra sóng hấp dẫn." Hiện tại, hệ thống giao thoa kế laser nhằm quan sát sóng hấp dẫn (LIGO) đặt tại thành phố Richland, Washington, và Livingston, Louisiana đang được sử dụng để phát hiện ra sóng hấp dẫn thông qua những biến dạng cực nhỏ trong 2 bộ dò dài, hình chữ L. Khi những gợn sóng không thời gian đi qua hệ thống này, chúng sẽ kéo dài và nén không gian, làm thay đổi độ dài của cảm biến và LIGO sẽ đo được sự thay đổi này.

Hệ thống LIGO đã đi vào hoạt động từ năm 2002 nhưng sau đó chưa thể phát hiện ra bất cứ gợn sóng hấp dẫn nào. Vào năm 2010, nó tạm ngừng hoạt động để tiến hành nâng cấp lên phiên bản mới mang tên Advanced LIGO và theo dự kiến sẽ tái khởi động vào cuối năm nay. Ngoài LIGO, các nhà khoa học cũng đang thực hiện hàng loạt các thí nghiệm nhằm phát hiện ra sóng hấp dẫn như dùng sự giao thoa của các nguyên tử siêu lạnh, xác định chênh lệch thời gian đi tới Trái Đất của những tín hiệu từ sao xung hoặc xác định tác động của sóng hấp dẫn nguyên thủy trên nền vi sóng vũ trụ,…

Mục tiêu dài hạn hơn của vật lí hiện đại: Hợp nhất thuyết tương đối và cơ chế lượng tử

Tuy nhiên, Will cho rằng nếu các nhà khoa học phát hiện ra sóng hấp dẫn thì điều đó chỉ tiếp tục củng cố cho lập luận của thuyết tương đối: "Theo tôi, chúng ra sẽ tiếp tục chứng minh tính đúng đắn của thuyết tương đối rộng." Nếu là vậy thì cần gì phải tiếp tục thực hiện nó? Xin thưa một trong những mục tiêu dài hạn của vật lí hiện tại còn là hợp nhất thuyết tương đối rộng và cơ chế lượng tử. Nói cách khác là hợp nhất khoa học của thế giới vĩ mô với thể giới cực nhỏ.

Tuy nhiên, Will cho rằng nếu người ta phát hiện ra những thứ khác, thí dụ như hấp dẫn lượng tử, thì thuyết tương đối rộng phải tiếp tục được điều chỉnh và củng cố lại. Mặt khác, bất cứ thử nghiệm khả thi nào có khả năng phát hiện ra các hiệu ứng của hấp dẫn lượng tử đều đòi hỏi một lượng năng lượng cực kì lớn và đây chính là điều bất khả thi. "Nhưng bạn sẽ không bao giờ biết được rằng, có thể có những hiệu ứng kì lạ trong thế giới lượng tử vốn cực kì nhỏ nhưng có thể phát hiện được."

Theo Tinh Tế.