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 thếkỉ20. Công bốvào năm 1916, nó giải thích cái chúng ta
cảm nhận là lực hấp dẫn thực ra phát sinh từsựcong của không gian và thời gian.
Einstein đề xuất rằng các vật thểnhưmặt trời và trái đấtlàm thay đổi dạng
hình học này. Trong sựcó mặt của vật chất và năng lượng, nó có thểtiến triển, kéo
căng ra và cuộn lại, hình thành nên các gợn, đỉnh và hõm, làm cho các vậtđang
chuyểnđộng qua nó bịzig zag và cong đi. Cho nên, mặc dù trái đấtbịhút vềphía
mặt trời bởi lực hấp dẫn, nhưng không có lực nào nhưvậy cả. Nó đơn giản là hình
dạng của không-thời gian xung quanh mặt trời cho trái đất biết phảiđi theo hướng
nào mà thôi.
Lí thuyết tương đối rộng có các hệquảsâu rộng. Nó không chỉgiải thích
chuyểnđộng của các hành tinh; mà nó còn mô tảlịch sửvà sựgiãn nởcủa vũtrụ,
cơsởvật lí của các lỗ đen và sựcong của ánh sáng phát ra từnhững ngôi sao và
thiên hà xa xôi.
Thuyết tương đối rộng: trí tuệxuất chúng của Einstein
Năm 1905, ởtuổi 26, Albert Einstein đề xuất lí thuyết tương đốiđặc biệt. Lí
thuyết trên dung hòa cơsởvật lí của các vậtđang chuyểnđộng do galileo Galilei và
Newton phát triển với các định luật của bức xạ điện từ. Nó thừa nhận rằng tốcđộ
của ánh sáng luôn luôn không đổi, bất kểchuyểnđộng của ngườiđo nó nhưthế
nào. Thuyết tương đốiđặc biệt cho rằng không gian và thời gian hòa quyện với
nhau đến một mứcđộ trướcđó chưa bao giờngười ta tưởng tượng ra.
Sang năm 1907, Einstein bắtđầu thửmởrộng thuyết tương đốiđặc biệtđể
bao hàm cảsựhấp 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 ngờmột ý tưởng nảyđến
với tôi”, ông nhớlại. “Nếu nhưmột người rơi tựdo, anh ta sẽkhông cảm nhận thấy
sức nặng của mình... Thí nghiệm tưởng tượng đơn giản này... đã đưa tớiđến lí
thuyết của sựhấp dẫn”. Ông nhận ra rằng có một mối liên hệsâu sắc giữa các hệbị
ảnh hưởng bởi sựhấp dẫn và các hệ đang gia tốc.
Đang rơi tựdo sẽkhông cảm nhận trọng lượng ? (Ảnh: Matt King/Getty)
Bước phát triển lớn tiếp theo xuất hiện khi Einstein được giới thiệu cơsở
hình học phát triển bởi các nhà toán họcĐức thếkỉthứ19, Carl Friedrich Gauss và
Bernhard Riemann. Einstein áp dụng công trình của họ để viết nên các phương
trình liên hệhình học của không-thời gian với lượng năng lượng mà nó chứa. Ngày
nay được gọi là các phương trình trường Einstein, và công bốvào năm 1916,
chúng thay thếcho định luật vạn vật hấp dẫn của Newton và vẫn sửdụng cho đến
ngày nay, sau gần một thếkỉ.
Sửdụng thuyết tương đối rộng, Einstein đã đưa ra một loạt dự đoán. Thí dụ,
ông chỉra lí thuyết của ông sẽdẫnđến sựtrôi giạt quan sát thấy của quỹ đạo Thủy
tinh nhưthếnào. Ông còn tiên đoán rằng một vật khối lượng lớn, nhưmặt trời, sẽ
làm méo hành trình của ánh sáng đi qua gần nó: tóm lại, hình dạng của không gian
sẽtác dụng nhưmột thấu kính và làm tập trung ánh sáng.
Einstein còn cho rằng bước sóng của ánh sáng phát ra ởgần một vật thểkhối
lượng lớn sẽbịkéo căng ra, hay lệch đỏ, khi nó trèo ra khỏi không-thời gian bị
cuộn lạiởgần vật thểnặng đó. Những tiên đoán này ngày nay được gọi là ba phép
kiểm tra cổ điển của thuyết tương đối rộng.
Mô hình Chuẩn của vũtrụ
Theo Mô hình Chuẩn, cái đã được các nhà vật lí chắp ghép trong hơn 70 năm
qua, vũtrụ được tin là cấu tạo từvật chất (4% nguyên tửvà 20% “vật chất tối”
chúng ta không thểquan sát hoặc giải thích) và năng lượng (76% “năng lượng tối”).
Mô hình Chuẩn của ngành vật lí hạt cơ: AAAS
Xem thêm: Các lực trong tựnhiên
Mô hình Chuẩn giải thích phương thức 17 hạt hạnguyên tửliên kết với nhau
để tạo ra các nguyên tửvà sau đó là vật chất bởi ba trong sốbốn lực cơbản của tự
nhiên: lực hạt nhân mạnh, lực hạt nhân yếu, và lựcđiện từ. Nó ngoại trừlực thứtư:
lực hấp dẫn.
Các hạtấy chia làm hai loại: boson, hạt truyền lực, và fermion, hạt cấu tạo
nên vật chất.
Fermion gồm có 6 dạng quark và 6 dạng lepton. Mỗi lepton có một neutrino
tương ứng (một hạt mang năng lượng có khối lượng rất thấp và vận tốc cao) và tất
cảnhững hạt này còn có các phiên bản phản vật chất, chúng hành xửtheo kiểu
giống với vật chất, nhưng phân hủy khi tiếp xúc với vật chất, biến khối lượng của
hai hạt thành năng lượng thuần túy.
Gần nhưtoàn bộvật chấtđược hình thành bởi hai loại quark: quark lên (up)
và quark xuống (down) – và một loại lepton: electron. Bốn quark còn lại (đỉnh,
duyên, lạvà đáy) và năm lepton (neutrino electron, muon, neutrino muon, tau và
neutrino tau) đơn giản là những phiên bản lớn hơn của ba loạihạt cơbảnđó.
Các boson chia làm bốn loại, chúng trung chuyển ba lực cơbảnđã nhắc tớiở
trên. Boson quen thuộc nhất là photon trung chuyển lựcđiện từ, giải thích cho các
hiện tượng điện, từvà ánh sáng. Boson W và boson Z trung chuyển lực hạt nhân
yếu và các gluon trung chuyển lực hạt mạnh liên kết các quark với nhau thành
những hạt lớn hơn nhưneutron và proton.
Mô hình Chuẩn còn tiên đoán sựtồn tại của boson Higgs, nhưng cho đến nay
nó chưađược tìm ra. Người ta cho rằng hạt này có thểgiải thích cho cơchếmà tất
cảcác hạt khác có được khối lượng.
Graviton là một boson lí thuyết khác nữa có thểtrung chuyển lực hấp dẫn.
Nếu nó được tìm thấy, thì Mô hình Chuẩn cuối cùng đã có thểbịthay thếLí thuyết
của Tất cả, lí thuyết thống nhất cảbốn lực cơbản của tựnhiên.