Liệu ánh sáng có thực sự bị bẻ cong khỏi đường thẳng của nó bởi khối lượng Trái Đất không? Làm thế nào ánh sáng, vốn không có khối lượng, có thể bị ảnh hưởng bởi lực hấp dẫn? Einstein thích suy nghĩ rằng không gian và thời gian bị ảnh hưởng bởi sự hiện diện của một khối lượng lớn; chùm ánh sáng và mọi thứ khác di chuyển trong không gian và thời gian, sẽ tìm thấy đường đi của chúng bị ảnh hưởng. Ánh sáng luôn đi theo con đường ngắn nhất - nhưng con đường đó có thể không phải lúc nào cũng thẳng. Ý tưởng này cũng đúng với chuyến du hành của con người trên bề mặt cong của hành tinh Trái đất. Giả sử bạn muốn bay từ Chicago đến Rome. Vì máy bay không thể đi qua khối cầu rắn của Trái Đất nên khoảng cách ngắn nhất không phải là một đường thẳng mà là cung của một vòng tròn lớn.
Sự liên kết giữa Khối lượng, Không gian và Thời gian
Để cho thấy cái nhìn sâu sắc của Einstein thực sự có ý nghĩa như thế nào, trước tiên chúng ta hãy xem xét cách chúng ta xác định vị trí của một sự kiện trong không gian và thời gian. Ví dụ, hãy tưởng tượng bạn phải mô tả cho các viên chức nhà trường lo lắng về ngọn lửa bùng phát trong phòng của bạn khi một người bạn cùng phòng thử nấu thịt nướng trong lò sưởi. Bạn giải thích rằng ký túc xá của bạn ở 6400 College Avenue, một con đường chạy theo hướng trái-phải trên bản đồ thị trấn của bạn; bạn đang ở trên tầng thứ năm, nơi cho biết bạn đang ở đâu theo hướng lên-xuống; và bạn là phòng thứ sáu quay trở lại từ thang máy, nơi cho biết bạn đang ở đâu theo hướng tiến-lùi. Sau đó, bạn giải thích rằng ngọn lửa bùng phát lúc 6:23 chiều (nhưng đã sớm được kiểm soát), chỉ rõ sự kiện theo thời gian. Bất kỳ sự kiện nào trong vũ trụ, dù ở gần hay ở xa, đều có thể được xác định chính xác bằng cách sử dụng ba chiều không gian và một chiều thời gian.
Newton coi không gian và thời gian là hoàn toàn độc lập, và đó tiếp tục là quan điểm được chấp nhận cho đến đầu thế kỷ XX. Nhưng Einstein đã chỉ ra rằng có một mối liên hệ mật thiết giữa không gian và thời gian, và chỉ bằng cách xem xét hai yếu tố này với nhau - trong cái mà chúng ta gọi là không thời gian - chúng ta mới có thể xây dựng một bức tranh chính xác về thế giới vật chất. Chúng ta kiểm tra không thời gian kỹ hơn một chút trong phần phụ tiếp theo.
Ý chính của lý thuyết tổng quát của Einstein là sự hiện diện của vật chất làm cong hay làm vênh cấu trúc của không thời gian. Sự uốn cong này của không thời gian được xác định bằng lực hấp dẫn. Khi một thứ gì đó khác - một chùm ánh sáng, một điện tử, hoặc con tàu Enterprise - đi vào một vùng không thời gian bị bóp méo như vậy, đường đi của nó sẽ khác với đường đi của nó khi không có vật chất. Như nhà vật lý người Mỹ John Wheeler đã tóm tắt: “Vật chất dạy không thời gian cách uốn cong; không thời gian dạy vật chất cách di chuyển." (bản dịch khác: “Vật chất sẽ bảo không - thời gian cong thế nào , và không gian cong bảo cho vật chất biết phải chuyển động thế nào”).
Lượng biến dạng của không thời gian phụ thuộc vào khối lượng vật chất tham gia và mức độ tập trung và nén chặt của nó. Các vật thể trên Trái Đất, chẳng hạn như cuốn sách bạn đang đọc, có khối lượng quá nhỏ để tạo ra bất kỳ sự biến dạng đáng kể nào. Quan điểm của Newton về lực hấp dẫn rất phù hợp để xây dựng các cây cầu, tòa nhà chọc trời hoặc các trò chơi trong công viên giải trí. Tuy nhiên, thuyết tương đối tổng quát có một số ứng dụng thực tế. GPS (Hệ thống Định vị Toàn cầu) trong mọi điện thoại thông minh có thể cho bạn biết bạn đang ở đâu trong vòng 5 đến 10 mét chỉ vì tác động của thuyết tương đối tổng quát và thuyết tương đối đặc biệt lên các vệ tinh GPS trên quỹ đạo xung quanh Trái Đất đã được tính đến.
Không giống như một cuốn sách hoặc người bạn cùng phòng của bạn, các ngôi sao tạo ra sự biến dạng có thể đo lường được trong không thời gian. Một ngôi sao lùn trắng, với lực hấp dẫn bề mặt mạnh hơn, tạo ra nhiều biến dạng hơn ngay trên bề mặt của nó so với một ngôi sao khổng lồ đỏ có cùng khối lượng. Vì vậy, bạn thấy đấy, cuối cùng chúng ta sẽ nói về các ngôi sao đang sụp đổ một lần nữa, sau khi thảo luận chi tiết hơn về ý tưởng của Einstein (và bằng chứng cho chúng).
Ví dụ về không thời gian
Làm thế nào chúng ta có thể hiểu được sự biến dạng của không thời gian bởi sự hiện diện của một số khối lượng (đáng kể)? Hãy thử tương tự sau đây. Bạn có thể đã thấy bản đồ của Thành phố New York ép cả ba chiều của đô thị cao chót vót này lên một tờ giấy phẳng và vẫn có đủ thông tin để khách du lịch không bị lạc. Hãy làm điều gì đó tương tự với sơ đồ không thời gian.
Ví dụ, Hình 24.7 cho thấy quá trình của một người lái xe ô tô đang lái xe về phía đông trên một đoạn đường ở Kansas, nơi vùng nông thôn hoàn toàn bằng phẳng. Vì người lái xe của chúng ta chỉ di chuyển theo hướng đông tây và địa hình bằng phẳng, chúng ta có thể bỏ qua hai chiều không gian còn lại. Khoảng thời gian trôi qua kể từ khi anh ta rời khỏi nhà được hiển thị trên trục y và khoảng cách đi về phía đông được hiển thị trên trục x. Từ A đến B người đó lái xe với vận tốc đều; Thật không may, đó là tốc độ quá nhanh và một chiếc xe cảnh sát đã phát hiện ra anh ta. Từ B đến C, anh ta dừng lại để nhận vé của mình và không thay đổi về không gian, chỉ thay đổi về thời gian. Từ C đến D anh ta lái xe chậm hơn vì xe cảnh sát ở ngay phía sau.
Hình 24.7 Biểu đồ không thời gian. Biểu đồ này cho thấy tiến trình của một người lái xe đi về phía đông trên địa hình Kansas bằng phẳng. Khoảng cách di chuyển được vẽ ngang theo trục hoành. Thời gian trôi qua kể từ khi người lái xe rời điểm xuất phát được vẽ dọc theo trục tung.
Bây giờ chúng ta hãy thử minh họa sự biến dạng của không thời gian trong hai chiều. Trong trường hợp này, chúng tôi sẽ (trong trí tưởng tượng của chúng tôi) sử dụng một tấm màng cao su có thể kéo giãn hoặc cong vênh nếu chúng tôi đặt các vật thể lên đó.
Hãy tưởng tượng kéo căng tấm màng cao su của chúng ta trên bốn trụ. Để hoàn thành phép loại suy, chúng ta cần một cái gì đó thường truyền theo đường thẳng (như ánh sáng). Giả sử chúng ta có một con kiến cực kỳ thông minh - có lẽ là bạn của siêu anh hùng Ant-Man trong truyện tranh - đã được huấn luyện để đi trên một đường thẳng.
Chúng tôi bắt đầu chỉ với tấm màng cao su và con kiến, mô phỏng không gian trống rỗng không có khối lượng trong đó. Chúng tôi đặt con kiến trên một mặt của tờ giấy và nó đi theo một đường thẳng đẹp mắt qua phía bên kia (Hình 24.8). Tiếp theo, chúng tôi đặt một hạt cát nhỏ trên tấm màng cao su. Cát có thể làm biến dạng tấm màng một chút, nhưng đây không phải là sự biến dạng mà chúng ta hoặc kiến có thể đo được. Nếu chúng ta đưa con kiến đến gần, nhưng không ở trên hạt cát, nó sẽ gặp một chút khó khăn khi tiếp tục đi trên một đường thẳng.
Bây giờ chúng ta lấy một thứ có khối lượng lớn hơn một chút — ví dụ, một viên sỏi nhỏ. Nó làm cong hoặc biến dạng tấm màng chỉ một chút xung quanh vị trí của nó. Nếu chúng ta đưa con kiến vào vùng này, nó sẽ thấy đường đi của nó bị thay đổi một chút do tấm màng bị biến dạng. Sự biến dạng không lớn, nhưng nếu chúng ta theo dõi đường đi của con kiến một cách cẩn thận, chúng ta nhận thấy nó hơi lệch so với một đường thẳng.
Hiệu ứng này trở nên đáng chú ý hơn khi chúng ta tăng khối lượng của đối tượng mà chúng ta đặt trên trang tính. Giả sử bây giờ chúng ta sử dụng một cái chặn giấy lớn. Một vật nặng như vậy làm biến dạng hoặc cong vênh tấm màng cao su rất hiệu quả, gây chảy xệ mạnh. Theo quan điểm của chúng tôi, chúng ta có thể thấy rằng tấm màng ở gần cái chặn giấy không còn thẳng nữa.
Hình 24.8 Tương tự ba chiều cho không thời gian. Trên một tấm màng cao su phẳng, một con kiến đã được huấn luyện không gặp khó khăn gì khi đi trên một đường thẳng. Khi một vật thể khối lượng lớn tạo ra một chỗ lõm lớn trên tấm màng, con kiến nhận thấy đường đi của nó bị thay đổi (bị cong vênh) đáng kể.
Bây giờ, hãy một lần nữa đưa con kiến vào một cuộc hành trình đưa nó đến gần, nhưng không vượt lên trên chiếc chặn giấy. Cách xa cái chặn giấy, con kiến không gặp khó khăn gì khi bước đi, chúng nhìn thẳng vào chúng ta. Tuy nhiên, khi đến gần cái chặn giấy, con kiến bị ép xuống chỗ lõm. Sau đó, nó phải leo lên phía bên kia trước khi ó có thể trở lại đi trên phần không bị biến dạng của tấm màng. Tất cả những điều này, con kiến đang đi theo con đường ngắn nhất mà nó có thể, nhưng không do lỗi của bản thân nó (xét cho cùng, kiến không thể bay, vì vậy nó phải ở trên tấm màng) con đường này bị cong bởi sự biến dạng của bản thân tấm màng.
Tương tự, theo lý thuyết của Einstein, ánh sáng luôn đi theo con đường ngắn nhất trong không thời gian. Nhưng khối lượng kết hợp với mật độ lớn của vật chất làm biến dạng không thời gian, và những con đường ngắn nhất, trực tiếp nhất không còn là đường thẳng nữa mà là đường cong.
Khối lượng phải lớn bao nhiêu để chúng ta có thể đo được sự thay đổi đường đi của ánh sáng? Năm 1916, khi Einstein lần đầu tiên đề xuất lý thuyết của mình, không có sự biến dạng nào được phát hiện trên bề mặt Trái Đất (vì vậy Trái Đất có thể đã đóng vai trò của hạt cát trong sự tương tự của chúng ta nói trên). Một thứ gì đó có khối lượng như Mặt Trời của chúng ta là cần thiết để phát hiện hiệu ứng mà Einstein đang mô tả (chúng ta sẽ thảo luận về cách đo hiệu ứng này bằng cách sử dụng Mặt Trời trong phần tiếp theo).
Cái chặn giấy theo cách tương tự của chúng ta có thể là một ngôi sao lùn trắng hoặc một ngôi sao neutron. Sự biến dạng của không thời gian gần bề mặt của những vật thể nhỏ, khối lượng lớn này lớn hơn ở gần bề mặt Mặt Trời. Và, quay trở lại tình huống được mô tả ở đầu chương, khi một lõi sao có khối lượng gấp ba lần Mặt Trời sụp đổ vĩnh viễn, thì sự biến dạng của không thời gian rất gần với nó có thể trở nên thực sự đáng kinh ngạc.
(Còn tiếp...)
Tham khảo
- Astronomy 1st edition, Senior Contributing Authors: A. Franknoi, D. Morrison, S. Wolff ©2017 Rice University, Textbook content produced by OpenStax is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License. (Access for free at https://openstax.org/details/books/astronomy
