 |
Marcel Grossmann (trái) và Michele Besso (phải) là những người bạn đại học của Albert Einstein (giữa). Ảnh: Nature |
Cách đây hơn một thế kỷ, vào tháng 11/1915, Albert Einstein đã công bố thuyết tương đối rộng trong bốn bài báo ngắn đăng trên kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Phổ ở Berlin (Đức). Lý thuyết mang tính bước ngoặt này thường được mô tả là công trình của một thiên tài đơn độc. Nhưng trên thực tế, Einstein nhận được rất nhiều sự hỗ trợ từ bạn bè và đồng nghiệp, hầu hết trong số họ không nổi tiếng và gần như đã bị lãng quên.
Hai người bạn từ thời sinh viên của Einstein – Marcel Grossmann và Michele Besso – đóng vai trò đặc biệt quan trọng. Einstein đã gặp Grossmann và Besso tại Trường Bách khoa Liên bang Thụy Sĩ ở Zurich, sau này đổi thành Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ (ETH), nơi ông theo học từ năm 1896 đến năm 1900 để trở thành giáo viên vật lý và toán học. Có nhiều giai thoại về việc Einstein thường xuyên bỏ học và phải dựa vào ghi chép của Grossmann để vượt qua kỳ thi.
Năm 1902, cha của Grossmann đã giúp Einstein tìm việc tại văn phòng cấp bằng sáng chế ở Berne (Thụy Sĩ). Hai năm sau, Besso cũng xin vào làm việc tại nơi này. Những cuộc thảo luận với Besso đã hỗ trợ Einstein rất nhiều trong các nghiên cứu. Thậm chí Besso là người duy nhất được Einstein gửi lời cảm ơn trong bài báo nổi tiếng vào năm 1905 nhằm công bố thuyết tương đối hẹp.
Năm 1907, khi vẫn còn làm việc tại văn phòng cấp bằng sáng chế, Einstein bắt đầu nghĩ đến việc mở rộng nguyên lý tương đối từ chuyển động đều sang chuyển động bất kỳ thông qua một lý thuyết mới về lực hấp dẫn. Ông bắt đầu nghiên cứu nghiêm túc về lý thuyết mới sau khi ông rời văn phòng cấp bằng sáng chế vào năm 1909 để đảm nhận chức danh giáo sư tại Đại học Zurich, sau đó chuyển đến Đại học Charles ở Prague vào năm 1911. Ông nhận ra rằng lực hấp dẫn phải được đưa vào cấu trúc của không-thời gian, sao cho một hạt không chịu tác dụng của bất kỳ lực nào sẽ di chuyển theo quỹ đạo thẳng trong không-thời gian cong.
Năm 1912, Einstein quay trở về Zurich và tái hợp với Grossmann tại Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ (ETH). Cả hai đã hợp tác để xây dựng một lý thuyết hoàn chỉnh, dựa trên các phép toán về bề mặt cong của Gauss – kiến thức có lẽ Einstein đã học từ những ghi chép của Grossmann khi còn là sinh viên. Einstein khi đó đã nói với Grossmann: "Cậu phải giúp tôi, nếu không tôi sẽ phát điên lên mất".
Nỗ lực hợp tác của họ đã được ghi chép lại trong cuốn "sổ tay Zurich" của Einstein. Họ đã công bố một bài báo chung vào tháng 6/1913, gọi là bài báo Entwurf (phác thảo). Sự khác biệt chính giữa lý thuyết trong bài báo Entwurf (tạm gọi là lý thuyết Entwurf) và thuyết tương đối rộng hoàn chỉnh được Einstein công bố vào tháng 11/1915 nằm ở các phương trình trường (field equations), nhằm xác định cách thức vật chất làm cong không-thời gian.
Các phương trình trường trong thuyết tương đối rộng hoàn chỉnh có tính hiệp biến tổng quát, nghĩa là chúng giữ nguyên dạng đối với bất kể hệ tọa độ nào được chọn để biểu diễn chúng. Ngược lại, tính hiệp biến của phương trình trường trong lý thuyết Entwurf bị giới hạn rất nhiều.
Tháng 7/1913, hai nhà vật lý người Đức Max Planck và Walther Nernst đã đến Zurich để mời Einstein làm việc tại Viện Hàn lâm Khoa học Phổ ở Berlin. Einstein nhanh chóng chấp nhận lời đề nghị.
Trong khoảng thời gian này, một số lý thuyết mới đã ra đời, trong đó lực hấp dẫn được biểu diễn bằng một trường trong không - thời gian phẳng của thuyết tương đối hẹp, tương tự như điện từ. Một trong số đó đến từ nhà vật lý trẻ người Phần Lan, Gunnar Nordström.
Trong bài giảng tại hội nghị thường niên của Hội các nhà khoa học tự nhiên và bác sĩ Đức diễn ra vào tháng 9/1913 ở Vienna, Einstein đã so sánh lý thuyết Entwurf của mình với lý thuyết của Nordström. Cũng trong năm đó, Nordström đến thăm Einstein tại Zurich.
Einstein thuyết phục ông rằng nguồn gốc của trường hấp dẫn trong cả hai lý thuyết của họ nên được xây dựng dựa trên tenxơ năng lượng - động lượng, một khái niệm bắt nguồn từ lý thuyết điện động lực học của Maxwell và Lorentz. Đối với các lý thuyết có trước thuyết tương đối, mật độ, dòng chảy của năng lượngvà động lượng là những đại lượng riêng biệt. Nhưng trong thuyết tương đối, chúng được kết hợp thành một đại lượng với mười yếu tố khác nhau.
Không lâu sau, Einstein đã hợp tác với Besso để kiểm tra xem lý thuyết Entwurf có thể giải thích sự sai lệch 43 giây cung đối với điểm cận nhật của sao Thủy sau mỗi thế kỷ hay không. Họ nhận thấy lý thuyết này chỉ có thể giải thích được sự chênh lệch khoảng 18 giây cung, trong khi lý thuyết của Nordström là 7 giây cung.
Einstein và Besso cũng kiểm tra xem các phương trình của lý thuyết Entwurf có đúng trong một hệ tọa độ quay hay không. Trong trường hợp đó, lực quán tính của hiện tượng quay – chẳng hạn như lực ly tâm mà chúng ta trải nghiệm trên một vòng xoay ngựa gỗ – có thể được diễn giải là lực hấp dẫn.Ban đầu, lý thuyết có vẻ đúng trong nhiều trường hợp. Nhưng đến tháng 8/1913, Besso cảnh báo Einstein rằng cách diễn giải này là không chính xác.
Einstein nhanh chóng nhận ra vấn đề nằm ở các phương trình trường trong lý thuyết Entwurf. Ông đã tích hợp trường hấp dẫn vào cấu trúc của không-thời gian cong, đồng thời xây dựng các phương trình mới để chúng có tính hiệp biến tổng quát.
Ngày 25/11/1915, Einstein đã công bố bài báo cuối cùng về thuyết tương đối rộng, trong đó lý thuyết mới giải thích thành công chuyển động của sao Thủy, đúng với các quan sát thực tế.
Trong thuyết tương đối rộng, Einstein cho rằng trọng lực hình thành do khối lượng một vật thể khiến không gian bị uốn cong. Từ quan điểm này, một vật thể trên quỹ đạo quanh Mặt trời thực sự đang đi theo một đường thẳng nhưng xuyên qua không gian đã bị uốn cong bởi khối lượng của Mặt trời. Ngay cả một chùm ánh sáng di chuyển dọc theo phần không gian này cũng sẽ bị bẻ cong.
Năm 1919, nhà thiên văn học người Anh Arthur Eddington đã xác nhận dự đoán của Einstein về hiện tượng bẻ cong ánh sáng sau khi quan sát độ lệch của các ngôi sao xa xôi xuất hiện ở rìa Mặt trời trong một sự kiện nhật thực toàn phần. Quan sát của Eddington đã chứng minh tính đúng đắn của thuyết tương đối rộng, mở ra một kỷ nguyên mới cho ngành vật lý thiên văn.
Nhìn lại hành trình phát triển của thuyết tương đối rộng, chúng ta có thể thấy rằng Einstein không phải là một thiên tài đơn độc. Thành tựu của ông dựa trên sự đóng góp của nhiều đồng nghiệp, từ những người bạn thân như Grossmann và Besso, cho đến các nhà toán học và vật lý trên khắp thế giới như Maxwell, Lorentz, Gauss,....Thuyết tương đối rộng không chỉ là câu chuyện của Einstein mà còn là minh chứng cho sức mạnh của sự hợp tác khoa học.
Nguồn: Nature
Bài đăng KH&PT số 1339 (số 15/2025)
Trịnh Thủy dịch