Trước khi mất, Einstein được cho là đã tiêu hủy toàn bộ bản thảo cá nhân, chỉ để lại một di sản khoa học khổng lồ: thuyết tương đối rộng. Trên giường bệnh, ông nhiều lần nhắc lại rằng con người có lẽ không nên biết bí mật này. Bởi theo ông, lý thuyết ấy hé lộ một thực tế tàn nhẫn: thứ chúng ta gọi là hôm qua, hôm nay và ngày mai thực chất chỉ là ảo giác mà bộ não tạo ra.
Thậm chí còn đáng kinh ngạc hơn, vào chính khoảnh khắc này, mỗi người chúng ta đang “rơi” về phía tương lai với tốc độ khoảng 11 km mỗi giây, và không có cách nào dừng lại.
Theo thuyết tương đối rộng, lực hấp dẫn thực ra không phải là một lực theo nghĩa thông thường, mà là sự cong của không gian - thời gian. Trái Đất giống như một quả bowling đặt lên tấm bạt căng, làm lõm bề mặt xung quanh. Tất cả chúng ta đều đang chuyển động trong cái “hố” không - thời gian đó.
Năm 1915, nhà vật lý Albert Einstein công bố thuyết tương đối rộng, một lý thuyết đã làm thay đổi căn bản cách con người hiểu về vũ trụ. Thay vì coi lực hấp dẫn là một lực vô hình kéo các vật thể lại gần nhau như trong cơ học Newton, Einstein cho rằng hấp dẫn thực chất là kết quả của sự cong vênh của không - thời gian.
Ý tưởng mang tính cách mạng này bắt nguồn từ một khoảnh khắc suy nghĩ tưởng chừng đơn giản vào năm 1907, khi Einstein đang làm việc tại Cục Sáng chế Thụy Sĩ. Nhìn thấy một công nhân lau kính trên cao, ông chợt tưởng tượng điều gì sẽ xảy ra nếu người đó rơi xuống. Từ suy nghĩ này, Einstein nhận ra rằng trong trạng thái rơi tự do, con người sẽ không cảm nhận được trọng lực, giống như các phi hành gia trong môi trường không trọng lượng.
Khám phá này dẫn tới nguyên lý tương đương, một trong những nền tảng quan trọng của thuyết tương đối rộng. Theo nguyên lý này, tác động của gia tốc và của trường hấp dẫn có thể tạo ra các hiệu ứng vật lý giống hệt nhau.
Ví dụ, nếu một người đứng trong một căn phòng kín đặt trên Trái Đất và bước lên cân, chiếc cân sẽ hiển thị trọng lượng của người đó. Nhưng nếu căn phòng nằm trong một tàu vũ trụ đang tăng tốc lên trên với gia tốc tương đương gia tốc trọng trường, chiếc cân cũng sẽ hiển thị giá trị giống hệt.
Từ đó, Einstein suy luận rằng hấp dẫn có thể không phải là một lực theo nghĩa thông thường. Thay vào đó, khối lượng và năng lượng có thể làm biến dạng cấu trúc của không - thời gian xung quanh chúng.
Để diễn đạt ý tưởng này một cách toán học, Einstein đã hợp tác với nhà toán học Marcel Grossmann. Sau nhiều năm nghiên cứu hình học không gian cong và thực hiện các phép tính phức tạp, họ đã xây dựng nên các phương trình trường hấp dẫn, mô tả mối quan hệ giữa khối lượng, năng lượng và độ cong của không - thời gian.
Theo lý thuyết này, các hành tinh quay quanh Mặt Trời không phải vì bị kéo bởi một lực hấp dẫn theo nghĩa cổ điển. Thay vào đó, khối lượng khổng lồ của Mặt Trời làm cong không - thời gian xung quanh, khiến các hành tinh di chuyển theo những quỹ đạo tự nhiên trong cấu trúc cong đó.
Một trong những thành công đầu tiên của thuyết tương đối rộng là giải thích được hiện tượng tiến động điểm cận nhật của Sao Thủy. Trước đó, các nhà thiên văn học đã quan sát thấy quỹ đạo của hành tinh này dịch chuyển một lượng nhỏ theo thời gian, nhưng cơ học Newton không thể giải thích đầy đủ hiện tượng này. Tính toán của Einstein cho thấy thuyết tương đối rộng có thể dự đoán chính xác sự dịch chuyển đó.
Bằng chứng thuyết phục hơn xuất hiện vào năm 1919, khi nhà thiên văn học Arthur Eddington dẫn đầu một đoàn thám hiểm quan sát nhật thực toàn phần. Trong thời gian Mặt Trăng che khuất Mặt Trời, các nhà khoa học đã chụp ảnh những ngôi sao nằm gần đĩa Mặt Trời. Kết quả cho thấy vị trí của các ngôi sao bị lệch đi đúng như dự đoán của Einstein, chứng minh rằng ánh sáng thực sự bị bẻ cong bởi trường hấp dẫn.
Phát hiện này đã gây chấn động cộng đồng khoa học và nhanh chóng đưa Einstein trở thành một trong những nhà khoa học nổi tiếng nhất thế giới.
Một hệ quả quan trọng khác của thuyết tương đối rộng là hiện tượng giãn nở thời gian hấp dẫn. Theo đó, thời gian trôi chậm hơn trong các vùng có trường hấp dẫn mạnh. Hiệu ứng này đã được xác nhận bằng nhiều thí nghiệm chính xác, và ngày nay thậm chí còn phải được tính đến trong hoạt động của hệ thống định vị vệ tinh GPS.
Trong các môi trường cực đoan như gần lỗ đen, hiệu ứng này trở nên đặc biệt rõ rệt. Lỗ đen là những vùng không gian nơi trường hấp dẫn mạnh đến mức ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát ra. Ranh giới của chúng được gọi là chân trời sự kiện.
Ở trung tâm lỗ đen được cho là tồn tại một điểm kỳ dị, nơi mật độ vật chất và độ cong của không - thời gian đạt tới mức vô hạn. Trong điều kiện như vậy, các định luật vật lý hiện nay không còn đủ khả năng mô tả chính xác các hiện tượng xảy ra.
Trong hơn một thế kỷ qua, thuyết tương đối rộng đã được kiểm nghiệm bằng nhiều phương pháp khác nhau, từ quan sát quỹ đạo hành tinh, thấu kính hấp dẫn, cho đến việc phát hiện sóng hấp dẫn vào năm 2015. Những kết quả này đều cho thấy lý thuyết của Einstein vẫn phù hợp với các quan sát thực nghiệm.
Tuy nhiên, vật lý học hiện đại vẫn đối mặt với một bài toán lớn: làm thế nào để thống nhất thuyết tương đối rộng với cơ học lượng tử. Trong khi thuyết tương đối rộng mô tả vũ trụ ở quy mô lớn như hành tinh, sao và thiên hà, cơ học lượng tử lại mô tả thế giới vi mô của các hạt cơ bản. Hai khuôn khổ lý thuyết này hiện vẫn chưa thể kết hợp thành một mô hình thống nhất.
Các nhà khoa học đang tiếp tục nghiên cứu nhiều hướng tiếp cận khác nhau, từ lý thuyết dây cho đến các mô hình hấp dẫn lượng tử, với hy vọng tìm ra một lý thuyết sâu hơn có thể giải thích toàn bộ cấu trúc của vũ trụ.
Dù tương lai của vật lý học sẽ ra sao, thuyết tương đối rộng vẫn được xem là một trong những thành tựu trí tuệ vĩ đại nhất của nhân loại. Lý thuyết này đã mở ra một cách nhìn hoàn toàn mới về không gian, thời gian và vị trí của con người trong vũ trụ rộng lớn.
Đức Khương
