'Bí mật tiên tri' vĩ đại của Einstein: Phát hiện động trời sau hơn 100 năm

Làm thế nào con người đã thay đổi quan điểm về vũ trụ một cách ấn tượng?

Vào tháng 9/2020, nhà thiên văn học đã thông báo phát hiện bằng chứng về vật chất tối - lực ảnh hưởng mạnh mẽ đến vũ trụ mà chúng ta thấy.

Vật chất tối, không tương tác với ánh sáng, chỉ có thể phát hiện qua lực hấp dẫn của nó. Mặc dù đã được chứng minh tồn tại, cách hoạt động của nó vẫn còn bí ẩn.

Quan sát của Hubble về các cụm thiên hà cho thấy lực hấp dẫn của vật chất tối mạnh hơn 10 lần so với dự kiến.

Sự phát hiện này được thực hiện thông qua phương pháp quan sát cổ điển. Lực hấp dẫn của vật chất tối có thể làm cong ánh sáng, tạo ra hiện tượng thấu kính hấp dẫn.

Các nhà thiên văn học bất ngờ trước khả năng của thấu kính vật chất tối, đã tiết lộ nhiều chi tiết về vũ trụ xa xôi.

Dĩ nhiên, đó là phương pháp khoa học hoạt động, một thử nghiệm liên tục về lý thuyết sử dụng dữ liệu mới nhất và tốt nhất. Trong vật lý thiên văn, điều này đã mở ra cái nhìn mới về các ranh giới của vũ trụ, qua hàng tỷ năm ánh sáng và một không gian rộng lớn chứa vô số ngôi sao.

Những khám phá đáng kinh ngạc về vũ trụ dường như xảy ra hàng ngày, khi các nhà thiên văn nghiên cứu những vật thể khổng lồ cách Trái Đất hàng trăm triệu năm ánh sáng, trong đó có các lỗ đen khổng lồ - xác nhận cho tiên đoán của Einstein cách đây hơn 100 năm.

Tuy nhiên, trước khi khám phá vũ trụ lớn của chúng ta, các nhà thiên văn xưa đã tìm hiểu về một vũ trụ nhỏ hơn nhiều. Thông qua nhiều thế kỷ quan sát, thu thập dữ liệu và tò mò về bí ẩn của vũ trụ, các định luật cơ bản về chuyển động của hành tinh và ngôi sao dần được tiết lộ.

Trước khi chúng ta có kiến thức phức tạp này, hiểu biết của con người về vũ trụ rất hạn chế. Vũ trụ như con người xưa biết là rất nhỏ.

Cách đây không lâu, họ tin rằng Trái Đất là trung tâm của mọi thứ, với Mặt Trời quay quanh nó và chiếu sáng ở độ cao chỉ 160 km.

Cách tiếp cận vũ trụ học phương Tây của thời cổ đại, được mô tả chi tiết nhất trong tác phẩm của nhà triết học Hy Lạp Aristotle (384 - 322 TCN), cho rằng Trái Đất tĩnh lặng, bị quay quanh bởi Mặt Trời, Mặt Trăng và 5 hành tinh có thể nhìn thấy, gồm: Sao Thủy, Sao Kim, Sao Hỏa, Sao Mộc và Sao Thổ.

Mặt Trời, do thực hiện quỹ đạo của mình không đồng nhất trong một ngày, được xem là gần nhất (điều này làm cho câu chuyện về Icarus - người bay quá gần Mặt Trời và đánh mất đôi cánh sáp của mình - trở nên nổi tiếng).

Mặt Trăng, cũng ở gần đó, được hiểu là nhận ánh sáng từ Mặt Trời chiếu sáng. Còn 5 hành tinh còn lại quay với tốc độ không đổi quanh Trái Đất theo các vòng tròn hoàn hảo - một trật tự vĩnh cửu.

Tuy nhiên, phương pháp đơn giản của thiên văn học thời cổ đại cũng phát hiện ra một số vấn đề. Các nhà thiên văn thường xuyên quan sát bầu trời đêm để tìm hiểu các mối liên hệ với các sự kiện trên Trái Đất, nhưng họ nhận ra rằng cả sao Thủy và sao Kim không bao giờ xuất hiện đúng định kỳ, lần lượt là quá 28 và 48 độ so với Mặt Trời.

Khó hiểu hơn là mỗi hành tinh, ngoại trừ Mặt Trời và Mặt Trăng, đều có thời gian khi ngừng di chuyển tiến về phía trước và rồi di chuyển ngược lại trước khi tiếp tục di chuyển về phía trước - Điều này được thiên văn học hiện đại gọi là Chuyển động ngược dòng biểu kiến.

Những sự kiện kỳ lạ này và các hiện tượng khác - như sự xuất hiện của sao chổi - đều yêu cầu sự giải thích từ các nhà thiên văn cổ đại.

Để giải thích điều này, các nhà thiên văn Hy Lạp đã đưa ra một hệ thống các quả cầu chồng chéo. Trái Đất nằm ở trung tâm, với Mặt Trời và Mặt Trăng ở ngoài, theo sau là các hành tinh và cuối cùng là vỏ trái đất.

Tuy nhiên, hệ thống 'hoàn hảo' này cần phải được điều chỉnh liên tục để phù hợp với các quan sát thiên văn.

Vào khoảng năm 150 TCN, nhà thiên văn Hy Lạp Claudius Ptolemy đã kết hợp quan sát lâu dài về các ngôi sao (dữ liệu gần 800 năm do người Babylon thu thập) với toán học Ả Rập để điều chỉnh hệ thống của Aristotle, thêm vào đó là chuyển động lớn hơn và định vị lại tâm điểm.

Được trình bày dưới dạng văn bản, hệ thống của Ptolemy dự đoán chính xác hành động của các hành tinh và ngôi sao theo quan sát.

Phép toán của Ptolemy đã điều chỉnh mô hình của Aristotle một cách linh hoạt, làm cho nó hoạt động mà không làm hỏng hoàn toàn. Hệ thống của Ptolemy tồn tại trong 1.500 năm, nhưng vẫn còn một số vấn đề không giải quyết được. Dù Ptolemy nhận ra rằng Trái Đất nhỏ bé trong vũ trụ rộng lớn, ông vẫn giữ nguyên định kiến về các ngôi sao, ở khoảng cách ông ước tính, cần phải quay với vận tốc tương đương 16 triệu km/giờ so với Trái Đất đứng yên. Nếu các ngôi sao nằm xa hơn, vận tốc cần thiết để duy trì sự xuất hiện hàng đêm của chúng trên Trái Đất sẽ không thể.

Hệ thống của Ptolemy đã là cơ sở cho sự hiểu biết của Giáo hội Cơ đốc mới về vũ trụ. Tuy nhiên, có những giả thuyết khác.

Ngay từ thế kỷ thứ ba trước Công nguyên, nhà thiên văn Hy Lạp Aristarchus ở Samos (310 TCN-230 TCN), đã đề xuất một trật tự hành tinh với Mặt Trời làm trung tâm, nhấn mạnh rằng Mặt Trời lớn hơn nhiều so với Trái Đất và các ngôi sao thực tế là các mặt trời ở xa.

Sau các quan sát, Aristarchus nhận ra Mặt Trời lớn hơn rất nhiều so với Trái Đất hoặc Mặt Trăng, và ông đưa ra giả thuyết về việc Mặt Trời nằm ở trung tâm của Thái Dương Hệ. Đây là thuyết nhật tâm được biết đến sớm nhất trong lịch sử.

Mặc dù văn bản về thiết kế của Aristarchus đã bị mất, nhưng đã được Archimedes, người có công trình được ghi chép và được các học giả Hồi giáo nhắc lại trong văn bản khoa học thế kỷ 10.

Ý tưởng của Aristarchus cuối cùng đã thu hút sự chú ý của nhà thiên văn học/toán học người Ba Lan Nicolaus Copernicus (1473-1543), người sau nhiều thập kỷ nghiên cứu, đã công bố các tính toán vào năm 1543 phát triển tác phẩm 'Về sự chuyển động quay của các thiên thể' của mình, trong đó nêu ra thuyết nhật tâm (Mặt Trời ở trung tâm) lần đầu tiên trong lịch sử hiện đại: Đề xuất rằng Trái Đất và các hành tinh quay quanh Mặt Trời.

Sự phát triển thuyết nhật tâm của ông được coi là giả thuyết khoa học quan trọng nhất trong lịch sử, đánh dấu bước chuyển sang thiên văn học hiện đại. Năm ông công bố thuyết nhật tâm cũng là năm ông qua đời.

Trong nhiều thập kỷ, các hệ thống Copernic và Ptolemy có những người ủng hộ của riêng họ.

Nhà thiên văn học người Đan Mạch ở thế kỷ 16 Tycho Brahe đã bắt đầu nghiên cứu Ptolemy trước khi nhận ra logic Copernic. Ông đã cố gắng phân tách sự khác biệt bằng cách đề xuất rằng, mặc dù các hành tinh chắc chắn quay quanh Mặt Trời, nhưng Mặt Trời vẫn quay quanh Trái Đất. Nó vẫn duy trì quỹ đạo của các hành tinh trong những vòng tròn hoàn hảo.

Vào buổi bình minh của thế kỷ 17, những phát minh và khám phá mới đã làm thay đổi thế giới. Điều hướng xuyên đại dương đã thiết lập khá tốt kích thước của địa cầu như một thứ lớn hơn nhiều so với ước tính. Tính toán này cuối cùng đã đưa các vì sao vượt xa giới hạn của Ptolemy.

Nhưng, 170 năm sau khi Copernic qua đời, một giáo viên toán người Đức và nhà chiêm tinh Johannes Kepler đã tìm ra chân lý.

Chính trong thời đại dữ liệu tốt hơn và những quan sát phi thường, Johannes Kepler cuối cùng đã trình bày một mô hình hoạt động của Hệ Mặt Trời phù hợp với tất cả các dữ kiện đã được lắp ráp.

Thiên tài toán học Johannes Kepler được Tycho Brahe mời đến đài thiên văn ở Prague (thủ đô của Séc) để làm việc liên quan đến nghiên cứu quỹ đạo của sao Hỏa. Tycho Brahe đột ngột qua đời vào năm 1601, và Kepler kế vị ông làm nhà thiên văn chính cho Hoàng đế La Mã Thần thánh.

Ông tiếp tục sử dụng dữ liệu sao Hỏa để xây dựng ba định luật chuyển động của hành tinh: 1) quỹ đạo của một hành tinh là một hình elip, với Mặt Trời ở một tiêu điểm; 2) rằng một hành tinh tăng tốc khi nó tiến đến điểm gần nhất của nó với Mặt Trời, và chậm lại khi nó di chuyển ra xa; và 3) quỹ đạo của tất cả các hành tinh, bất kể bao xa trong không gian, đều có cùng tỷ lệ thời gian và khoảng cách.

Được công bố vào năm 1619, định luật Kepler cuối cùng đã làm rõ các nguyên tắc cơ bản của chuyển động hành tinh. 'Tôi chiêm ngưỡng vẻ đẹp của nó với sự thích thú đáng kinh ngạc và đẹp mê hồn,' ông viết về nhận định định luật thứ ba của mình. Các tính toán đằng sau định luật thứ ba là cơ sở của phương trình Isaac Newton cho định luật vạn vật hấp dẫn năm 1686.

Với Sir Newton, một trong những nhà khoa học vĩ đại và có tầm ảnh hưởng lớn nhất trong lịch sử đã có công đưa chúng ta đến được cánh cổng mở ra kỷ nguyên hiện đại trong cuộc cách mạng khoa học. Vật lý của Newton đã thịnh hành trong hơn 200 năm, một mô hình ổn định cho cuộc sống trên Trái Đất của chúng ta, trước khi Albert Einstein đưa ra đề xuất vào năm 1905 rằng cả trọng lực và thời gian đều không đổi.

Dưới sự thức tỉnh của Einstein (qua thuyết tương đối), những quan sát mở rộng của chúng ta về vũ trụ đã tạo ra mô hình về một vũ trụ bao la không thể tưởng tượng được liên kết với nhau bởi khối lượng các hạt vô hình nặng đến mức bẻ cong ánh sáng và thu gọn thời gian.

Vẻ đẹp của nó, mặc dù trừu tượng hơn vô cùng so với các quy luật hành tinh mà Kepler đã chiêm nghiệm, nhưng không kém phần hấp dẫn và đáng kinh ngạc để chiêm ngưỡng thời hiện tại và trong tương lai.

Einstein là một trong những nhà khoa học đưa ra cái nhìn mới mẻ về 'lỗ đen' (khái niệm này mãi về sau mới xuất hiện khi nhà thiên văn học Mỹ John Wheeler (1911-2008), một trong những cộng tác viên cuối cùng của Albert Einstein, đưa ra năm 1967).

Nhờ Einstein, nhà vật lý toán học người Anh Roger Penrose trong bài báo năm 1965 của ông công nhận rằng 'sự hình thành lỗ đen là một dự đoán đúng đắn mà Albert Einstein đưa ra trong thuyết tương đối rộng cách đây hơn 100 năm'. Chính vậy, Roger Penrose là một trong 3 nhà thiên văn học vinh dự nhận giải Nobel Vật lý 2020 .

Nhiều thập kỷ tiếp theo, dựa trên công trình nghiên cứu và công nhận lý thuyết về lỗ đen, hàng trăm các nhà khoa học quốc tế đã có được bức ảnh chứng minh sự tồn tại của 'quái vật vũ trụ'.

Ngày 10/4/2019 đánh dấu một bước tiến quan trọng trong hành trình giải mã 'quái vật' khổng lồ đó: Lần đầu tiên trong lịch sử chúng ta có được bức ảnh đầu tiên chứng minh sự tồn tại của lỗ đen.

Ngành thiên văn học của thế giới bước sang trang mới, mở ra hy vọng mới cho các nhà khoa học trong hành trình tiếp tục giải mã những bí ẩn của lỗ đen - quái vật thực sự trong vũ trụ.

Bài viết sử dụng nguồn: Magellantv