Sự thừa nhận hấp dẫn và chuyển động gia tốc có liên quan mật thiết với nhau chính là ý tưởng hay nhất của Einstein đã nảy ra trong một ngày hạnh phúc của ông tại Văn phòng đăng ký sáng chế phát minh ở Bern.
Chương 3
Uốn cong và lượn sóng
Thông qua thuyết tương đối hẹp, Einstein đã giải quyết được sự xung đột giữa trực giác già cỗi về chuyển động và tính không đổi của vận tốc ánh sáng. Nói một cách ngắn gọn, giải pháp này cho rằng trực giác của chúng ta là sai, nó chỉ quen với những chuyển động thường là có vận tốc rất nhỏ so với vận tốc ánh sáng và những chuyển động rất chậm như vậy đã làm khuất lấp mất đặc tính thực sự của không gian và thời gian. Thuyết tương đối hẹp đã vạch ra bản chất của chúng và cho thấy chúng khác một cách căn bản so với những quan niệm trước đây. Nhưng tạo dựng lại hiểu biết của chúng ta về những nền của không gian và thời gian không phải chuyện dễ dàng. Chẳng bao lâu, Einstein đã nhận thấy rằng trong số rất nhiều những hệ quả suy ra từ thuyết tương đối hẹp, có một hệ quả có ý nghĩa đặc biệt sâu sắc, đó là khẳng định rằng không có vật gì có thể chuyển động vượt ánh sáng, mà điều này thì không tương thích với lý thuyết hấp dẫn đầy uy tín đã được Newton đưa ra vào cuối thế kỷ XVII. Và như vậy, trong khi giải quyết xong một cuộc xung đột thì thuyết tương đối hẹp lại làm nảy sinh một cuộc xung đột khác. Sau một chục năm nghiên cứu căng thẳng và đôi khi khổ sở nữa, Einstein đã giải quyết được mâu thuẫn này bằng thuyết tương đối rộng (còn gọi là thuyết tương đối tổng quát ND). Trong lý thuyết đó, Einstein một lần nữa lại làm một cuộc cách mạng trong nhận thức của chúng ta về không gian và thời gian: ông đã chỉ ra rằng không gian và thời gian bị uốn cong và lượn sóng để truyền đi lực hấp dẫn.
Quan niệm của Newton về hấp dẫn
Isaac Newton sinh năm 1642 ở Lincolnshire, nước Anh. Ông là người đã làm thay đổi bộ mặt của thế giới khoa học bằng cách sử dụng toàn bộ sức mạnh của toán học để phục vụ những nghiên cứu vật lý. Trí tuệ của ông vĩ đại tới mức, chẳng hạn như khi thấy rằng những công cụ toán học cần thiết cho một số nghiên cứu vật lý còn chưa có, ông đã tự phát minh. Phải gần ba thế kỷ trôi qua, thế giới mới lại biết tới một thiên tài khoa học có tầm cỡ như thế. Trong số rất nhiều đóng góp cơ bản của Newton cho sự tìm hiểu về hoạt động của Vũ trụ, ở đây chúng ta đặc biệt quan tâm tới lý thuyết hấp dẫn của ông.
Lực hấp dẫn hiện diện mọi lúc mọi nơi trong đời sống hằng ngày của chúng ta. Nó giữ cho chúng ta và mọi vật xung quanh chúng ta bám chặt được vào mặt đất; nó giữ cho không khí mà chúng ta hít thở hằng ngày không bay hết ra ngoài không gian vũ trụ; nó cũng giữ cho Mặt Trăng duy trì được quỹ đạo xung quanh Trái Đất, cũng như Trái Đất cũng quanh Mặt Trời. Hấp dẫn cũng là lực điều khiển nhị độ của vũ điệu Vũ trụ với sự tham gia tận tuỵ và không biết mệt mỏi của hàng tỷ những cư dân trong Vũ trụ từ những tiểu hành tinh tới các hành tinh, các ngôi sao và tới các thiên hà. Hơn ba thế kỷ ảnh hưởng của Newton đã khiến chúng ta tin chắc rằng hấp dẫn là lực duy nhất đã tạo ra sự phong phú đa dạng đó của những điều xảy ra trên Trái Đất cũng như ngoài Trái Đất. Tuy nhiên, trước Newton chưa có ai hiểu được rằng sự rơi của quả táo từ trên cây xuống đất và chuyển động quay của Trái Đất xung quanh Mặt Trời lại đều là thể hiện của cùng một nguyên lý vật lý. Với bước đi táo bạo phụng sự cho sự bá quyền của khoa học, Newton đã thống nhất vật lý trên mặt đất với vật lý thiên thể và tuyên bố rằng lực hấp dẫn là bàn tay vô hình chi phối cả hai thế giới đó.
Quan điểm của Newton về hấp dẫn có thể được gọi là quan điểm bình quân vĩ đại. Ông tuyên bố rằng tất cả mọi vật đều tác dụng lực hút hấp dẫn lên tất cả mọi vật khác. Bất kể thành phần vật lý là như thế nào, mọi vật đều tác dụng cũng như đều chịu tác dụng của lực hấp dẫn. Dựa trên sự nghiên cứu kỹ lưỡng những phân tích của Johannes Kepler vể chuyển động của các hành tinh, Newton đã suy ra được cường độ lực hút hấp dẫn giữa hai vật phụ thuộc chỉ vào hai thứ: Lượng chất chứa trong mỗi vật và khoảng cách giữa chúng Chất ở đây có nghĩa là vật chất nó bao gồm tổng số các photon, nơtron và electron và tổng số này xác định khối lượng của vật. Định luật vạn vật hấp dẫn của Newton khẳng định rằng cường độ lực hút giữa hai vật càng lớn nếu khối lượng của chúng càng lớn và càng nhỏ nếu khối lượng của chúng càng nhỏ; nó cũng còn khẳng định rằng cường độ lực hút hấp dẫn càng lớn nếu khoảng cách giữa hai vật càng nhỏ và càng nhỏ nếu khoảng cách đó càng lớn.
Newton còn đi xa hơn sự mô tả định tính đó và ông đã viết ra công thức mô tả định lượng cường độ của lực hấp dẫn giữa hai vật. Công thức này có thể phát biểu bằng lời như sau: lực hấp dẫn giữa hai vật tỷ lệ thuận với tích khối lượng của chúng và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng. Định luật hấp dẫn này có thể dùng để tiên đoán chuyển động của các hành tinh và các sao chổi quay xung quanh Mặt Trời, chuyển động của Mặt Trăng xung quanh Trái Đất hoặc thậm chí của các tên lửa được phóng lên để thám hiểm các hành tinh. Nó cũng được áp dụng cho những tiên đoán đời thường hơn như quỹ đạo của quả bóng được ném lên hay những cú nhảy nhào lộn của các vận động viên nhảy cầu. Sự phù hợp của những tiên đoán đó với chuyển động quan sát được trên thực tế hết sức ngoạn mục. Thành công này đã đem lại cho lý thuyết của Newton một sự ủng hộ mạnh mẽ cho tới tận đầu thế kỷ XX. Tuy nhiên, phát minh ra thuyết tương đối của Einstein đã dựng lên một trở ngại mà lý thuyết của Newton không thể vượt qua.
Sự không tương thích giữa lý thuyết hấp dẫn của Newton và thuyết tương đối hẹp
Một đặc điểm trung tâm của thuyết tương đối hẹp là bức tường chắn tuyệt đối về vận tốc được thiết đặt bởi ánh sáng. Điều quan trọng cần phải thấy là, giới hạn này không chỉ áp dụng cho các đối tượng vật chất mà còn cả cho những tín hiệu cũng như những tác dụng thuộc bất cứ loại nào. Không có bất cứ cách gì có thể truyền tin hoặc những nhiễu động từ nơi này đến nơi khác với vận tốc nhanh hơn ánh sáng. Tất nhiên, thế giới có vô vàn cách để truyền những nhiễu động với vận tốc chậm hơn ánh sáng. Chẳng hạn, tiếng nói của bạn và tất cả những âm thanh khác đều là những dao động được truyền đi với vận tốc 340km/s (tức 1.200km/h) qua không khí, một vận tốc quá nhỏ bé so với vận tốc 300.000km/s của ánh sáng. Sự khác biệt này về vận tốc thể hiện rõ khi bạn quan sát một trận chơi bóng chày từ hàng ghế ở xa chỗ phát bóng. Khi cầu thủ cầm chày vụt bóng, âm thanh phát ra đến tai bạn chậm hơn giây lát sau khi bạn thấy quả bóng đã được đánh. Một điều tương tự cũng xảy ra trong lúc mưa giông. Mặc dù sấm và chớp được tạo ra đồng thời, nhưng bao giờ ta cũng thấy chớp trước khi nghe thấy tiếng sấm. Lại một lần nữa, điều này phản ánh sự khác biệt rất lớn về vận tốc giữa ánh sáng và âm thanh. Thành công của thuyết tương đối hẹp là cho chúng ta biết rằng không thể có tình huống ngược lại, tức là một tín hiệu nào đó đến chúng ta trước cả ánh sáng do nó phát ra. Không có gì chạy nhanh hơn các photon.
Nhưng đây mới là toàn bộ khó khăn. Trong lý thuyết hấp dẫn của Newton, một vật tác dụng một lực hút hấp dẫn lên vật khác với cường độ chỉ được xác định bởi khối lượng của hai vật và độ lớn của khoảng cách giữa chúng. Chứ nó không có liên quan gì tới chuyện hai vật đã có mặt trong sự hiện diện của nhau bao nhiêu lâu. Điều này có nghĩa là nếu như khối lượng hoặc khoảng cách giữa chúng thay đổi, thì theo Newton, các vật sẽ ngay tức thì cảm thấy sự thay đổi trong lực hút hấp dẫn của chúng. Ví dụ, lý thuyết hấp dẫn của Newton tuyên bố rằng nếu Mặt Trời đột nhiên bùng nổ thì Trái Đất ở cách xa 150 triệu kilômét sẽ ngay tức thì rời khỏi quỹ đạo elip vốn có của nó. Mặc dù ngay cả ánh sáng phát ra từ vụ nổ cũng phải mất tới 8 phút mới tới được Trái Đất, nhưng theo lý thuyết của Newton thì thông tin Mặt Trời bùng nổ sẽ được truyền đi tức thời tới Trái Đất thông qua sự thay đổi tức thì của lực hấp dẫn chi phối chuyển động của nó.
Kết luận này mâu thuẫn trực tiếp với thuyết tương đối hẹp, vì thuyết này đảm bảo rằng không có thông tin nào có thể được truyền đi nhanh hơn vận tốc ánh sáng và sự truyền đi tức thời đã vi phạm quan niệm này một cách tối đa.
Như vậy, vào đầu thế kỷ XX, Einstein đã nhận thấy rằng lý thuyết hấp dẫn cực kỳ thành công của Newton đã xung đột với thuyết tương đối hẹp của ông. Tin tưởng vào sự đúng đắn của thuyết tương đối hẹp và bất chấp cả núi những bằng chứng thực nghiệm khẳng định lý thuyết hấp dẫn của Newton, Einstein đã lao vào tìm kiếm một lý thuyết mới tương thích được với thuyết tương đối hẹp. Cuối cùng, ông đã phát minh ra thuyết tương đối rộng, trong đó đặc tính của không gian và thời gian lại một lần nữa phải trải qua những biến đổi đáng kể.
Ý tưởng hay nhất của Einstein
Ngay cả trước khi phát minh ra thuyết tương đối hẹp, lý thuyết hấp dẫn của Newton đã thiếu một điều hết sức căn bản. Mặc dù nó đã được dùng để đưa ra những tiên đoán hết sức chính xác về chuyển động của các vật đưới tác dụng của lực hấp dẫn, nhưng nó không cho biết lực hấp dẫn là cái gì. Nghĩa là bằng cách nào mà hai vật ở cách xa nhau, thậm chí tới hàng triệu kilômét, nếu không nói là còn lớn hơn nữa, lại có thể tác động đến chuyển động của nhau? Bằng cách nào mà lực hấp dẫn đã thực hiện được sứ mệnh đó? Đây là vấn đề mà chính Newton cũng đã ý thức được. Mời bạn hãy đọc những dòng do chính ông viết:
Thật không thể chấp nhận được chuyện vật chất vô tri, không có sự trung gian của bất cứ cái gì khác phi vật chất, lại có thể tác động lên vật chất khác mà không có sự tiếp xúc với nhau. Việc lực hấp dẫn là vốn có và căn bản đối với vật chất tới mức một vật có thể tác dụng lên một vật khác ở cách xa trong chân không, không có sự trung gian của một vật nào, mà qua đó tác dụng của chúng và lực có thể truyền đi, từ vật này tới vật khác, đối với tôi là một điều cực kỳ vô lý và tôi tin rằng không có một người nào có khả năng tư duy triết học lại có thể chấp nhận được điều đó. Hấp dẫn cần phải được gây bởi một tác nhân thường xuyên tác động theo một quy luật nào đó, nhưng tác nhân này là vật chất hay phi vật chất thì tôi xin dành cho bạn đọc suy nghĩ.
Như vậy có nghĩa là, Newton đã chấp nhận trước sự tồn tại của hấp dẫn và dẫn ra những phương trình mô tả chính xác những hiệu ứng của nó, chứ ông chưa bao giờ khám phá đến tận cùng sự hoạt động của nó. Ông đã trao cho thế giới một cuốn sách hướng dẫn sử dụng lực hấp dẫn mà các nhà vật lý, các nhà thiên văn và các kỹ sư đã khai thác rất thành công để phóng các tên lửa tới Mặt Trăng, sao Hỏa và các hành tinh khác trong hệ Mặt Trời; để tiên đoán nhật thực và nguyệt thực, tiên đoán chuyển động của các sao chổi v.v... Nhưng hoạt động nội tại của nó, những thứ bên trong của cái hộp đen hấp dẫn thì ông vẫn bỏ lại với sự bí ẩn hoàn toàn. Khi bạn sử dụng một đầu CD hoặc chiếc máy tính cá nhân, bạn cũng cảm thấy mình rơi vào trạng thái mù tịt tương tự đối với sự hoạt động bên trong của nó. Một khi mà bạn đã biết sử dụng nó, thì bạn cũng như bất cứ ai khác đều chưa cần biết những nhiệm vụ mà bạn đã đặt ra cho nó được thực hiện như thế nào. Nhưng nếu chiếc đầu CD hay chiếc máy tính cá nhân của bạn bị trục trặc, thì việc sửa chữa đòi hỏi phải biết về sự hoạt động bên trong của nó. Tương tự như vậy, Einstein cũng nhận thấy rằng bất chấp những khẳng định bằng thực nghiệm hàng trăm năm của lý thuyết Newton về hấp dẫn, lý thuyết tương đối hẹp của ông đã rút ra kết luận rằng lý thuyết đó bị trục trặc, tất nhiên theo một cách hết sức tinh vi, và việc sửa chữa nó đòi hỏi phải nắm được bản chất đúng đắn và đầy đủ của hấp dẫn.
Năm 1907, trong khi đang suy tư về những vấn đề này bên bàn làm việc tại Văn phòng đăng ký sáng chế phát minh tại Bern, Thuỵ Sĩ, Einstein đã nảy ra một phát hiện quan trọng và phát hiện này, từng bước một, cuối cùng đã đưa ông tới một lý thuyết hoàn toàn mới về hấp dẫn. Lý thuyết không chỉ đơn giản là sự bổ khuyết cho lý thuyết hấp dẫn của Newton, mà thực chất nó xây dựng lại mới hoàn toàn tư tưởng về hấp dẫn và điều quan trọng nhất là nó hoàn toàn phù hợp với thuyết tương đối hẹp.
Phát hiện của Einstein có liên quan tới câu hỏi mà có lẽ bạn đã từng băn khoăn ở Chương 2, ở đó chúng ta đã nhấn mạnh rằng chúng ta chỉ quan tâm tới vấn đề: Vũ trụ sẽ được nhìn thế nào dưới con mắt của những người quan sát chuyển động đối với nhau với vận tốc không đổi. Bằng cách so sánh kỹ lưỡng những quan sát của họ, chúng ta đã phát hiện ra nhiều hệ quả lạ lùng liên quan tới bản chất của không gian và thời gian. Nhưng nếu những người quan sát lại chuyển động có gia tốc thì sao? Những quan sát của họ sẽ phức tạp, khó phân tích hơn so với trường hợp những người quan sát chuyển động với vận tốc không đổi. Tuy nhiên, một câu hỏi tự nhiên đặt ra là liệu có cách nào chế ngự được sự phức tạp đó và làm cho chuyển động có gia tốc dung hòa được với quan niệm mới của chúng ta về không gian và thời gian hay không?
Phát hiện sáng giá nhất của Einstein cho chúng ta biết phải làm điều đó như thế nào. Để hiểu phát hiện này, hãy hình dung chúng ta đang ở năm 2050 và bạn là vua của các chuyên gia về chất nổ của FBI. Một hôm bạn nhận được một cú điện thoại hốt hoảng báo rằng có một quả bom rất tinh xảo được gài ở ngay trung tâm Washington D.C. Sau khi lao tới hiện trường và khảo sát quả bom, cơn ác mộng tồi tệ nhất của bạn đã hiện hình: đó là một quả bom hạt nhân với công suất lớn tới mức nếu nó được chôn sâu trong vỏ Trái Đất hay thả xuống đáy đại dương thì sức phá hoại của nó cũng còn rất ghê gớm. Sau khi xem xét kỹ lượng cơ cấu của ngòi nổ, bạn thấy rằng không có hy vọng gì tháo được ngòi này ra và hơn thế nữa bạn còn phát hiện ra trong đó có một cái bẫy nữa. Quả bom được đặt trên một cái cân. Chỉ cần cân lệch khỏi giá trị hiện thời 50% quả bom lập tức sẽ phát nổ. Theo cơ chế hẹn giờ, bạn biết được rằng thời hạn dành cho bạn chỉ còn một tuần lễ nữa. Số phận hàng triệu người đang đặt trên đôi vai bạn, bạn sẽ phải làm gì đây?
Sau khi đã biết chắc rằng không có một nơi an toàn nào ở trên cũng như dưới đất để cho quả bom này phát nổ, bạn nhận thấy dường như chỉ có cách lựa chọn duy nhất, đó là đưa quả bom đi rất xa ra ngoài khoảng không Vũ trụ, nơi mà quả bom nổ sẽ không gây ra tai họa nào. Bạn đã trình bày ý tưởng đó tại một cuộc họp FBI và toàn bộ kế hoạch của bạn đã bị một trợ tá trẻ tuổi tên là Isaac bác bỏ hoàn toàn: Có một vấn đề nghiêm trọng trong kế hoạch của ông Isaac nói Vì quả bom càng đưa ra xa Trái Đất trọng lượng của nó càng giảm vì lực hút của Trái Đất lên nó sẽ giảm. Điều này có nghĩa là số chỉ của chiếc cân cũng sẽ giảm, do đó quả bom sẽ phát nổ trước khi chúng ta kịp đưa nó tới nơi an toàn. Trước khi bạn có đủ thời gian để suy ngẫm kỹ càng về lời phê phán đó, thì một trợ tá trẻ khác tên là Albert lại lên tiếng: Thực tế, còn có một vấn đề nữa. Vấn đề này cũng quan trọng không kém vấn đề mà Isaac vừa nêu ra, nhưng tinh tế hơn. Tôi xin phép được giải thích. Do muốn có thời gian để suy nghĩ về sự bác bỏ của Isaac, bạn định ngắt lời Albert, nhưng như thường lệ, một khi anh ta đã nói thì không ai bắt anh ta dừng lại được.
Để phóng quả bom vào khoảng không Vũ trụ, ta cần phải lắp nó lên một tên lửa. Khi tên lửa gia tốc hướng lên trên để vượt ra khỏi bầu khí quyển đi vào không gian, số chỉ của cân sẽ tăng, do đó sẽ lại làm cho quả bom nổ trước khi tới nơi đã định. Như các vị thấy, đế của quả bom đứng yên trên bàn cân sẽ đè mạnh hơn lên cân so với khi tất cả đều đứng yên, giống như cơ thể bạn bị ép chặt vào lưng ghế trên chiếc xe đang tăng tốc. Quả bom cũng sẽ ép xuống bàn cân hệt như lưng bạn ép vào lưng ghế ngồi trong xe. Khi cân bị ép như vậy, tất nhiên số chỉ của nó sẽ tăng và điều đó sẽ làm cho quả bom phát nổ nếu sự tăng đó vượt quá 50%.
Bạn cám ơn Albert về sự giải thích của anh ta, nhưng do không tập trung nghe vì mải suy nghĩ về ý kiến của Isaac, bạn buồn bã tuyên bố rằng: chỉ cần một đòn chí mạng là đã đủ đập tan một ý tưởng rồi và sự phản đối rõ ràng là đúng đắn của Isaac đã làm được việc đó. Cảm thấy hơi tuyệt vọng bạn bèn đề nghị mọi người hãy đưa ra những sáng kiến mới. Đúng lúc đó Albert nảy ra một ý tưởng đáng kinh ngạc: Nghĩ đi nghĩ lại, cuối cùng tôi thấy rằng ý tưởng của ông không hỏng hoàn toàn. Ý kiến của Isaac cho rằng lực hấp dẫn giảm khi quả bom được đưa vào không gian, điều này có nghĩa là số chỉ của cân giảm. Còn ý kiến của tôi lại cho rằng gia tốc hướng lên của tên lửa sẽ làm cho quả bom đè lên cân mạnh hơn, nghĩa là sẽ làm cho số chỉ của nó tăng lên. Như vậy, nếu chúng ta hiệu chỉnh một cách chính xác gia tốc của tên lửa từng thời điểm một khi nó bay lên, thì hai hiệu ứng đó có thể sẽ triệt tiêu nhau! Đặc biệt, trong những giai đoạn bắt đầu nâng lên, khi mà tên lửa còn cảm thấy đầy đủ sức mạnh của lực hấp dẫn, nó vẫn có thể gia tốc, miễn sao không quá lớn để vẫn còn nằm trong khoảng cho phép 50%. Khi tên lửa ngày càng xa Trái Đất hơn, do đó ngày càng cảm thấy lực hấp dẫn của Trái Đất nhỏ hơn, chúng ta phải tăng tốc mạnh hơn để bù trừ lại. Độ tăng số chỉ của cân do gia tốc hướng lên có thể điều chỉnh đúng bằng độ giảm của nó do lực hút hấp dẫn giảm. Và như vậy, chúng ta có thể giữ cho chỉ số của cân hoàn toàn không thay đổi.
Đề xuất của Albert đã dần dần hiện hình trong đầu óc bạn. Nói một cách khác, bạn nói gia tốc hướng lên có thể cho ta một thứ thay thế được cho lực hấp dẫn. Và như vậy, chúng ta có thể mô phỏng hấp dẫn thông qua một chuyển động được gia tốc thích hợp.
Đúng như thế Albert đáp.
Như vậy, bạn tiếp tục chúng ta có thể phóng quả bom vào không gian và bằng cách hiệu chỉnh gia tốc của tên lửa một cách chính xác chúng ta có thể đảm bảo rằng số chỉ của cân không thay đổi, và như vậy tránh được sự phát nổ của quả bom trước khi nó được đưa đến nơi an toàn. Thành thử, bằng cách cho lực hấp dẫn và chuyển động có gia tốc thi đấu giằng co tất nhiên còn nhờ vào độ chính xác của khoa học tên lửa thế kỷ XXI nữa bạn có thể thoát khỏi tai họa.
Sự thừa nhận hấp dẫn và chuyển động gia tốc có liên quan mật thiết với nhau chính là ý tưởng hay nhất của Einstein đã nảy ra trong một ngày hạnh phúc của ông tại Văn phòng đăng ký sáng chế phát minh ở Bern. Mặc dù, câu chuyện về quả bom đã làm nổi rõ thực chất của ý tưởng đó, nhưng cũng cần phải trình bày lại nó trong một khuôn khổ gần gũi với Chương 2 hơn. Hãy nhớ lại rằng nếu bạn bị nhốt trong một toa xe bịt kín không có cửa sổ và con tàu chuyển động không có gia tốc, thì bạn không có cách gì xác định được vận tốc của bạn. Khi đó, toa xe nhìn hoàn toàn như khi nó đứng yên và mọi thí nghiệm mà bạn tiến hành đều cho cùng một kết quả bất chấp con tàu chạy nhanh tới mức nào. Cơ bản hơn nữa, nếu không có các vật mốc bên ngoài thì bạn cũng không có cách nào gán được một vận tốc cho chuyển động của bạn. Trái lại, nếu bạn chuyển động có gia tốc, thì ngay cả khi bị giam trong một toa xe bịt kín, bạn cũng vẫn sẽ cảm nhận được có một lực tác dụng lên bạn. Ví dụ, nếu chiếc ghế của bạn ngồi hướng vế phía đầu tàu và được vít chặt vào sàn tàu, thì khi con tàu tăng tốc, bạn sẽ cảm thấy lưng ghế tác dụng một lực vào lưng bạn hệt như trường hợp được mô tả bởi Albert. Tương tự, nếu như bạn ở trong thang máy đang gia tốc hướng lên thì bạn sẽ cảm thấy sàn cabin thang máy tác dụng một lực lên chân bạn. Phát hiện của Einstein nói rằng trong cabin kín mít của mình, bạn sẽ không thể nào phân biệt được những tình huống có gia tốc với những tình huống không có gia tốc nhưng có lực hấp dẫn: khi độ lớn của chúng được hiệu chỉnh một cách hợp lý, thì lực mà bạn cảm thấy từ trường hấp dẫn và từ chuyển động có gia tốc là không thể phân biệt được. Nếu như cabin của bạn đặt đứng yên trên mặt đất, bạn sẽ cảm thấy lực tác dụng quen thuộc của sàn cabin tác dụng lên chân bạn hệt như trong kịch bản gia tốc hướng lên. Đó chính là sự tương đương mà Albert đã khai thác trong giải pháp mà anh ta đưa ra để phóng quả bom của bọn khủng bố lên không gian. Nếu lật cabin của bạn ra phía sau (tức là lưng ghế của bạn bây giờ nằm song song với mặt đất ND) và vẫn nằm yên trên mặt đất thì bạn sẽ cảm thấy lực do lưng ghế tác dụng lên lưng bạn (để đỡ cho bạn khỏi ngã) hệt như khi cabin của bạn được gia tốc theo phương nằm ngang. Einstein đã gọi sự không thể phân biệt giữa chuyển động có gia tốc và hấp dẫn là nguyên lý tương đương[1]. Nguyên lý này đóng vai trò trung tâm của thuyết tương đối rộng.
Những điều nói trên cho thấy rằng thuyết tương đối rộng đã hoàn tất một công việc đã được khởi đầu bởi thuyết tương đối hẹp. Thông qua nguyên lý tương đối, thuyết tương đối hẹp đã tuyên bố sự dân chủ giữa tất cả các điểm quan sát khác nhau: các định luật vật lý là như nhau đối với tất cả những người quan sát chuyển động thẳng đều đối với nhau. Nhưng thật ra đây vẫn là một nền dân chủ hạn chế, vì nó đã loại trừ rất nhiều quan điểm khác, đó là quan điểm của những người quan sát chuyển động có gia tốc. Phát hiện năm 1907 của Einstein đã cho chúng ta biết cách bao quát tất cả mọi quan điểm trong một khuôn khổ bình đẳng. Vì không có sự khác nhau giữa người quan sát chuyển động có gia tốc khi không có hấp dẫn và người quan sát không có gia tốc nhưng lại trong trường hấp dẫn, nên ta có thể khẳng định rằng tất cả mọi người quan sát, bất kể trạng thái chuyển động của họ, đều có thể tuyên bố rằng họ là đứng yên và phần còn lại của thế giới chuyển động qua bên cạnh họ với điều kiện họ đưa vào một trường hấp dẫn thích hợp để mô tả những thứ xung quanh họ. Theo nghĩa đó, thông qua việc đưa trường hấp dẫn vào, thuyết tương đối rộng đã đảm bảo rằng mọi điểm quan sát khả dĩ đều hoàn toàn bình đẳng với nhau. (Như chúng ta sẽ thấy ở sau, điều này có nghĩa là sự phân biệt giữa những người quan sát ở Chương 2 chuyển động có gia tốc đối với nhau như George đuổi theo Gracie nhờ bật động cơ phản lực đeo ở lưng và già chậm hơn cô ta chấp nhận sự mô tả tương đương khi không có gia tốc nhưng có trường hấp dẫn).
Mối liên hệ sâu xa này giữa hấp dẫn và chuyển động có gia tốc là một phát hiện sáng giá, nhưng tại sao Einstein vẫn còn chưa thoả mãn? Nguyên nhân, nói một cách đơn giản, là bởi vì bản chất của hấp dẫn trong đời sống của Vũ trụ, nhưng lại là một lực siêu thoát và khó nắm bắt. Trái lại, chuyển động có gia tốc mặc dù hơi phức tạp hơn chuyển động có vận tốc không đổi, nhưng vẫn còn là cụ thể và có thể sờ mó được. Bằng cách tìm ra mối liên hệ thứ hai đó, Einstein nhận thấy rằng ông có thể dùng sự hiểu biết của mình về chuyển động như một công cụ mạnh để đạt được sự hiểu biết tương tự về hấp dẫn. Tuy nhiên, thực hiện chiến lược đó trên thực tế không phải là một nhiệm vụ dễ dàng, cho dù là bậc thiên tài như Einstein. Nhưng rồi cuối cùng, cách tiếp cận đó đã mang lại cho ông thành quả, đó là thuyết tương đối rộng. Và để đạt được tới đó, Einstein còn phải rèn đúc một mắt thứ hai trong dây xích kết nối hấp dẫn với chuyển động có gia tốc, đó là độ cong của không gian và thời gian mà chúng ta sẽ đề cập tới ở mục sau.
[1] Nói một cách chính xác hơn, Einstein đã nhận thấy rằng nguyên lý tương đương đúng chừng nào mà những quan sát của bạn được giới hạn trong một vùng đủ nhỏ của không gian (tức cái cabin của bạn là đủ nhỏ). Lý do là như sau. Các trường hấp dẫn có thể thay đổi cường độ và về hướng từ nơi này sang nơi khác. Nhưng chúng ta hình dung rằng toàn bộ cabin của bạn được gia tốc như một khối duy nhất và do đó gia tốc của bạn mô phỏng một trường hấp dẫn đều duy nhất. Khi cabin của bạn thu nhỏ dần, sẽ càng có ít chỗ cho trường hấp dẫn thay đổi, nên nguyên lý tương đương càng áp dụng tốt hơn. Về mặt kỹ thuật, sự sai khác giữa trường hấp dẫn thực có thể không đều được tạo bởi một tập hợp các vật có khối lượng nào đó được gọi là trường hấp dẫn thuỷ triều (vì nó giải thích được tác động hấp dẫn của Mặt Trăng lên thuỷ triều của Trái Đất). Nói tóm lại, lực hấp dẫn thuỷ triều sẽ trở nên ít đáng kể hơn nếu như cabin của bạn thu nhỏ lại, làm cho chuyển động có gia tốc và trường hấp dẫn thực sự trở nên không thể phân biệt được.
Còn nữa
Cuốn Giai điệu dây và bản giao hưởng vũ trụ của tác giả Brian Greene, do Phạm Văn Thiều dịch. Nhà xuất bản Trẻ ấn hành năm 2003.
