19/3/2015
Tiến bộ vật lý học ngày nay, con em Việt Nam nên biết thêm :
Năm 1949 học ban tú tài tóan trường Chasseloup Laubat ( nay là Lê Qúy Đôn ? ), chúng tôi chỉ được nghe thóang qua lý thuyết Einstein khi giáo sư Pháp dạy triết lý giảng về triết học Bergson và ở môn vật lý học thì chỉ nghe nói về lý thuyết Newton. Nay thì tình trạng này đã và đang thay đổi nhờ nhiều thí nghiệm táo bạo các viễn vọng kính tiến xa chưa bao giờ thấy và ở vài ca nhiều phương cách hòan tòan mới thu thập dữ liệu, điềm tĩnh nghiên cứu cách nào trọng lực- gravity cư xử quanh vài vật thể cực kỳ nhất vũ trụ. Theo Neil Cornish, một nhà vật lý học viện đại học bang Montana State University, đúng là nơi lý thuyết tương đối tổng quát - general relativity thật sự đang tiến tới. Những viễn vọng kính uy vũ đã xem xét nhìn những nấc cụt tí teo trong tiếng kêu vo vo của các xác chết ngôi sao, tên gọi là pulsars. Một cố gắng tòan cầu sẽ chụp hình nay mai lần đầu tiên một lỗ đen - black hole . Và những máy dò to lớn làn sóng hấp dẫn - huge gravitational wave detectors sẽ rà dò - scan hàng ngàn thiên hà, xem xét những gợn sóng lăn tăn ở cấu tạo vũ trụ của không gian - thời gian , space- time . Mỗi thí nghiệm này, vài lọai là những thí nghiệm tham vọng nhất chưa hề thấy, sẽ thử nghiệm - test một lý thuyết mà chỉ một người viết ra trên giấy bằng bút chì cách đây một thế kỷ. Tuy nhiên, đa số các nhà vật lý học vẫn còn cá cuộc trên người này , là Einstein. Sau đây là Adam Hadhazy , nhà viết tự do về Khoa học, hiện căn cứ tại bang New Jersey- Hoa Kỳ, giải thích về lý thuyết tương đối Einstein ở nguyệt san Khám phá - Discover, số tháng tư năm 2015.
I- Thử nghiệm lý thuyết tương đối- relativity
Khi ông tiết lộ lý thuyết tổng quát về tương đối, Albert Einstein không hòan tòan được khen ngợi đón chào. Hầu như không một ai biết tận tường tóan học cần thiết để hiểu rỏ những ý kiến trừu tượng của Eintein, và lúc đó ông cũng chưa có chứng cớ hổ trợ chúng. Thế những trong vòng một thế kỷ kể từ khi nó được đề nghị, lý thuyết Einstein tiếp tục trải qua mỗi ngày mỗi nhiều hơn các thử nghiệm chặc chẻ. Nó vẫn duy trì giải thích tốt đẹp nhất của chúng ta về hiện tượng trọng lực - gravity. Lý thuyết đã chịu đựng mọi thứ tiên đóan hoang dại, đa số sôi bỏng như sau: sự hấp dẫn - gravitation cư xử như nhau với tất cả các nhà quan sát, thành quả từ làm cong đi “ không gian - thời gian, space-time” của cấu trúc vũ trụ.
Các khái niệm Einstein đã được xác nhận - đúng như là ông ước đóan, theo những kích thước từ một bánh mì kẹp chỉ dài 30 cm đến những cụm thiên hà rộng hàng triệu năm ánh sáng ( 1 năm ánh sáng là 9460 tỉ km ). Giữa đó, lý thuyết tương đối tổng quát đã để dấu lại cho Hệ thống Định Vị Tòan Cầu - Global Positioning System, GPS trong khi giải thích các qủi đạo hành tinh bất thường và các nhảy múa cái chết xoay tít của các ngôi sao khổng lồ còn sót lại. Theo nhà vật lý học Clifford Will Viện Đại học Florida, “ chúng ta vẫn còn sử dụng lý thuyết này đã được sáng chế cách đây 100 năm, và nó vẫn họat động tốt đẹp một cách đáng ngạc nhiên ở nhiều tình trạng khác nhau”. Sau đây là 6 thí dụ cách nào lý thuyết cột mốc Einstein đã đứng vững ở các thử nghiệm ( không gian và ) thời gian.
1- Sao Thủy - Mercury một trục trặc của ma trận - matrix Newton: đám rước của Sao Thủy ở điểm gần mặt trời nhất - perihelion procession of Mercury
Định luật về trọng lực của Isaac Newton có lẽ ăn mừng lớn nhất vào giữa thập niên 1800 cùng khám phá ra Sao Hải Vương - Neptune . Năm 1846, nhà tóan học Pháp Urbain Le Verrier nhai lạo xạo các con số về quỉ đạo kỳ quặc của Sao Thiên Vương - Uranus , có thể gây ra bởi một thân thể to bự khác, và chỉ vài tháng sau các nhà thiên văn Đức chấm ra Sao Hải Vương luẫn quẩn tại nơi các luật Newton tiên đóan. Khôi hài thay, chính một khác biệt quỉ đạo khác, trở thành một tiếng chạm cốc loảng xỏang ở áo giáp Newton, mà các ý kiến Einstein mở cửa rộng toang.
Năm 1859, Le Verrier nhấn mạnh là hành tinh Sao Thủy đã tiến tới vị trí quỉ đạo gần mặt trời nhất rồi , tên Anh là perihelion , nữa giây đồng hồ sau thời biểu định. Theo Daniel Holz, giáo sư vật lý học Viện đại học Chicago “ Sao Thủy không cư xử đúng hẳn phương cách Newton nói nó phải làm”. Cái gọi là đám rước của perihelion Sao Thủy không nhiều: nó họat độ sai lầm mỗi quỉ đạo chỉ chừng một phần triệu phần trăm các tiên đóan Newton. Tuy nhiên theo mỗi lần xoay tròn ( Quỉ đạo Sao Thủy là 88- ngày năm ), hành tinh cứng đầu xuất hiện sai lạc trong thời gian perihelion từ nơi các nhà thiên văn học chờ đợi nó .
Thọat tiên họ giả thiết là, cũng như với giải pháp Sao Thiên Vương, một hành tinh khác phải hiện diện gần mặt trời hơn, làm tai hại cho quỉ đạo Sao Thủy. Thế giới phỏng đóan này còn có tên là Vulcan. Nhiều chục năm tìm kiếm cũng không tìm thấy thế giới cháy sém này. Einstein bước đến. Năm 1915, lý thuyết mới tinh của Einstein xác nhận chính xác tính kỳ quặc của Sao Thủy, cuối cùng là do sai lệch - cong đi của không gian - thời gian do khối lượng đồ sộ của mặt trời sản xuất ra.
Những đám rước - processions của perihelion tương tự, tất cả đều thỏa thuận hòan tòan với tương đối tổng quát, sau đó đã được tư liệu cho những hệ thống Ngôi sao khác , tên gọi là pun xa - ( sao trung hòa tử ) hai chiều- binary pulsars. Những cặp ngôi sao trung hòa tử -- neutron này, các sao khổng lồ sụp đổ còn sót lại siêu dày đặc - ultra dense -quất vụt quanh nhau đúng hẳn theo Einstein nói là chúng phải làm điều này, dù rằng không một ai đã hình dung những vật thể này, mãi cho đến thập niên 1930.
2- Làm cong đi như Einstein hay Độ lệch Ánh Sáng của những Thân thể Vũ trụ
Thành công thọat tiên của Einstein, giải thích trò con rối Sao Thủy, không phóng ông lên địa vị siêu sao. Ôm hôn ông chỉ đến vài năm sau, cùng với xác minh những tiên đóan táo bạo của một tương đối tổng qúat khác: các vật thể to bự tỉ như mặt trời phải làm vênh đủ không gian - thời gian, đẩy các tia ánh sáng đi qua ra khỏi đường đi. Công trình của Einstein khích động chú tâm của nhà thiên Văn Anh Arthur Eddington, nhìn nhận một cơ hội lớn thử nghiệm độ lệch - deflection ánh sáng này. Ngày 29 tháng 5 năm 1919, mặt trời sẽ thuận lợi trải qua một nhật thực - solar eclipse chận đứng chói lọi tràn đầy của mặt trời, khi đến gần một nhóm sáng lạn ngôi sao phía sau tên gọi là Hyades. Nếu Einstein đúng, hiện diện của mặt trời sẽ làm ánh sáng lệch đi, tế nhị thay đổi vị trí chúng trên trời.
Eddington sắp xếp một cặp thám hiểm, một tới Sobral - Ba Tây, Brazil và một tới Principe, một đảo ngòai khơi bờ biển miền Tây Phi châu, để nhìn xem việc làm cong đi ánh sáng các ngôi sao Hyades, khi bóng râm nhật thực quét khắp Tây Phi Châu và Brazil . Chắc chắn là sự lệch chỗ nhỏ nhoi tiên liệu của ánh sáng các ngôi sao đã hiện rỏ rệt. Tin tức khám phá này đăng tít trang đầu ở mọi báo chí tòan cầu với London Times số ngày 7 tháng 11 tuyên bố : “ Cách Mạng ở Khoa học/ Lý thuyết mới của Vũ trụ/ Các ý kiến của Newton bị lật nhào.” Einstein, đáng ngạc nhiên cho một nhà vật lý học, đã trở thành một tên tuổi gia thất Anh.
“ Lăng kính sự hấp dẫn” tạo ra bằng cách làm cong đi ánh sáng, xuyên qua không gian - thời gian bị vênh, trở nên một dụng cụ thiết yếu thăm dò vũ trụ. Will nói: “tôi gọi nó là quà tặng của Einstein cho thiên văn học.” Các cụm thiên hà địa vị nổi bật có thể làm vênh và phóng đại ánh sáng các tiền thiên hà - protogalaxies xa xôi và nổi bật, chẳng hạn, giúp các nhà vũ trụ học thoáng nhìn những thời kỳ khởi thủy của vũ trụ .
3- Trải dài Ánh sáng và Thời gian hay Thay đổi Đỏ do Hấp dẫn - Gravitational Redshifting của Ánh Sáng
Song song cùng hai tiên đóan trước, thí dụ thứ ba hòan thành ba thử nghiệm cổ điển Einstein cho là cực trọng, chứng minh tương đối tổng quát và đây là một thử nghiệm Einstein không còn sống để nhìn thấy. Tương đối thừa nhận là đúng là ánh sáng ra xa khỏi một vật thể khối lượng to bự, trọng lực của bẻ cong không gian - thời gian trải dài ánh sáng, tăng thêm chiều dài làn sóng nó. Với ánh sáng, chiều dài làn sóng xếp ngang hàng năng lượng và màu sắc; ánh sáng ít năng lượng hơn có khuynh hướng hướng về phần màu đỏ của quang phổ hơn là các chiều dài làn sóng ngắn hơn, nghĩa là ánh sáng xanh dương. Ảnh hưởng “ thay đổi màu đỏ - redshifting” hấp dẫn tiên đóan này đã rất yếu kém khó thăm dò được hàng chục năm qua, nhưng năm 1959, nhà vật lý học Harvard Robert Pond và sinh viên cao học của ông là Glen Rebka Jr. đã có một ý kiến .
Họ đã thiết lập một mẩu sắt phóng xạ- radioactive iron từ một thân cột thang máy ở một xây cất Harvard, để cho phóng xạ du hành từ tầng hầm đến mái nhà, nơi đây họ cài đặt một máy dò - detector. Dù nhịp thang chỉ có 74 bộ ( 22.2 mét ), nhưng cũng đủ cho các tia gamma mất đi khỏang hai phần tỉ - trillions phần trăm năng lượng chúng, vì uốn cong hấp dẫn của không gian - thời gian của hành tinh khối lượng, theo công viên trò chơi các tiên đóan của Einstein. Hầu đóng đinh kín ảnh hưởng tương đối này, NASA phóng đi, năm 1976, hỏa tiễn Thăm dò A Trọng lực - Gravity Probe A rocket. Lúc này các nhà khảo cứu cố tìm một thay đổi tần số chiều dài làn sóng - với các chiều dài làn sóng ngắn hơn nghĩa là tần số cao hơn và ngược lại - vice versa - theo một lọai laser ở đồng hồ nguyên tử. Ở đỉnh cao 6200 dặm Anh( gần 10500 km ), một đồng hồ trên boong Gravity Probe A sẽ chạy đôi chút mau lẹ hơn đồng hồ ở mặt đất. Khác biệt chỉ là 70 phần triệu, nhưng cũng đúng theo tóan Einstein tính ra, cùng với mức chính xác chưa bao giờ đạt được.
Năm 2010, các nhà khoa học ở Viện Quốc gia Tiêu Chuẩn và Kỷ thuật Hoa Kỳ đi xa hơn nữa, trình bày là cứ một bộ ( 30 cm ) độ cao cao hơn, một đồng hồ sẽ chạy 4 four- hundred - quadrillionths maul ẹ hơn mỗi giây. Bạn lấy đi theo ý nghĩ là đầu bạn luôn luôn lảo hóa (già cỗi ) hơi mau lẹ hơn đôi chân bạn. Will nói : “ đó là một thí nghiệm phi thường đủ sức để đo lường mọi khác biệt về tỉ xuất của thời gian trên một khỏang cách - cự ly rất nhỏ bé. Ở kích thước thực tiễn hơn, ảnh hưởng như vậy sẽ nêm chặc Hệ thống Định Vị Tòan Cầu- GPS , nơi các vệ tinh quỉ đạo phải được điều chỉnh 38 phần triệu của một giây đồng hồ mỗi ngày, hầu đứng vững đồng bộ với bề mặt trái đất. Theo Will, nếu không có sự sửa sai này, “ GPS sẽ không họat động được” .
4- Gián đọan Ánh sáng hay Ảnh hưởng Shapiro; Trì hõan- làm Chậm trễ Tương đối luận của Ánh sáng
Thường được mệnh danh là thử nghiệm cổ điển thứ tư của tương đối tổng quát và đây là con tinh thần của nhà vật lý học Harvard Irwin Shapiro, thí nghiệm đo ánh sáng cần bao lâu thời gian để du hành từ A đến B và trở lui. Nếu Einstein đúng ý, ánh sáng phải cần lâu hơn nếu trên lối đi có một vật thể khối lượng to bự. Vào đầu thập niên 1960, Shapiro đề nghị thử nghiệm này bằng cách làm dội nẩy đi một tín hiệu rađar khỏi Sao Thủy khi hành tinh này ở vị trí ngay gần mặt trời ( tính từ viễn cảnh ở Trái đất ). Shapiro tính ra là trọng lực mặt trời phải làm chậm trễ tín hiệu radar khỏang chừng hai trăm phần triệu ( two- hundred - millionths ) một giây đồng hồ , so với thời gian trở về từ Sao Thủy không có mặt trời gần đó. Shapiro nói: “ điều này không chính xác là một thiên thu - eternity” .
Các thử nghiệm bắt đầu năm 1966, dùng ăng ten rađiô rộng 120 bộ ( 36m ) của đài Quan Sát Haystack MIT. Dội vọng từ Sao Thủy gần y hệt tính tóan Shapiro. Nhưng gần kề chưa đủ tốt đẹp. Đó chỉ mới là một bất thường trẻ em nhỏ xíu ở quỉ đạo Sao Thủy có thể lật nhào các định luật Newton. Thế cho nên để xác định ảnh hưởng Shapiro xa hơn nữa, các nhà vật lý học rời bỏ các hành tinh , vì các bề mặt gồ ghề phần tán vài tín hiệu radar, tiến tới các mục tiêu phẳng lì hơn: phi thuyền không gian . Năm 1979 , các máy đổ bộ Viking landers ở Sao Hỏa - Mars làm ra một thử nghiệm tốt đẹp cho sự trì hõan thời gian Shapiro. Rồi năm 2003, các nhà khảo cứu Ý dò ra một trì hõan thời gian, ở các tín hiệu truyền thông trên phi thuyền Cassini, đang trên đường bay đến Sao Thổ - Saturn. Mức chính xác là 20 phần triệu, 20 lần tốt đẹp hơn các thành quả của Vikings và bạn có biết không, nó đúng y tương đối tổng quát.
5- Bỏ rơi khoa học hay Nguyên tắc tính Tương đương-the Equivalence Principle
Nguyên tắc tính tương đương nằm ở trọng tâm của tương đối tổng quát. Nó tuyên ngôn là các thân thể “ rơi xuống - fall” cùng một tỉ xuất xuyên qua một trường hấp dẫn- gravitational field, dù khối lượng hay cơ cấu chúng thế nào đi nữa. Xây đắp trên ý kiến này , nguyên tắc cũng cho là các định luật vật lý học khác trong một khung cảnh tham khảo nào đó, phải họat động, độc lập với sức mạnh trọng lực địa phương; nói một cách khác đồng xu bạn búng quay khi tuần tra trên một phi cơ, cũng búng quay tương tự đồng xu trên đất . Thông thường, thử nghiệm đạt thành qủa như nhau, dù nơi nào hay lúc nào xảy ra trong vũ trụ. Thế cho nên, các định luật thiên nhiên phải y hệt nhau bất cứ nơi nào và thời gian nào, trải dài lùi tận Tiếng Nổ Vang -Big Bang .
Trước tiên hảy đề cập đến phần dễ dàng. Chứng cớ hổ trợ hình dáng đầu tiên của nguyên tắc tương đương, thoạt tiên đưa đến cách đây 4 thế kỷ. Năm 1589, nhà thiên văn lừng danh Ý Galileo Galilei, có lẽ ngụy tạo, giải tỏa các banh từ trên chóp tòa tháp Pisa đang bị nghiêng. Các banh, dù làm bằng vật liệu khác nhau, rất ít bị không khí đối kháng và đụng đất cùng một lúc. Bốn thế kỷ sau, năm 1971, một trình diễn khêu gợi hơn xảy ra trên Mặt trăng . Trong sứ mệnh Apollo 15, phi hành gia Dave Scott, cùng lúc thả ra một búa tạ và một lông vũ. Ở môi trường mặt trăng không có không khí, các vật thể cùng rơi xuống và đến bề mặt mặt trăng cùng lúc, chiếu gương lại thí nghiệm Galileo. Hai thân thể rơi xuống theo một tỉ xuất giống y hệt nhau, dù chúng khác biệt nhau.
Các phi hành gia Apollo cũng để lại đằng sau những phản chiếu - reflectors trên bề mặt mặt trăng. Những tấm guơng kỳ quặc này đã giúp các nhà khoa học dội ngược các lasers khỏi mặt trăng để đo lường chính xác vị trí nó đối với Trái đất, xuống khỏang 4 phần trăm một ngón Anh ( ngón Anh= 25,4 mm ). Những dòng đọc này cung cấp một thử nghiệm nghiêm khắc của khái niệm “ Rớt xuống tương đương - falling equivalently” cũng như ý niệm liên hệ là các định luật thiên nhiên phải được áp dụng ngang nhau tại mọi nơi. Cho đến ngày nay, hàng chục năm dữ liệu từ các thí nghiệm lasers xếp hạng này, thỏa hiệp với tương đối, xuống tới mức một phần tỉ của một phần trăm.
Thiết đặt cũng đóng chốt gia tốc mặt trăng về phía mặt trời như Trái Đất, giống y hệt các vật thể Galileo và Scott thả rơi xuống. Nói cho cùng, theo nguyên tắc tính tương đương “ thật sự bạn đã thả rơi Trái Đất và mặt trăng quanh mặt trời” , theo lời Kolz, viện đại học Chicago.
6- Không gian - Thời gian, quay tít và kéo lê thê hay các Ảnh hưởng khung kéo lê thê và trắc địa học - geodetic
Quan điểm của Einstein về không gian - Thời gian thật ra rất nhẻo nhẹt. Một tương suy biết rỏ hình dung ý kiến này là tương tương Trái Đất như thể một banh gỗ trò chơi lăn banh đặt trên một tấm vãi lò xo trò nhào lộn. Thế nào cho một vật thể lăn gần hành tinh /trái banh sẽ có đường đi bị thay đổi vì lực hấp dẫn uốn cong của Trái Đất. Nhưng lò xo nhào lộn tương suy ra chỉ là một phần của hình ảnh tương đối tổng quát. Nếu lý thuyết đúng, một thân thể khối lượng quay tít kéo theo song song không gian - thời gian , tương tự một thìa - muổng quay tít trong mật ong.
Khoảng năm 1960, các nhà vật lý học mơ tưởng đến một thí nghiệm rỏ ràng, hầu xem xét cả hai tiên đóan. Bước 1 : Đặt máy quay hồi chuyễn- gyroscope trên boong một vệ tinh đang bay quanh Trái Đất. Bước 2 : Nhắm thẳng hàng một phi thuyền và máy quay hồi chuyễn với một ngôi sao tham khảo, sử dụng làm căn bản so sánh. Bước 3: nhìn những thay đổi về nhắm thẳng hàng các máy quay hồi chuyễn, xem cách xa bao nhiêu của thẳng hàng chúng đã bị ảnh hưởng hấp dẫn Trái Đất kéo đi lê thê .
Sau đó, đặt tên là Thăm dò Trọng lực B ( một kế tiếp theo phân cấp cho Thăm dò Trọng lực A ) , thử nghiệm chỉ trở thành kỷ thuật làm được 44 năm sau ( và tốn 750 triệu đô la Mỹ ). Thành quả, tuyên bố năm 2011, đã khó khăn thắng cuộc: dù có chính xác chưa bao giờ xảy ra và chờ đợi nhẫn nại, những sự không thẳng hàng bé tí xíu vẫn còn là một thách thức cho phân tích dữ liệu. Nhưng cuối cùng, các đo lường một lần nữa ủng hộ Einstein. Trái đất xoay tít thật sự đã kéo lê thê không gian - thời gian theo mình.
Tương đối tổng quát đã nắm chặc tốt đẹp 10 thập niên qua. Nhưng những xét xử vẫn chưa chấm dứt . Dù cho các thử nghiệm đáng thán phục và nghiêm khắc mấy đi nữa, không một thử nghiệm nào đã xảy ra trong vương quốc trọng lưc quá ư mạnh mẽ, ngay gần các lỗ đen - black holes. Ở những môi trường thái cực như thế, các lý thuyết Einstein có cơ sẽ bị tháo gỡ, hay - theo những ghi chép theo dấu của con người - sẽ làm chúng ta kinh ngạc hơn nữa với sức lực tiên đóan của chúng. Will nói: “ Chúng ta thật sự nhìn xem ở các thăm dò, những tiên đóan của tương đối tổng quát sâu đậm hơn nữa. Chúng ta không nên bỏ đi thử nghiệm nó” .
II- Xa hơn Einstein
Tại sao các nhà khảo cứu lại cố tình chứng minh lý thuyết Einstein đúng hay sai ? Không phải đơn giản ông là một nhân vật cao cả, tên đồng nghĩa với thiên tài , một người có công trình tạo dáng sâu đậm cho ngành vật lý học trên hơn một thế kỷ.
Thay vì, phần lớn khích lệ gốc gác từ chính ngay trọng lực trước đó là một vấn đề con trẽ ở lảnh vực. Các nhà vật lý học, kể cả Einstein, từ lâu đã hy vọng họa kiểu một lý thuyết thống nhất của vũ trụ , nhưng họ đã chật vật phấn đấu để đưa trọng lực nhập vào các lực cản bản khác. Thành quả là hiện nay chúng ta có một lý thuyết trọng lực ( tương đối tổng quát của Einstein ) và một lý thuyết riêng biệt cho mọi điều gì khác ( “ mô hình tiêu chuẩn” của vật lý học hạt tử - particle physics ). Tiếc thay, hai lý thuyết cực kỳ thành công này xung khắc nhau và đôi khi còn trái ngược nhau nữa.
Cách xếp đặt này không làm hài lòng các nhà vật lý học , thảy đều tin tưởng là phải có một lý thuyết thiên nhiên duy nhất cho mọi điều. Manh mối hòan tất thống nhất tìm kiếm đã lâu ngày có thể đến từ một hiểu biết tốt đẹp hơn cách nào và ở những trường hợp nào , tương đối tổng quát tan vỡ. Đó là lý do tại sao các nhà khảo sát đã cố đẩy lý thuyết tới mức tối đại, cốt tìm xem nơi nào nó sẽ chùn bước, hầu hình dung ra phương cách hay nhất nối kết trọng lực với phần còn lại của vật lý học .
Tất cả đều tương đương
Các nhà khảo cứu nhìn nguyên tắc tương đương( EP ) , một tín điều trọng tâm của tương đối tổng quát như thể là một đại lộ tấn công hứa hẹn, có cơ lái họ về lý thuyết cuối cùng của mọi điều . Nói đơn giản , nguyên tắc tương đương cho rằng mọi thân thể dưới ảnh hưởng của cùng một trường hấp dẫn kinh nghiệm cùng một gia tốc, dù cho khối lượng hay vật liệu chúng thế nào đi nữa. Một ưu điểm của chiến lược này , đến nay, mọi cố tâm đáng tin cậy đẻo gọt ra một lý thuyết thống nhất, dẫn nhập những lực sẽ gây ra những thay đổi quá nhẹ nhàng cách nào chất liệu - matters tương tác với trọng lực. Nếu những lý thuyết này đúng, và chúng ta nhìn xem đủ gần, chúng ta sẽ nhìn “ các vi phạm EP violations”, những tách rời đi nhỏ bé khỏi nguyên tắc tương đương. Nói cách khác, một viên gạch vàng kim cũng sẽ rơi xuống một tí khác biệt viên gạch bạc , và phân tích tỉ mĩ những khác biệt này, có thể cung cấp những gợi ý đáng giá cho các nhà vật lý học, đang cố tâm xây dựng một lý thuyết thống nhất không sai lầm .
Thibault Damour , một lý thuyết gia của Viện Học hỏi Cao cấp Khoa học IHES ( Institut des Hautes Études Scientifiques )- Pháp, nói: “ Chúng tôi không biết ở mức nào vi phạm EP ) sẽ lộ diện, nhưng chúng tôi tin rằng sẽ có một mức đó. Damour thêm là “ mọi cố tâm thống nhất các lý thuyết Einstein với các lực khác - một công cuộc ông xem là thiết yếu cho lảnh vực, sẽ dẫn tới các vi phạm EP”.
Các thí nghiệm trên Trái đất cho thấy là nguyên tắc vẫn hiệu quả theo một chính xác là 1 phần 10 ngàn tỉ - trilliọn. Nhưng thí nghiệm căn cứ - không gian tên gọi là STEP - Satellite Test of the Equivalence Principle ( Thử nghiệm Vệ tinh của Nguyên tắc sự Tương đương) có thể đặt ra một thách thức nghiêm nghị hơn nhiều, nâng cao thêm mức chính xác của những đo lường này một thừa tố của 100 000. Lọai chính xác này có thể đã đủ trình bày cho các nhà vật lý học nơi chính những lý thuyết Einstein bắt đầu sai dấu kiểm , giải thiết là nó làm được .
Bước kế tiếp
STEP khởi sự năm 1971, như thể là một dự án luận đề của sinh viên cao học Paul Worden, với nhà vật lý học Stanford là Francis Everitt trong ban giám khảo luận đề, rồi sau đó là chánh khoa học gia cho dự án. Everitt đã dành nữa thế kỷ đời sống mình cho thử nghiệm tương đối tổng quát mà ông là chánh điều nghiên của Thăm dò Trọng lực - Gravity Probe B , một sứ mệnh vệ tinh NASA tài trợ để nghiên cứu rồi thì xác minh một ảnh hưởng khác của lý thuyết Einstein.
Bằng cách đi vào không gian như Thăm dò Trọng lực B, STEP có thể bi kịch tính cải thiện độ chính xác của các đo lường nguyên tắc sự tương đương. Những đo lường này rất khó thực hiện trên mặt đất, vì các rung động - vibrations từ giao thông trên đường xá, chấn động - tremors Trái Đất và các rối lọan khác. Không gian cống hiến một môi trường yên tĩnh hơn .
Một ưu điểm khác liên hệ đến thời gian quan sát , theo nhà vật lý học James Overdun đã họat động trên STEP , không liên tục từ năm 1999, gợi ý . Nếu bạn thả rơi xuống những trái banh kích thước khác nhau từ Tháp Nghiêng Pisa, chẳng hạn, chúng rơi xuống tự do chỉ kéo dài vài giây đồng hồ’, “ Nhưng nếu bạn có thể thả rơi xuống nhiều thứ trong không gian và chúng không bao giờ ngừng rơi” . Overduin nói : chúng vẫn ở quỉ đạo, thường xuyên rơi xuống về hướng Trái Đất. Điều này cho phép một thời gian nới rộng thêm, nhiều ngày hay lâu hơn để nhìn xem các ảnh hưởng tế nhị.
Dự án kêu gọi sử dụng bốn cặp” khối lượng thử nghiệm - test masses” làm ra bằng ít nhất là ba vật liệu khác nhau - tỉ như beryllium , nionium và platinum- iridium, được gìn giữ trong một chân không và làm lạnh xuống đến vài kelvins , giảm bớt các dao động nhiệt độ có thể làm tai hại đến mức chính xác đo lường. Các vật liệu được lựa chọn để phản chiếu một loạt rộng lớn nhất có được của các đặc tính hóa học , hầu các chênh lệch gia tốc ( dò ra bằng một máy gia tốc - accelerometer trên boong ) sẽ dễ dàng điểm chấm nhất. Một lần nữa , điều này là để thực hiện các đo lường tỉ mĩ, trình bày xem thử các vật thể thành phần khác nhau có rơi xuống theo tỉ xuất khác nhau không .
Dù đã trải qua nhiều năm kể từ khi STEP được khởi sự , Everitt không ngừng cố tâm giúp cho dự án cất cánh . Sứ mệnh đề nghị đã nhận được hổ trợ khảo cứu và phát triễn nhiều chục năm .Nó đã được các pannen duyệt xét uy tín NASA và Cơ quan Không gian Âu Châu tập hợp, và đã được Dan Goldin, nguyên trưởng cơ quan NASA khen ngợi. Nhưng dự án không bao giờ qui tụ đủ giúp đở tài chánh cần thiết, dù cho Everitt không biết mệt mõi làm vận động hành lang quốc hội .
Mark Lee, chánh khoa gia chương trình tại NASA , vẫn tin tưởng STEP, gọi nó là “ một trong số thí nghiệm vật lý học căn bản cực trọng nhất , nhân lọai có thể đeo đuổi” . Tin xấu cho STEP, theo ông là sau năm 2004, chương trình vật lý học căn bản NASA bị chấm dứt. Kể từ đó, nó chỉ được tái sinh bán phần.
Everitt vẫn tràn hy vọng . Ông đã trải qua 40 năm họat động cho Thăm Dò Trọng lực B trước khi vệ tinh được phóng lên năm 2004. Ông cũng đã mất 40 năm thúc đẩy phát triễn STEP và chưa sẳn sàng rời xa nó , dù nay ông đã 81 tuổi. Dẫn chứng anh hùng danh tiếng hải quân John Paul Jones, Everitt thích nói : “ Tôi chưa bắt đầu chiến đấu”. Cuối cùng John đã thắng trận ở “ Chiến Tranh Cách Mạng” . Và nếu may mắn. STEP có thể làm tương tự. Có lẽ , nó sẽ là một thí nghiệm , chung cuộc tìm ra một vết nứt trong trọng tâm lý thuyết Einstein ; vết nứt có thể đưa chúng ta hướng tới một cái gì tốt hơn : một lý thuyết về vũ trụ, mới mẽ, bao gồm tòan diện .
( phần II này viết chiếu theo Steve Nadis một biên tập viên cho Khám phá và Thiên Văn Học, đồng tác giả sách : Lịch sử trong tính cọng : 150 năm toán học tại Harvard . Nadis đang sinh sống tại CamBridge, bang Massachusetts - Hoa Kỳ. )
( Irvine ,Nam Ca li - Hoa Kỳ ngày 11 tháng 3 năm 2015 )
