Thử nghiệm mới nhất về thuyết tương đối rộng của Einstein và tác động với vật chất tối, năng lượng tối

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một vệ tinh quay quanh Trái đất để thực hiện một thử nghiệm cực kỳ chính xác về tiên đề cốt lõi của thuyết tương đối rộng của Einstein, đó là lý thuyết hiện đại về lực hấp dẫn. Câu hỏi đặt ra là liệu hai loại khối lượng khác nhau - trọng trường và quán tính - có giống nhau hay không. Các nhà khoa học phát hiện ra rằng hai vật thể trên vệ tinh rơi xuống Trái đất với tốc độ như nhau, với độ chính xác một phần triệu. Thử nghiệm thành công này đối với lý thuyết của Einstein có ý nghĩa quan trọng đối với những bí ẩn vũ trụ hiện nay - ví dụ, câu hỏi liệu vật chất tối và năng lượng tối có tồn tại hay không.

Đánh lừa người xưa

Trọng lực là lực giữ vũ trụ lại với nhau, lôi kéo các thiên hà xa xôi và chi phối chúng trong vũ điệu vũ trụ vĩnh cửu. Cường độ của lực hấp dẫn bị chi phối một phần bởi khoảng cách giữa hai vật thể, nhưng cũng bởi khối lượng của các vật thể. Một vật có khối lượng lớn hơn sẽ chịu nhiều lực hấp dẫn hơn. Tên kỹ thuật của loại khối lượng này là “khối lượng hấp dẫn”.

Khối lượng có một tính chất khác, mà người ta có thể gọi là quán tính. Đây là xu hướng của một đối tượng chống lại những thay đổi trong chuyển động. Nói cách khác, những thứ có khối lượng lớn hơn sẽ khó di chuyển hơn: đẩy một chiếc xe đạp dễ dàng hơn một chiếc ô tô. Tên kỹ thuật của loại khối lượng này là “khối lượng quán tính”.

Không có lý do tiên nghiệm nào để cho rằng khối lượng hấp dẫn và khối lượng quán tính là như nhau. Một thứ chi phối lực hấp dẫn, còn thứ kia chi phối chuyển động. Nếu chúng khác nhau, các vật nặng và nhẹ sẽ rơi với tốc độ khác nhau, và quả thực các triết gia ở Hy Lạp cổ đại đã quan sát thấy rằng một cái búa và một chiếc lông vũ rơi khác nhau. Vật nặng chắc chắn dường như rơi nhanh hơn vật nhẹ. Bây giờ chúng ta biết rằng lực cản không khí là thủ phạm, nhưng điều đó trong quá khứ lại không được tính đến.

Tình hình đã được làm sáng tỏ vào thế kỷ 17, khi Galileo thực hiện một loạt thí nghiệm sử dụng các đường dốc và quả cầu có khối lượng khác nhau để chứng minh rằng các vật thể có khối lượng khác nhau rơi với tốc độ như nhau. (Thí nghiệm thả những quả bóng từ Tháp Pisa thường được trích dẫn của ông có lẽ là giai thoại kể bịa cho vui). Và vào năm 1971, phi hành gia David Scott đã lặp lại một cách thuyết phục thí nghiệm của Galileo trên Mặt trăng không có không khí, khi ông thả một chiếc búa và một chiếc lông vũ, và chúng rơi xuống giống hệt nhau. Người Hy Lạp cổ đại đã bị lừa.

Phỏng đoán sự tồn tại của những thứ đen tối

Sự khẳng định rằng khối lượng quán tính và khối lượng hấp dẫn là như nhau được gọi là nguyên lý tương đương, và Einstein đã đưa nguyên lý tương đương vào lý thuyết hấp dẫn của mình. Thuyết tương đối rộng dự đoán thành công cách các vật thể rơi xuống trong hầu hết các trường hợp và cộng đồng khoa học chấp nhận nó là lý thuyết tốt nhất về lực hấp dẫn.

Tuy nhiên, “hầu hết” hoàn cảnh không có nghĩa là “tất cả” và các quan sát thiên văn đã tiết lộ một số bí ẩn khó hiểu. Đầu tiên, các thiên hà quay nhanh hơn các ngôi sao và các chất khí bên trong chúng có thể đưa ra lời giải thích tốt hơn về thuyết lực hấp dẫn của Einstein. Lời giải thích được chấp nhận nhiều nhất cho sự khác biệt này là sự tồn tại của một chất gọi là vật chất tối - vật chất không phát ra ánh sáng. Một câu hỏi hóc búa khác về vũ trụ là sự quan sát rằng sự giãn nở của vũ trụ đang tăng tốc. Để giải thích điều kỳ lạ này, các nhà khoa học đã cho rằng vũ trụ chứa đầy một dạng hấp dẫn có sức đẩy gọi là năng lượng tối.

Tuy nhiên, đây là những vấn đề phỏng đoán có căn cứ. Có thể là chúng ta chưa hiểu hết về lực hấp dẫn hoặc quy luật chuyển động. Trước khi chúng ta có thể tin chắc rằng vật chất tối và năng lượng tối là có thật, chúng ta cần xác nhận thuyết tương đối rộng của Einstein với độ chính xác rất cao. Để làm được điều đó, chúng ta cần chứng minh rằng nguyên lý tương đương là đúng.

Trong khi Isaac Newton đã thử nghiệm nguyên lý tương đương từ những năm 1600, thì những nỗ lực hiện đại chính xác hơn nhiều. Vào thế kỷ 20, các nhà thiên văn học đã chiếu tia laze từ những chiếc gương do các phi hành gia Apollo để lại trên Mặt trăng để chứng minh rằng khối lượng quán tính và khối lượng hấp dẫn giống nhau với độ chính xác đến một phần 10 nghìn tỉ. Con số đó thật ấn tượng, nhưng thí nghiệm gần đây nhất còn đi xa hơn thế.

Thuyết tương đối rộng vượt qua một bài kiểm tra khác

Một nhóm các nhà nghiên cứu trong chương trình hợp tác của MicroSCOPE đã phóng một vệ tinh vào không gian vào năm 2016. Trên tàu có các trụ titan và bạch kim, và mục đích của các nhà khoa học là kiểm tra nguyên lý tương đương. Bằng cách đặt thiết bị của mình vào không gian, họ đã cách ly thiết bị khỏi các rung động và sự khác biệt nhỏ về lực hấp dẫn do các ngọn núi gần đó, các mỏ dầu và khoáng sản dưới lòng đất... Các nhà khoa học đã theo dõi vị trí của các xi lanh bằng điện trường. Ý tưởng là nếu hai vật thể có quỹ đạo khác nhau, chúng sẽ cần sử dụng hai điện trường khác nhau để giữ chúng ở đúng vị trí.

Những gì họ nhận thấy là các điện trường cần thiết là như nhau, cho phép họ xác định rằng bất kỳ sự khác biệt nào về khối lượng quán tính và khối lượng hấp dẫn đều ít hơn một phần triệu triệu. Về cơ bản, họ đã xác nhận chính xác nguyên lý tương đương.

Mặc dù đây là một kết quả được mong đợi từ quan điểm của thuyết tương đối rộng, nhưng nó có những hệ quả rất quan trọng đối với việc nghiên cứu vật chất tối và năng lượng tối. Trong khi những ý tưởng đó phổ biến, một số nhà khoa học tin rằng các đặc tính quay của các thiên hà có thể được giải thích tốt hơn bằng các lý thuyết mới về lực hấp dẫn. Nhiều lý thuyết thay thế này hàm ý rằng nguyên lý tương đương không hoàn toàn hoàn hảo.

Phép đo MicroSCOPE không thấy vi phạm nguyên tắc tương đương. Kết quả của nó loại trừ một số lý thuyết thay thế về lực hấp dẫn, nhưng không phải tất cả chúng. Các nhà nghiên cứu đang chuẩn bị một thí nghiệm thứ hai, được gọi là MicroSCOPE2, chính xác hơn khoảng 100 lần so với thí nghiệm trước đó. Nếu nó phát hiện được những sai lệch của nguyên lý tương đương, nó sẽ cung cấp cho các nhà khoa học hướng dẫn quan trọng để phát triển các lý thuyết mới và cải tiến về lực hấp dẫn.