Giới thiệu thuyết tương đối rộng

Giới thiệu thuyết tương đối rộng Đây viết giới thiệu giúp tiếp cận vấn đề cách dễ dàng, khơng mang tính chun mơn Về viết bách khoa chính, xem thuyết tương đối rộng Thuyết tương đối rộng Phương trình trường Einstein Giới thiệu Hình thức tốn học Nguồn [hiện]Các khái niệm sở [hiện]Hiệu ứng [hiện]Các phương trình [hiện]Các lý thuyết phát triển [hiện]Các lời giải [hiện]Các nhà khoa học Hộp luận • sửa này: xem • thảo Thí nghiệm kiểm tra lý thuyết tương đối tổng quát đạt độ xác cao nhờ tàu thăm dị khơng gian Cassini (ảnh minh họa): Các tín hiệu radiođược gửi Trái Đất tàu thăm dò (sóng màu xanh cây) bị trễ uốn cong không gian thời gian (các đường màu xanh da trời) khối lượng Mặt Trời Thuyết tương đối rộng lý thuyết hấp dẫn Albert Einstein phát triển từ năm 1907 đến năm 1915 Theo thuyết tương đối rộng, quan sát thấy hút khối lượng với kết uốn cong không gian thời gian chúng gây Cho đến đầu kỷ 20, định luật vạn vật hấp dẫn Newton công nhận hai trăm năm miêu tả phù hợp lực hấp dẫn khối lượng với Trong mơ hình Newton, hấp dẫn kết lực hút vật thể với Mặc dù Newtonđã băn khoăn chất bí ẩn lực này, [1] mơ hình ơng thành cơng việc miêu tả chuyển động vật thể Các thí nghiệm quan sát cho thấy lý thuyết hấp dẫn Einstein có kể đến vài hiệu ứng mà chưa giải thích thỏa đáng định luật Newton, dị thường nhỏ quỹ đạo Thủy hành tinh khác Thuyết tương đối tổng quát tiên đoán hiệu ứng hấp dẫn, sóng hấp dẫn, thấu kính hấp dẫn hiệu ứng hấp dẫn tác động lên thời gian gọi làsự giãn thời gian hấp dẫn Rất nhiều tiên đoán xác nhận thí nghiệm, nhiều chủ đề khác cịn tiếp tục nghiên cứu Ví dụ, có chứng cớ gián tiếp sóng hấp dẫn, chứng trực tiếp tồn chúng thu thập số nhóm nhà khoa học thực nghiệm giới dự án LIGO GEO 600 Thuyết tương đối tổng quát phát triển trở thành công cụ thiên văn vật lý đại Nó sở cho hiểu biết lỗ đen, vùng không gian nơi lực hấp dẫn mạnh khiến cho ánh sáng khơng Trường hấp dẫn mạnh nghĩ nguyên nhân gây nên phát xạ cường độ mạnh số loại thiên thể (như nhân thiên hà hoạt động hay vi quasar) Thuyết tương đối tổng quát phần tranh mơ hình chuẩn Big Bangcủa vũ trụ học Mặc dù thuyết tương đối tổng quát lý thuyết tương đối tính hấp dẫn, lý thuyết đơn giản phù hợp với hầu hết liệu thí nghiệm Tuy thế, số câu hỏi mở chưa giải được, làm để thuyết tương đối tổng quát kết hợp với định luật học lượng tử để có lý thuyết hoàn chỉnh quán, lý thuyết hấp dẫn lượng tử Mục lục [ẩn] Từ thuyết tương đối hẹp đến rộng 1.1 Định nghĩa 1.2 Nguyên lý tương đương 1.3 Hấp dẫn gia tốc 1.4 Các hệ vật lý 1.5 Các hiệu ứng thủy triều 1.6 Từ gia tốc đến hình học Hình học hấp dẫn 2.1 Thăm dị trường hấp dẫn 2.2 Các nguồn hấp dẫn 2.3 Phương trình trường Einstein Các thí nghiệm kiểm chứng Các ứng dụng thiên văn vật lý 4.1 Thấu kính hấp dẫn 4.2 Sóng hấp dẫn 4.3 Các lỗ đen 4.4 Vũ trụ học Các nghiên cứu đại: Thuyết tương đối rộng tương lai Xem thêm Dẫn chứng Tham khảo Liên kết [sửa]Từ thuyết tương đối hẹp đến rộng [sửa]Định nghĩa Vào tháng năm 1905, Albert Einstein công bố thuyết tương đối hẹp, lý thuyết kết hợp định luật Newton chuyển động với điện động lực học (tương tác hạt tích điện) Thuyết tương đối hẹp đưa tảng cho ngành Vật lý với đề xuất khái niệm không gian thời gian Một vài lý thuyết vật lý cơng nhận khơng cịn phù hợp với tảng này; ví dụ bật lý thuyết hấp dẫn Newton, miêu tả tương tác hút vật thể khối lượng chúng Một số nhà vật lý, bao gồm Einstein, bắt tay vào tìm kiếm lý thuyết mà kết hợp định luật vạn vật hấp dẫn Newton với thuyết tương đối đặc biệt Chỉ có lý thuyết tương đối rộng khẳng định phù hợp với thí nghiệm quan sát Để hiểu tư tưởng lý thuyết này, cách tốt theo suy nghĩ Einstein từ năm 1907 đến năm 1915, từ thí nghiệm tưởng tượng đơn giản có quan sát viên rơi tự đến thấu hiểu hồn tồn ơng lý thuyết hình học hấp dẫn.[2] [sửa]Nguyên lý tương đương Bài chi tiết: Nguyên lý tương đương Một người thang máy rơi tự cảm nhận thấy không trọng lượng, vật bồng bềnh hay chuyển động với vận tốc không đổi Do thứ thang máy rơi tự với nhau, không hiệu ứng hấp dẫn quan sát thấy Theo cách này, trải nghiệm quan sát viên rơi tự phân biệt so với quan sát viên khác vũ trụ sâu thẳm, xa từ trường hấp dẫn khác Những người quan sát quan sát viên ưu tiên "quán tính" mà Einstein miêu tả lý thuyết tương đối hẹp ông: Các quan sát viên mà họ ánh sáng truyền theo đường thẳng với vận tốc không đổi.[3] Einstein tiến hành giả thiết trải nghiệm giống quan sát viên không trọng lượng quan sát viên quán tính thuyết tương đối hẹp cho thấy tính chất hấp dẫn, ông lấy điều làm tảng cho lý thuyết hấp dẫn ông, Einstein phát biểu thành nguyên lý tương đương Nói cách vắn tắt, nguyên lý cho người thang máy rơi tự khơng thể nói có trạng thái rơi tự hay khơng Mỗi thí nghiệm mơi trường rơi tự cho kết giống với kết quan sát viên nhận đứng im hay chuyển động vũ trụ sâu thẳm, khoảng cách đủ xa so với nguồn lực hấp dẫn.[4] [sửa]Hấp dẫn gia tốc Quả bóng rơi xuống sàn tên lửa gia tốc (trái) rơi xuống Trái Đất (phải) Hầu hết hiệu ứng hấp dẫn biến hệ rơi tự do, có hiệu ứng dường giống với hấp dẫn tạo cách gia tốc hệ quy chiếu Một quan sát viên phịng kín khơng thể nói sau đúng: Các vật rơi xuống sàn phịng đứng im bề mặt Trái Đất vật bị hút xuống hấp dẫn Các vật rơi xuống sàn phịng đặt tên lửa phóng không gian, với gia tốc 9,81 m/s2 xa so với nguồn hấp dẫn Các vật bị đẩy phía sàn "lực quán tính" mà đẩy người lái xe phía sau ghế ngồi ôtô gia tốc Ngược lại, hiệu ứng quan sát hệ quy chiếu gia tốc quan sát trường hấp dẫn với độ mạnh Nguyên lý cho phép Einstein tiên đoán vài hiệu ứng hấp dẫn vào năm 1907, giải thích phần Một người quan sát hệ quy chiếu gia tốc phải nói đến mà nhà vật lý goi lực quán tính (hay lực giả) để diễn giải cảm nhận vật xung xuất gia tốc Một ví dụ, lực đẩy người lái xe phía lưng ghế xe bắt đầu tăng tốc, đề cập trên; ví dụ khác bạn cầm dây có gắn vật nặng, sau dùng tay quay trịn vật ấy, cảm thấy có lực kéo tay xa Sự nhận thức sâu sắc Einstein tính bất biến, lực hút trường hấp dẫn Trái Đất giống với lực giả [5] Độ lớn biểu kiến lực quán tính (lực giả) ln ln tỉ lệ với khối lượng vật mà chúng tác động lên - ví dụ, ghế ngồi người lái xe đẩy lực đủ lớn để gia tốc người lái xe với tốc độ xe Tương tự thế, Einstein đề xuất vật đặt trường hấp dẫn cảm thấy lực hấp dẫn tỉ lệ với khối lượng nó, thể định luật vạn vật hấp dẫn Newton.[6] [sửa]Các hệ vật lý Năm 1907, Einstein cách xa năm hoàn thiện thuyết tương đối tổng qt Tuy nhiên, ơng đưa số tiên đốn lạ thường, kiểm chứng dựa điểm bắt đầu ông để phát triển lý thuyết mới: nguyên lý tương đương.[7] Sự dịch chuyển đỏ hấp dẫn bước sóng ánh sáng lan truyền lên phía khỏi trường hấp dẫn (do vàng gây ra) Hiệu ứng dịch chuyển tần số hấp dẫn ánh sáng Xét hai quan sát viên tàu du hành gia tốc.Trên tàu này, có khái niệm tự nhiên "bên trên" "bên dưới": hướng tàu chuyển động gia tốc "bên trên", vật không gắn vào tàu gia tốc chuyển động theo hướng ngược lại, rơi xuống "bên dưới" Giả sử quan sát viên vị trí "bên trên" cao so với người Khi quan sát viên bên gửi tín hiệu ánh sáng đến người bên trên, gia tốc làm cho ánh sáng trở nên đỏ hơn, tính tốn từ lý thuyết tương đối hẹp; người bên đo tần số ánh sáng thấp so với người bên Ngược lại, ánh sáng gửi từ quan sát viên bên cho người dưới, ánh sáng trở nên xanh quan sát viên bên hay dịch chuyển sang tần số cao hơn.[8] Einstein kết luận dịch chuyển tần số phải quan sát trường hấp dẫn Điều minh họa tranh bên trái, cho thấy bước sóng ánh sáng trở nên dịch chuyển đỏ truyền lên phía ngược lại với gia tốc hấp dẫn Hiệu ứng thực nghiệm xác nhận, miêu tả bên Sự dịch chuyển tần số hấp dẫn tương ứng với giãn thời gian hấp dẫn: Từ quan sát viên "bên trên" đo sóng ánh sáng với tần số nhỏ so với người "bên dưới", nên thời gian phải trôi nhanh quan sát viên bên (chú ý tới mối quan hệ tần số-chu kỳ bước sóng để hiểu rõ hơn) Từ đó, thời gian chạy chậm người gần với trường hấp dẫn Có điều cần nhấn mạnh rằng, quan sát viên, quan sát thấy thay đổi dòng chảy thời gian cho kiện hay trình diễn hệ quy chiếu mà hay chị ta đứng im hệ Thời gian luộc trứng năm phút đồng hồ quan sát viên; năm trôi qua đi, tuổi người tăng thêm tuổi; nói ngắn gọn, đồng hồ hoàn toàn giống q trình diễn mơi trường lân cận với Chỉ đồng hồ so sánh với người quan sát tách biệt họ để ý đến thời gian chạy chậm người bên so với quan sát viên bên [9] Hiệu ứng nhỏ, xác nhận thực nghiệm nhiều thí nghiệm, miêu tả bên Theo cách tương tự, Einstein tiên đoán lệch ánh sáng hấp dẫn: trường hấp dẫn, ánh sáng bị lệch bên Về mặt định lượng, kết ông nửa so với kết xác sau này; kết xác địi hỏi phát triển hồn thiện thuyết tương đối tổng quát, không dựa vào nguyên lý tương đương.[10] [sửa]Các hiệu ứng thủy triều Hai vật rơi hướng tâm Trái Đất, tăng tốc hướng chúng rơi Sự tương đương hiệu ứng quán tính hấp dẫn khơng thiết lập hồn thiện lý thuyết hấp dẫn Có điều bật khơng trả lời câu hỏi đơn giản sau: giữ người phía bên Trái Đất khơng bị rơi? Khi nói đến giải thích lực hấp dẫn gần vị trí bề mặt Trái Đất, ý hệ quy chiếu trạng thái rơi tự do, lực quán tính (lực giả) mong đợi để cung cấp lời giải thích phù hợp Nhưng hệ quy chiếu rơi tự phía Trái Đất khơng thể giải thích người đứng phía bên Trái Đất lại cảm thấy lực hấp dẫn kéo họ theo hướng ngược lại Một biểu thị hiệu ứng hai vật rơi cạnh phía Trái Đất Trong hệ quy chiếu rơi tự với vật này, hai vật lên chúng khơng trọng lượng; điều khơng hồn tồn xác Hai vật khơng rơi cách xác theo hướng, mà chúng rơi hướng điểm khơng gian: cịn gọi khối tâm Trái Đất Do có thành phần vector chuyển động vật hướng phía (xem hình) Trong mơi trường nhỏ thang máy rơi tự do, gia tốc tương đối nhỏ, người nhảy dù cạnh đối diện Trái Đất, hiệu ứng lại lớn Những thay đổi cho tượng thủy triều đại dương Trái Đất, thuật ngữ "hiệu ứng thủy triều" sử dụng cho tượng Sự tương đương qn tính hấp dẫn khơng thể giải thích hiệu ứng thủy triều; - khơng thể giải thích biến đổi trường hấp dẫn.[11] Do đó, lý thuyết cần thiết để miêu tả cách vật chất (như vật thể khối lượng lớn Trái Đất) ảnh hưởng đến môi trường quán tính xung quanh [sửa]Từ gia tốc đến hình học Trong trình khám phá nguyên lý tương đương hấp dẫn gia tốc vai trò lực thủy triều, Einstein khám phá vài tương tự chúng với hình học mặt cong Một ví dụ biến đổi từ hệ quy chiếu qn tính (trong hạt tự trôi theo đường thẳng với vận tốc không đổi) sang hệ quy chiếu quay (khi xuất thêm lực qn tính để giải thích chuyển động hạt): điều tương tự với biến đổi từ hệ tọa độ DeCarte (trong trục tọa độ đường thẳng) sang hệ tọa độ cong (trong trục tọa độ đường cong) Một tương tự sâu liên hệ lực thủy triều với tính chất mặt gọi độ cong Đối với trường hấp dẫn, có mặt hay vắng mặt lực thủy triều xác định có hay khơng ảnh hưởng hấp dẫn bị loại trừ cách chọn hệ quy chiếu rơi tự Tương tự, xuất hay không xuất độ cong xác định mặt có giống hay tương đương với mặt phẳng hay không Vào mùa hè năm 1912, thúc đẩy tương tự này, Einstein tìm kiếm dạng thức hình học cho hấp dẫn.[12] Các đối tượng hình học;- điểm, đường thẳng, tam giác; định nghĩa cách truyền thống không gian ba chiều mặt hai chiều Năm 1907, nhà toán họcHermann Minkowski giới thiệu dạng thức hình học thuyết tương đối đặc biệt Einstein hình học khơng bao gồm khơng gian mà có thời gian Đối tượng hình học không thời gian bốn chiều Quỹ đạo vật thể đường không thời gian.[13] Đối với mặt, tổng qt hóa hình học mặt phẳng sang mặt cong miêu tả vào đầu kỷ thứ 19 nhà bác học Carl Friedrich Gauss Sự miêu tả đượcBernhard Riemann tổng quát hóa Các đường trắc địa hội tụ: hai đường kinh tuyến (xanh) bắt đầu song song xích đạo (đỏ) gặp hai cực Để vẽ đồ ảnh hưởng hấp dẫn vật thể, hữu ích sử dụng nhà vật lý gọi hạt thử hay hạt thăm dò: hạt bị ảnh hưởng trường hấp dẫn, nhỏ nhẹ nên bỏ qua ảnh hưởng hấp dẫn chúng Khi khơng có lực hấp dẫn ngoại lực khác, hạt thử di chuyển dọc theo đường thẳng với vận tốc không đổi Theo ngôn ngữ không thời gian, điều tương đương với nói hạt thử di chuyển theo đường tồn cục khơng thời gian Khi có mặt hấp dẫn, không thời gian phi Euclid, bị cong, khơng thời gian cong đường tồn cục thẳng khơng tồn Thay vào đó, hạt thử di chuyển theo đường gọi đường trắc địa, đường "ngắn được" Một ví dụ tương tự đơn giản sau: Một đường trắc địa đường ngắn hai điểm bề mặt Trái Đất cung tròn đường trịn lớn, giống kinh tuyến hay xích đạo Những đường rõ ràng không thẳng, đơn giản chúng phải theo độ cong bề mặt Trái Đất Tuy vậy, chúng đường thẳng (ngắn nhất) tuân theo ràng buộc Các tính chất đường trắc địa khác so với đường thẳng Ví dụ, mặt phẳng, đường thẳng song song không cắt nhau, điều khơng cịn với đường trắc địa bề mặt Trái Đất: ví dụ, kinh tuyến song song với xích đạo, cắt cực Trái Đất Tương tự, đường toàn cục hạt thử rơi tự đường trắc địa không thời gian, đường thẳng khơng thời gian Nhưng có khác biệt quan trọng chúng đường thẳng hoàn toàn xác định không thời gian phi hấp dẫn thuyết tương đối đặc biệt Trong thuyết tương đối đặc biệt, đường trắc địa song song song song với Trong trường hấp dẫn với hiệu ứng thủy triều, nói chung, điều khơng trường hợp Ví dụ, hai vật ban đầu cách xa nhau, sau bị hút dần tâm Trái Đất trường hấp dẫn, dịch chuyển gần chúng rơi gần tâm Trái Đất.[17] So sánh với hành tinh thiên thể khác, vật thể đời sống hàng ngày (con người, ơtơ, nhà, chí núi) có khối lượng nhỏ Nơi vật đề cập đến, định luật chi phối cư xử hạt thử cịn miêu tả điều xảy Đặc biệt, để làm lệch hướng hạt thử từ đường trắc địa nó, phải có ngoại lực tác dụng lên Một người ngồi ghế hướng theo đường trắc địa, rơi tự tâm Trái Đất Nhưng ghế tác động ngoại lực ngược lại ngăn không cho người rơi xuống Theo cách này, thuyết tương đối rộng giải thích kinh nghiệm hàng ngày hấp dẫn bề mặt Trái Đất kéo xuống lực hấp dẫn, mà đẩy ngược lại ngoại lực Những lực làm lệch vật đứng yên bề mặt Trái Đất khỏi đường trắc địa mà chúng phải theo [18] Đối với vật thể mà ảnh hưởng hấp dẫn chúng bỏ qua, định luật chuyển động phức tạp so với hạt thử, cịn nói khơng thời gian bảo cho vật chất cách chuyển động [19] [sửa]Các nguồn hấp dẫn Trong mơ hình Newton hấp dẫn, lực hấp dẫn vật chất Một cách xác hơn, tính chất xác định đối tượng vật chất: khối lượng chúng Trong lý thuyết Einstein lý thuyết hấp dẫn khác, độ cong điểm không thời gian có mặt vật chất Cũng vậy, khối lượng đặc tính để xác định ảnh hưởng hấp dẫn vật chất Nhưng lý thuyết hấp dẫn tương đối tính, khối lượng khơng phải nguồn hấp dẫn Thuyết tương đối liên kết khối lượng với lượng, lượng với động lượng Sự tương đương khối lượng lượng, biểu diễn cơng thức E = mc2, có lẽ hệ quan trọng tiếng thuyết tương đối hẹp Trong thuyết tương đối, khối lượng lượng hai cách khác để miêu tả đại lượng vật lý Nếu hệ vật lý có lượng, có khối lượng tương ứng, ngược lại Đặc biệt, tính chất vật mà liên quan đến lượng, nhiệt độ lượng liên kết hệ hạt nhân nguyên tử hay phân tử, đóng góp vào khối lượng vật đó, từ hoạt động nguồn hấp dẫn.[20] Trong thuyết tương đối đặc biệt, lượng liên hệ mật thiết với động lượng Trong lý thuyết này, giống khơng gian thời gian hai khía cạnh khác thực thể hoàn chỉnh gọi không thời gian, lượng động lượng mặt khác đại lượng thống nhất, bốn chiều mà nhà vật lý gọi bốn-động lượng Hệ theo đó, lượng nguồn hấp dẫn động lượng phải nguồn Điều đại lượng liên hệ trực tiếp với lượng động lượng, gọi áp suất bên kéo Cùng với nhau, thuyết tương đối tổng quát, khối lượng, lượng, động lượng, áp suất kéo làm thành nguồn hấp dẫn: chúng vật chất bảo cho không thời gian cách cong Theo dạng toán học lý thuyết, đại lượng khía cạnh đại lượng vật lý tổng quát gọi tenxơ lượng-động lượng.[21] [sửa]Phương trình trường Einstein Phương trình trường Einstein mảnh ghép trung tâm thuyết tương đối tổng qt Chúng cung cấp cơng thức xác mối liên hệ hình học khơng thời gian tính chất vật chất, sử dụng ngơn ngữ toán học Cụ thể hơn, chúng thiết lập nhờ khái niệm hình học Riemann, tính chất hình học khơng gian (hoặc không thời gian) miêu tả đại lượng gọi metric Metric chứa thông tin cần thiết để tính tốn khái niệm hình học khoảng cách góc khơng gian cong (hoặc không thời gian cong) Các khoảng cách vĩ độ khác tương ứng với hai kinh tuyến lệch 30 độ Một mặt cầu giống Trái Đất cung cấp ví dụ đơn giản Vị trí điểm bề mặt miêu tả hai tọa độ: độ vĩvà độ kinh địa lý Không giống tọa độ Đề Các mặt phẳng, hiệu tọa độ không giống khoảng cách mặt, hình bên phải: người xích đạo, di chuyển sang 30 độ kinh tây (đường màu hồng) tương ứng với khoảng cách gần 3.300 ki-lô-mét (2.051 mi) Mặt khác người khác vĩ độ 55 độ, di chuyển sang 30 độ kinh tây tương ứng với khoảng cách 1.900 ki-lô-mét (1.181 mi) Các tọa độ không cung cấp đủ thơng tin để miêu tả hình học mặt cầu, hay hình học khơng gian không thời gian phức tạp Các thông tin xác hàm chứa metric, hàm xác định điểm bề mặt (hoặc không gian, không thời gian) liên hệ theo khoảng cách hiệu tọa độ khác Những đại lượng thường gặp khác hình học, độ dài đường cong bất kì, hay góc nơi hai đường cong cắt nhau, tính tốn từ hàm metric này.[22] Hàm metric tốc độ thay đổi từ điểm đến điểm khác sử dụng để định nghĩa đại lượng hình học gọi tenxơ độ cong Riemann, tenxơ miêu tả cách xác khơng gian (hoặc khơng thời gian) bị cong điểm Như đề cập bên trên, thành phần vật chất không thời gian xác định đại lượng khác, tenxơ lượng-động lượng T, nguyên lý "không thời gian nói với vật chất cách di chuyển, vật chất nói với khơng thời gian cong nào" có nghĩa tenxơ phải liên hệ với Einstein thiết lập lên quan hệ cách sử dụng tenxơ độ cong Riemann metric để xác định đại lượng hình học khác gọi tenxơ Einstein, miêu tả số khía cạnh cách khơng thời gian cong Phương trình trường Einstein viết thành theo đó, bỏ qua số, đại lượng G (đo độ cong) phải với đại lượng T (đo thành phần vật chất) Các số phương trình phản ánh lý thuyết khác kết hợp vào thuyết tương đối rộng: G số hấp dẫn biểu diễn mơ hình hấp dẫn Newton; c vận tốc ánh sáng, số quan trọng thuyết tương đối hẹp; π số hình học Phương trình thường gọi theo số nhiều Hệ phương trình trường Einstein, đại lượng G T, đại lượng xác định số hàm tọa độ khơng thời gian, phương trình đặt với hàm thành phần.[23]Một nghiệm phương trình miêu tả cấu trúc hình học cụ thể khơng gian thời gian; ví dụ, nghiệm Schwarzschild miêu tả hình học xung quanh vật thể hình cầu, khơng quay ngơi lỗ đen, nghiệm Kerr miêu tả lỗ đen quay Lại có nghiệm (lời giải) khác miêu tả sóng hấp dẫn hay vũ trụ giãn nở nghiệm Friedmann– Lemtre–Robertson–Walker Lời giải đơn giản không thời gian không bị cong Minkowski, không thời gian miêu tả thuyết tương đối đặc biệt.[24] [sửa]Các thí nghiệm kiểm chứng Khơng lý thuyết khoa học hoàn toàn mà dựa vào lý thuyết; mơ hình phải kiểm tra thực nghiệm Định luật hấp dẫn Newton cơng nhận tính đến chuyển động hành tinh vệ tinh hệ Mặt Trời với độ xác tinh tế Nhưng xác kết thí nghiệm nâng cao dần, vài sai lệch với tiên đoán Newton phát hiện, sai lệch tính đến thuyết tương đối rộng Tương tự thế, tiên đoán thuyết tương đối tổng quát phải kiểm tra thực nghiệm, tự Einstein đặt ba thí nghiệm kiểm tra mà biết đến kiểm nghiệm cổ điển lý thuyết: Các quỹ đạo theo mơ hinh Newton (đỏ) so với mơ hình Einstein (xanh) hành tinh quay xung quanh ngơi cầu Nhấp vào hình để xem ảnh động Mơ hình Newton tiên đốn quỹ đạo quay xung quanh hình cầu lý tưởng phải elíp Lý thuyết Einstein tiên đoán quỹ đạo đường cong phức tạp hơn: hành tinh cư xử chuyển động hình elíp, thời điểm, tồn elíp quay chậm xung quanh ngơi Trong hình vẽ bên phải, quỹ đạo elíp theo tiên đốn mơ hình hấp dẫn Newton màu đỏ, phần quỹ đạo theo tiên đoán Einstein màu xanh Đối với hành tinh quay quanh Mặt Trời, độ lệch so với quỹ đạo mơ hình Newton biết đến dịch chuyển dị thường điểm cận nhật Đo đạc hiệu ứng này, thực năm 1859, Thủy Những kết xác Thủy hành tinh khác dựa đo đạc thực giai đoạn 1966 1990, nhờ sử dụng kính viễn vọng vơ tuyến.[25] Thuyết tương đối tổng qt tiên đốn đắn dịch chuyển dị thường điểm cận nhật hành tinh đo cách xác Thủy, Kim Trái Đất Theo thuyết tương đối rộng, ánh sáng khơng theo đường thẳng lan truyền trường hấp dẫn Thay vào đó, bị lệch có mặt vật thể nặng Đặc biệt, ánh sáng từ xa bị lệch vượt qua gần Mặt Trời, làm cho vị trí bầu trời đêm dịch khoảng 1,75 giây cung (một giây cung 1/3600 độ) Trong mơ hình hấp dẫn Newton, thực lập luận suy nghiệm (heuristic) dẫn đến ánh sáng bị lệch nửa so với tiên đoán lý thuyết Einstein Các tiên đốn khác kiểm nghiệm quan sát gần so với Mặt Trời trình nhật thực Theo cách này, đoàn thám hiểm Vương quốc Anh dẫn đầu Arthur Eddington đến Tây Phi năm 1919, xác nhận tiên đoán Einstein đúng, tiên đoán Newton sai, thông qua quan sát nhật thực vào ngày 29/5/1919 Các kết Eddington chưa xác cho lắm; quan sát tiếp sau lệch ánh sáng quasar xa Mặt Trời, nhờ áp dụng kĩ thuật xác cao thiên văn vô tuyến, xác nhận kết Eddington với độ xác cao (các đo đặc thực năm 1967, phân tích chi tiết từ năm 2004).[26] Sự dịch chuyển đỏ hấp dẫn đo đạc phịng thí nghiệm năm 1959 Pound Rebka Nó đo thiên văn vật lý, bật ánh sáng thoát từ lùn trắng Sirius B Sự liên hệ với hiệu ứng giãn thời gian hấp dẫn đo cách thay đổi vị trí đồng hồ nguyên tử độ cao khác từ hàng chục kilơmét đến hàng chục nghìn kilơmét (thực lần Hafele Keating năm 1971; kết xác ngày thí nghiệm từ vệ tinhGravity Probe A phóng lên năm 1976).[27] Trong ba kiểm nghiệm trên, có tiến điểm cận nhật Thủy biết đến trước Einstein công bố thuyết tương đối tổng qt năm 1916 Những thí nghiệm sau xác nhận tiên đốn khác ơng, đặc biệt phép đo độ lệch ánh sáng Mặt Trời năm 1919, đưa Einstein trở thành nhà khoa học tiếng tồn giới.[28] Những thí nghiệm kiểm chứng khẳng định thay thuyết tương đối tổng quát với lý thuyết Newton hấp dẫn đồng thời, so với nhiều lý thuyết hấp dẫn khác đưa Gravity Probe B với pin Mặt Trời gấp lại Các thí nghiệm cho tiên đốn khác thuyết tương đối rộng bao gồm phép đo xác hiệu ứng Shapiro hay trễ thời gian hấp dẫn ánh sáng, gần vào năm 2002 tàu thám hiểm không gian Cassini Một chuỗi thí nghiệm tập trung vào trạng thái quaychuyển động không gian Một hiệu ứng liên quan đến nó, chuyển dịch đường trắc địa, kiểm nghiệm với Thí nghiệm laser định tầm Mặt Trăng (Lunar Laser Ranging Experiment) (các đo đạc xác cao quỹ đạo Mặt Trăng) Hiệu ứng khác, liên quan đến thiên thể lớn quay, gọi cuốn-hệ quy chiếu Các hiệu ứng dịch chuyển đường trắc địa hệ quy chiếu kiểm nghiệm vệ tinh thí nghiệmGravity Probe B phóng lên năm 2004, với kết xác nhận thuyết tương đối tổng quát tương ứng với hiệu ứng vào khoảng 0,5% 15%, năm 2008 (Các phân tích liệu thu từ vệ tinh thực hiện).[29] Theo thang đo vũ trụ, hấp dẫn toàn hệ Mặt Trời yếu Từ khác biệt tiên đoán lý thuyết Eisntein lý thuyết Newton thể rõ hấp dẫn mạnh, nhà vật lý từ lâu thích thú kiểm nghiệm nhiều hiệu ứng tương đối tính trường hấp dẫn tương đối mạnh Điều trở thành nhờ vào quan sát xác cặp xung Trong hệ sao, hai neutron nén mạnh quay xung quanh Ít số chúng xung;-một thiên thể phát tia vô tuyến hẹp Giống tia sáng đèn hải đăng mà quan sát thấy đèn hải đăng nhấp nháy, tia vô tuyến đến Trái Đất với khoảng nhau, quan sát thành chuỗi xung Thuyết tương đối tổng quát tiên đoán lệch xác định từ xung vơ tuyến Ví dụ, thời điểm sóng vơ tuyến vượt qua gần neutron hệ, chúng bị lệch trường hấp dẫn neutron Những phần xung bị lệch quan sát khớp cách ấn tượng với tiên đoán thuyết tương đối tổng quát.[30] Một tập hợp quan sát có liên hệ với ứng dụng thực tế tuyệt vời, gọi hệ thống vệ tinh định vị hệ định vị toàn cầu mà sử dụng cho xác định vị trí thời gian xác mặt đất Những hệ nhờ vào hai hệ đồng hồ nguyên tử: đồng hồ đặt vệ tinh quay xung quanh Trái Đất, đồng hồ tham chiếu đặt bề mặt Trái Đất Thuyết tương đối tổng quát tiên đoán hai hệ đồng hồ chạy với tốc độ khác nhau, chuyển động khác chúng (một hiệu ứng tiên đoán thuyết tương đối đặc biệt) vị trí chúng khác trường hấp dẫn Trái Đất Để đảm bảo cho hệ thống hoạt động cách xác, đồng hồ vệ tinh phải làm chậm nhân tử tương đối tính, nhân tử phần thuật toán khai triển Nói cách khác, kiểm tra độ xác hệ thống (đặc biệt thông qua phép đo phần định nghĩa Giờ phối hợp quốc tế) mang lại chứng phù hợp với tiên đốn thuyết tương đối rộng.[31] Một số thí nghiệm khác khám phá đắn nhiều phiên khác nguyên lý tương đương; nói cách hạn chế, tất phép đo giãn thời gian hấp dẫn kiểm nghiệm liên quan đến phiên yếu nguyên lý này, liên quan đến thuyết tương đối rộng Xa nữa, thuyết tương đối tổng quát vượt qua toàn quan sát kiểm nghiệm.[32] [sửa]Các ứng dụng thiên văn vật lý Các mơ hình dựa thuyết tương đối rộng đóng vai trị quan trọng thiên văn vật lý, thành công mơ hình chứng cụ thể tương lai đắn lý thuyết [sửa]Thấu kính hấp dẫn Chữ thập Einstein: bốn ảnh đối tượng thiên văn, tạo thấu kính hấp dẫn Từ ánh sáng bị bẻ cong trường hấp dẫn, nên có khả cho ánh sáng thiên thể xa truyền đến người quan sát theo hai nhiều đường khác Ví dụ, ánh sáng từ thiên thể xa quasar vượt qua phía thiên hà lớn bị lệch chút đến người quan sát Trái Đất, ánh sáng truyền qua phía bên thiên hà bị lệch lượng tương tự, đến người quan sát với độ lệch theo hướng khác Kết là, người quan sát với vị trí đặc biệt nhìn thấy thiên thể hai vị trí khác bầu trời đêm Kiểu hội tụ biết đến với thấu kính quang học, tương ứng với hiệu ứng hấp dẫn gọi thấu kính hấp dẫn.[33] Quan sát thiên văn sử dụng hiệu ứng công cụ quan trọng để nhận biết thiên thể tạo thấu kính Thậm chí trường hợp thiên thể quan sát trực tiếp bước sóng điện từ, hình dạng ảnh thu cung cấp thông tin phân bố khối lượngtương ứng với lệch ánh sáng Đặc biệt, thấu kính hấp dẫn cung cấp cách đo phân bố vật chất tối, chúng không phát xạ điện từ biết nhờ ảnh hưởng hấp dẫn chúng lên lan truyền ánh sáng thiên thể xa, phía sau vật chất tối Một ứng dụng đặc biệt hấp dẫn quan sát khoảng cách lớn, nơi phân bố thấu kính khối lượng khổng lồ trải rộng không gian lớn vũ trụ quan sát được, sử dụng để thu thập thơng tin tính chất tiến hóa khoảng cách lớn vũ trụ.[34] [sửa]Sóng hấp dẫn Sóng hấp dẫn, hệ trực tiếp lý thuyết Einstein, biến dạng hình học khơng thời gian lan truyền với vận tốc ánh sáng, hay cịn coi gợn sóng khơng thời gian Chúng khơng nên bị nhầm lẫn với sóng trọng lực động lực học chất lỏng, khái niệm khác hồn tồn Hiệu ứng sóng hấp dẫn xác định cách gián tiếp quan sát kĩ lưỡng đôi Những cặp quay xung quanh quỹ đạo nhau, dần lượng quỹ đạo q trình phát sóng hấp dẫn Đối với thông thường Mặt Trời, lượng nhỏ để xác định được, lượng sóng hấp dẫn xác định năm 1974 hệ đôi gọi hệ PSR1913+16 Trong hệ này, có ngơi quay quanh xung Điều dẫn đến hai hệ quả: xung thiên thể vơ đậm đặc cịn gọi neutron, mà phát sóng hấp dẫn mạnh so với thông thường Mặt khác, xung phát tia hẹp xạ điện từ từ cực từ Khi xung quay, tia quét qua Trái Đất, thu chuỗi xung vô tuyến đều, giống tàu đại dương nhìn thấy nhấp nháy sáng đèn biển Phần đặn xung vơ tuyến có chức "đồng hồ" với độ xác cao Nó dùng để tính chu kì quỹ đạo hệ đơi này, chịu tác động nhạy với biến dạng không-thời gian môi trường lân cận Nhờ khám phá PSR1913+16, Russell Hulse Joseph Taylor, trao giải thưởng Nobel Vật lý năm 1993 Từ đến nay, vài hệ xung đôi khác khám phá Những hệ hiệu hệ có hai ngơi sao xung, chúng cung cấp kiểm nghiệm thuyết tương đối tổng quát cách xác nhất.[35] Hiện tại, mục đích nghiên cứu thuyết tương đối xác định trực tiếp sóng hấp dẫn Để đạt điều này, số trung tâm mặt đất đặt máy dị sóng hấp dẫn hoạt động, có phi vụ phóng thiết bị dị khơng gian, LISA, phát triển với phi vụ tiền nhiệm LISA Pathfinder phóng lên năm 2013 Nếu sóng hấp dẫn xác định cách trực tiếp, chúng sử dụng để thu thập thơng tin thiên thể nặng, chặt neutron lỗ đen, để khám phá trạng thái nguyên thủy vũ trụ sau thời gian ngắn sau vụ nổ Big Bang.[36] [sửa]Các lỗ đen Lỗ đen-cung cấp lượng cho tia phát từ vùng trung tâm thiên hàM87 Khi khối lượng tập trung vùng không gian đủ nhỏ, thuyết tương đối tổng qt tiên đốn hình thành lỗ đen;- vùng không thời gian với trường hấp dẫn mạnh ánh sáng khơng Có loại lỗ đen nghĩ trạng thái cuối tiến hóa khối lượng lớn Mặt khác, lỗ đen siêu khối lượng với khối lượng từ vài triệu lần đến vài tỉ lần khối lượng Mặt Trời cho hầu hết nằm nhân thiên hà, chúng đóng vai trị quan trọng mơ hình hình thành thiên hà khứ hàng tỉ năm.[37] Vật chất rơi vào thiên thể đặc chế hữu hiệu để giải phóng lượng dạng xạ, vật chất rơi vào lỗ đen nghĩ nguyên nhân cho số tượng thiên văn chụp ảnh sáng Những ví dụ điển hình làm hứng khởi nhà thiên văn cácquasar loại nhân thiên hà hoạt động Trong điều kiện phù hợp, vật chất rơi vào lỗ đen tích tụ lại xung quanh dẫn đến hình thành tia, luồng vật chất bị thổi bay vào không gian vận tốc gần vận tốc ánh sáng.[38] Có vài tính chất làm cho lỗ đen nguồn hứa hẹn sóng hấp dẫn Một lý lỗ đen thiên thể đặc mà phần hệ đơi; kết sóng hấp dẫn phát hệ mạnh Một lý khác theo định lý gọi định lý đơn trị lỗ đen: theo thời gian, lỗ đen lại tập hợp tối thiểu đặc tính phân biệt (giống kiểu tóc khác phần quan trọng làm cho người có diện mạo khác nhau, nên định gọi định lý "khơng tóc") Ví dụ, thời gian dài, suy sụp vật chất giả thiết hình lập phương khơng tạo lỗ đen hình lập phương Do lỗ đen tạo phân biệt với lỗ đen tạo từ suy sụp vật chất dạng hình cầu, có khác biệt quan trọng: trình biến đổi sang dạng cầu, lỗ đen hình thành từ hình lập phương phát sóng hấp dẫn.[39] [sửa]Vũ trụ học Bức ảnh chụp xạ phát vài trăm nghìn năm sau Big Bang, kính viễn vọng khơng gianWMAP chụp Một vai trò quan trọng thuyết tương đối rộng có áp dụng cho tồn vũ trụ Một điểm chìa khóa là, khoảng cách lớn, vũ trụ lên xây dựng dọc theo đường đơn giản: Tất quan sát cho thấy rằng, trung bình, cấu trúc vũ trụ xấp xỉ giống nhau, không phụ thuộc vào vị trí người quan sát hay hướng quan sát: vũ trụ xấp xỉ đồng đẳng hướng Những vũ trụ tương đối đơn giản miêu tả nghiệm đơn giản phương trình Einstein Cácmơ hình vũ trụ học vũ trụ dựng lên cách kết hợp nghiệm đơn giản thuyết tương đối tổng quát với lý thuyết mơ tả tính chất vật chất vũ trụ, nhiệt động học, vật lý hạt nhân vật lý hạt Theo mơ hình này, vũ trụ sinh từ trạng thái nhiệt độ cực cao, đậm đặc (vụ nổ Big Bang) cách khoảng 14 tỷ năm trước, tiếp tục giãn nở kể từ đến giờ.[40] Phương trình trường Einstein tổng quát hóa cách thêm vào số hạng gọi số vũ trụ học Khi xuất số hạng này,chân khơng tự coi nguồn hấp dẫn hoặc, không thông thường, trường hấp dẫn đẩy Einstein người đưa số hạng trình nghiên cứu vũ trụ ông năm 1917, với động xác định: vũ trụ thời nghĩ tĩnh, nên ông thêm vào số để thiết lập mơ hình vũ trụ theo mô tả thuyết tương đối tổng quát Nhưng có chứng quan sát cho thấy vũ trụ tĩnh, mà mở rộng, Einstein từ bỏ số này; có lẽ suy nghĩ vội vàng, biết ngày nay: Từ năm 1998 đến nay, có tập hợp chứng quan sát thiên văn ổn định giãn nở vũ trụ gia tốc cho thấy tồn số vũ trụ hoặc, cách tương đương, lượng tối với tính chất đặc biệt chúng lan tràn khắp khơng gian.[41] [sửa]Các nghiên cứu đại: Thuyết tương đối rộng tương lai Thuyết tương đối rộng thành công việc cung cấp cơng cụ cho mơ hình xác miêu tả loạt tượng vật lý Mặt khác, có nhiều câu hỏi mở thú vị, đặc biệt, thuyết tương đối rộng chưa hoàn toàn hoàn thiện.[42] Ngược lại với lý thuyết đại khác tương tác bản, thuyết tương đối tổng quát lý thuyết cổ điển: khơng bao gồm hiệu ứng vật lý lượng tử Quá trình tìm kiếm lý thuyết lượng tử cho hấp dẫn câu hỏi mở vật lý Trong có ứng cử viên hứa hẹn cho lý thuyết hấp dẫn lượng tử, điển hình thuyết dây hấp dẫn lượng tử vòng, chưa có lý thuyết qn hồn thiện Các nhà vật lý từ lâu hy vọng lý thuyết hấp dẫn lượng tử loại bỏ điểm cịn thiếu sót, chưa khắc phục thuyết tương đối tổng quát: có mặt kì dị khơng thời gian Những kì dị biên ("cạnh sắc") không thời gian hình học trở thành vơ hạn (ill-defined), hệ thuyết tương đối rộng sức mạnh tiên đốn kì dị Hơn nữa, định lý kì dị Penrose-Hawking tiên đốn kì dị phảitồn vũ trụ định luật thuyết tương đối tổng qt thỏa mãn mà khơng cần sửa đổi lượng tử Những ví dụ tốt kì dị gắn với mơ hình vũ trụ miêu tả lỗ đen bắt đầu vũ trụ [43] Những cố gắng khác để sửa đổi thuyết tương đối tổng quát thực bối cảnh vũ trụ học Trong mơ hình vũ trụ học đại, phần lớn lượng vũ trụ có dạng chưa xác định cách trực tiếp, gọi lượng tối vật chất tối Đã có vài đề xuất gây tranh cãi để xóa bỏ cần thiết cho dạng lượng vật chất bí ẩn này, cách thay đổi định luật chi phối hấp dẫn động lực cho giãn nở vũ trụ, ví dụ sửa đổi động lực Newton.[44] Có số lý khác khiến việc sửa đổi lý thuyết Einstein cần thiết, với thang khoảng cách nhỏ hơn, gọi dị thường Pioneer, đặt tên cho tàu thám hiểm vũ trụ Pioneer 10 vàPioneer 11 liên quan đến hiệu ứng Khi tính đến ảnh hưởng, hấp dẫn hay lực khác, tiên đoán quỹ đạo tàu Nhưng quan sát cho thấy có khác biệt nhỏ tiên đoán vị trí thực tàu Khả có thuyết vật lý chưa bị bác bỏ, nhiều cố gắng tồn diện để tìm cách giải thích hợp lý.[45] Ngồi thách thức hiệu ứng lượng tử vũ trụ học, nghiên cứu thuyết tương đối tổng quát phong phú với khả khám phá tương lai: nhà tương đối học sử dụng công cụ toán học để khám phá chất kì dị tính chất phương trình trường Einstein,[46] thực mơ máy tính chi tiết không thời gian xác định (như việc miêu tả lỗ đen hòa trộn vào nhau),[47] chạy đua xác định cách trực tiếp sóng hấp dẫn tiếp tục diễn [48] Hơn 90 năm sau lý thuyết công bố lần đầu tiên, nghiên cứu tích cực hoạt động hết.[49] ... đại: Thuyết tương đối rộng tương lai Xem thêm Dẫn chứng Tham khảo Liên kết [sửa]Từ thuyết tương đối hẹp đến rộng [sửa]Định nghĩa Vào tháng năm 1905, Albert Einstein công bố thuyết tương đối hẹp,... liên quan đến thuyết tương đối rộng Xa nữa, thuyết tương đối tổng quát vượt qua toàn quan sát kiểm nghiệm.[32] [sửa]Các ứng dụng thiên văn vật lý Các mơ hình dựa thuyết tương đối rộng đóng vai... hoạt động hay vi quasar) Thuyết tương đối tổng quát phần tranh mơ hình chuẩn Big Bangcủa vũ trụ học Mặc dù thuyết tương đối tổng quát lý thuyết tương đối tính hấp dẫn, lý thuyết đơn giản phù hợp