V. Các tốn tử đặc biệt thường dùng trong vật lý
b/ Sự cong ắn Lorentz
6.4.3 Lý thuyết tương đối rộng
CƠNG CUỘC TÌM KIẾM CÁC HỆ QUẢ TỐN HỌC CỦA NGUYÊN LÝ TƯƠNG ĐƯƠNG ĐÃ DẪN ĐẾN SỰ RA ĐỜI CỦA MỘT HỌC THUYẾT MỚI: LÝ THUYẾT TƯƠNG ĐỐI RỘNG. LÝ THUYẾT NÀY ĐƯỢC EINSTEIN PHÁT MINH RA NĂM 1916 VÀ CHỦ YẾU DÙNG ĐỂ GIẢI THÍCH CÁC HIỆN TƯỢNG HẤP DẪN VŨ TRỤ. SAU ĐÂY LÀ MỘT SỐ HIỆU ỨNG MÀ LÝ THUYẾT TƯƠNG ĐỐI RỘNG CĨ ƯU THẾ HƠN HẲN SO VỚI LÝ THUYẾT HẤP DẪN NEWTON:
- Hiệu ứng thứ nhất là sự dịch chuyển điểm cận nhật của sao Thủy trong trường hấp dẫn của Mặt trời. Những quan sát thiên văn từ giữa thế kỷ 19 cho thấy rằng chuyển động của các hành tinh xung quanh Mặt trời khơng phải là một đường elip khép kín hồn hảo mà là một đường elip hở. Điểm cận nhật của quỹ đạo các hành tinh luơn luơn chuyển động lướt về phía trước, do đĩ trục chính của quỹ đạo khơng cố định mà cĩ tham gia một chuyển động quay. Đối với sao Thủy là sao gần Mặt trời nhất, chuyển động quay này nhanh hơn cả, cứ 100 năm trục chính của nĩ lại quay được một gĩc α = 43’’. Đối với các hành tinh khác gĩc quay này nhỏ hơn nhiều. Ví dụ, đối với Trái đất gĩc quay này là α= 3,8’’. Cơ học Newton khơng thể giải thích được sự quay này mặc dù đã cố gắng xét đến tất cả các nhiễu loạn do các hành tinh khác gây ra. Lý thuyết hấp dẫn Einstein cho các kết quả trùng với thực nghiệm khá tốt: đối với sao Thủy α= 42,6’’; đối với Trái đất α = 4’’.
- Hiệu ứng thứ hai là sự lệch của ánh sáng trong trường hấp dẫn của Mặt trời. Theo nguyên lý hấp dẫn Einstein, khơng gian xung quanh vật chất bị cong đi, vật chất càng lớn khơng gian càng cong nhiều. Tia sáng truyền trong khơng gian gần vật chất cũng bị cong theo. Ngay từ năm 1915 Einstein đã tính được rằng ánh sáng của các ngơi sao ở rất xa đến Trái đất khi đi qua gần Mặt trời bị lệch đi một gĩc β = 1,75’’. Đo lường tiến hành vào năm 1919 và sau đĩ khoảng mười lần nữa vào các năm sau đĩ đã xác nhận kết quả trên. Ví dụ, các số liệu đo vào thời kỳ nhật thực năm 1952 cho kết quả độ lệch này là β = 1,7’’. Trong khi đĩ theo cơ học Newton các tia sáng này phải truyền theo đường thẳng.
- Hiệu ứng thứ ba là “sự dịch chuyển đỏ”. Nội dung như sau: các vạch quang phổ của ánh sáng phát ra từ các ngơi sao nặng bị dịch chuyển về phía đỏ tức
là về phía cĩ bước sĩng dài hơn so với các bước sĩng của các nguyên tử vật chất phát ra trong điều kiện Trái đất. Hiệu ứng ngày được kiểm tra trước tiên đối với sao Thiên lang B (sao này cĩ mật độ gấp hàng chục nghìn lần mật độ của nước và cĩ trường hấp dẫn trên bề mặt lớn gấp hai mươi lần trường hấp dẫn trên Mặt trời) và sau đĩ đối với nhiều ngơi sao khác. Các kết quả thu được đều xác nhận các tính tốn theo lý thuyết hấp dẫn của Einstein, như đối với sao Thiên lang B độ dịch chuyển tương đối của tần số là = −5,9.10−5
ν ν ∆
theo tính tốn, trong khi đĩ đo lường cho kết quả là –6,6.10-5.
Từ năm 1959 người ta cũng đã tiến hành các thí nghiệm kiểm tra hiệu ứng dịch chuyển đỏ ngay trong phạm vi phịng thí nghiệm trên Trái đất. Các thí nghiệm này một lần nữa lại xác nhận lý thuyết hấp dẫn của Einstein.
Ngồi các hiệu ứng trên, lý thuyết tương đối suy rộng của Einstein cịn mở đầu cho một thời kỳ mới, thời kỳ nghiên cứu sự hình thành và tiến triển của vũ trụ một cách khoa học.