Những bức ảnh chụp nhật thực toàn phần cách đây 100 năm đã xác nhận thuyết tương đối rộng hay thuyết tương đối tổng quát của Einstein, mở ra một kỷ nguyên mới cho ngành vật lý thiên văn.
Thí nghiệm kiểm chứng
Vào ngày 29/5/1919, Arthur Eddington – một nhà thiên văn học người Anh – đã đến hòn đảo Príncipe xa xôi ở phía tây châu Phi để chứng kiến và ghi lại một trong những sự kiện ngoạn mục nhất trên bầu trời: hiện tượng nhật thực toàn phần.
Quan sát sự kiện thiên văn như vậy là một công việc đơn giản ngày nay, nhưng cách đây một thế kỷ thế giới vẫn đang trong quá trình phục hồi sau cuộc Chiến tranh thế giới lần thứ nhất. Nguồn lực khoa học ít ỏi, kỹ thuật nhiếp ảnh sơ khai và thời tiết nóng ẩm đã khiến việc lắp đặt các thiết bị nghiên cứu trở nên khó khăn. Ngoài ra, luôn có một mối đe dọa rằng các đám mây sẽ che khuất cảnh tượng nhật thực.
Nhưng đối với Eddington, những khó khăn và rủi ro này rất đáng để đối mặt, bởi vì ông tin rằng quan sát của mình có thể chứng minh hoặc bác bỏ ý tưởng khoa học mang tính cách mạng nhất thời bấy giờ, đó là thuyết tương đối rộng của Albert Einstein.
Trong thuyết tương đối rộng công bố năm 1915, Einstein lập luận trọng lực không phải là một lực tác động ở khoảng cách giữa các vật thể, như Isaac Newton đã tuyên bố. Thay vào đó, Einstein cho rằng trọng lực hình thành do khối lượng một vật thể khiến không gian bị uốn cong. Từ quan điểm này, một vật thể trên quỹ đạo quanh Mặt trời thực sự đang đi theo một đường thẳng nhưng xuyên qua không gian đã bị uốn cong bởi khối lượng của Mặt trời. Ngay cả một chùm ánh sáng di chuyển dọc theo phần không gian này cũng sẽ bị bẻ cong.
“Einstein đã sử dụng các quan sát thiên văn học thời bấy giờ để hỗ trợ cho lý thuyết của mình. Ví dụ, các hiện tượng dị thường đã biết khi sao Thủy bay theo quỹ đạo quanh Mặt trời”, Carolin Crawford, nhà vật lý thiên văn tại Đại học Cambridge (Anh), cho biết. “Tuy nhiên, đây chỉ là những giải thích được hợp lý hóa. Điều cần thiết là một thí nghiệm kiểm chứng cho thấy lý thuyết của Einstein hoàn toàn đúng. Nhật thực toàn phần vào tháng 5/1919 cung cấp cơ hội đó.”
Khi nhật thực toàn phần xảy ra, Mặt trăng che khuất Mặt trời. Điều này làm mờ các tia sáng chói mắt của Mặt trời, cho phép giới thiên văn học nghiên cứu ánh sáng tương đối yếu của những ngôi sao nền ở xa. Bằng cách so sánh bức ảnh hiện có của một cụm sao cụ thể với hình ảnh của chúng được chụp trong quá trình xảy ra nhật thực, các nhà nghiên cứu có thể phát hiện những cụm sao ở gần Mặt trời có dịch chuyển vị trí hay không. Nếu vị trí của những ngôi sao này dịch chuyển so với các bức ảnh ban đầu, trước khi nhật thực xảy ra, điều này chỉ ra rằng khối lượng Mặt trời đang khiến không gian bị uốn cong.
Trong lúc Eddington tiến hành thí nghiệm trên đảo Príncipe, một nhóm nghiên cứu khác dẫn đầu bởi Andrew Crommelin và Charles Rundle Davidson thuộc Đài thiên văn Hoàng gia Greenwich đã đến Sobral, Brazil để quan sát nhật thực toàn phần năm 1919. Cả hai nhóm nghiên cứu đều được chỉ đạo bởi nhà thiên văn học người Anh Frank Watson Dyson, và họ sẽ chụp ảnh các ngôi sao của cụm Hyades trong chòm sao Kim Ngưu.
Tuy nhiên, có một chút rắc rối khi tiến hành thí nghiệm. “Lý thuyết vật lý của Newton cũng dự đoán vị trí các ngôi sao ở gần Mặt trời bị thay đổi trong lúc xảy ra nhật thực, nhưng ít hơn”, Crawford nói. “Lý thuyết của Einstein dự đoán mức độ dịch chuyển lớn hơn.”
Do đó, Eddington phải đối mặt hai vấn đề nan giải. Một là ông có phát hiện được bất kỳ sự thay đổi vị trí sao nào do Mặt trời gây ra không? Hai là các phép đo có đủ chính xác để xác định xem lý thuyết của Newton hay Einstein đúng? Theo Newton, hình ảnh ngôi sao sẽ bị lệch khoảng 0,8 giây góc (arcsecond), trong khi Einstein nói rằng chúng sẽ bị dịch chuyển khoảng 1,8 giây góc. Do một giây góc có giá trị bằng 1/3.600 độ nên những khác biệt cực kỳ nhỏ như vậy sẽ rất khó phát hiện.
Nhóm của Eddington đối mặt với nhiều khó khăn hơn dự kiến trên đảo Príncipe. Họ làm việc trong màn chống muỗi và phải liên tục xua đuổi những con khỉ đang cố gắng ăn cắp các thiết bị của họ. Sáng ngày 29/5/1919 xuất hiện một cơn mưa rào. Những đám mây đen dần tan nhưng vẫn còn sương mù xen kẽ trên bầu trời khi nhật thực diễn ra. Eddington chụp được 16 bức ảnh, nhưng ông nhanh chóng phát hiện chỉ hai bức ảnh trong số này chứa đủ các ngôi sao như dự kiến. Bên cạnh đó, lịch trình bằng tàu hơi nước buộc họ phải rời đảo Príncipe trong vài ngày mà không kịp tiến hành các đo đạc cần thiết khác.
Nhóm nghiên cứu còn lại ở Sobral, Brazil trải qua điều kiện quan sát tốt hơn. Tuy nhiên, 19 bức ảnh họ chụp bằng kính viễn vọng chính đều bị mất nét, do nhiệt độ Mặt trời đã khiến chiếc gương của kính thiên văn mở rộng không đều và tạo ra hình ảnh mờ. May mắn thay, 8 bức ảnh khác được chụp bằng kính thiên văn dự phòng nhỏ hơn đã đem lại kết quả hoàn hảo.
Lý thuyết của Newton bị lật đổ
Tháng 8/1919, hai nhóm nghiên cứu ngồi lại với nhau, bắt đầu đo vị trí của các ngôi sao trong cụm Hyades tại thời điểm trước và sau khi Mặt trăng che khuất Mặt trời. Họ thu được hai bộ kết quả. Từ các bức ảnh chụp ở Sobral, các nhà thiên văn học nhận thấy ánh sáng bị bẻ cong khoảng 1,98 giây góc. Trong khi các bức ảnh chụp trên đảo Príncipe, ánh sáng bị bẻ cong khoảng 1,6 giây góc.
Những phát hiện này, mặc dù dựa trên dữ liệu hạn chế, hoàn toàn phù hợp với lý thuyết của Einstein. “Đây là một kết quả gây chấn động, khiến sự kiện nhật thực toàn phần năm 1919 trở thành nhật thực quan trọng nhất trong lịch sử”, Daniel Kennefick, nhà vật lý người Mỹ, viết trong cuốn sách “Không còn sự hoài nghi: Nhật thực năm 1919 xác nhận thuyết tương đối của Einstein.”
Tối ngày 6/11/1919, nhóm các nhà thiên văn học Dyson, Eddington và Crommelin công bố kết quả thí nghiệm tại trụ sở của Hiệp hội Hoàng gia London, Anh. Kết quả hoàn toàn khiến các thành viên của Hiệp hội sững sờ. “Lý thuyết đã tồn tại 200 năm của nhà vật lý Isaac Newton hoàn toàn bị đảo lộn. Đây là kết quả quan trọng nhất liên quan đến lý thuyết về lực hấp dẫn kể từ thời Newton”, JJ Thomson, Chủ tịch Hiệp hội Hoàng gia London, nhận định. Ngày hôm sau, các tờ báo lớn đồng loạt đưa tin, khiến tên tuổi của Einstein nhanh chóng nổi tiếng trên toàn thế giới.