Kiểm tra thuyết tương đối từ kì nhật thực 1919 ? một câu hỏi thành kiến

[goldenvtec]

Hệ thống quảng cáo SangNhuong.com

Một trong những phép đo nổi tiếng nhất trong lịch sử thiên văn học thế kỉ 20 đã được tiến hành trong hành trình kéo dài vài tháng vào năm 1919. Các đội quan sát đến từ các trường đại học Greenwich và Cambridge ở Anh đã đến Brazil và Tây Phi để quan sát một kì nhật thực toàn phần xảy ra vào hôm 29 tháng 5 năm 1919. Mục tiêu của họ là xác minh xem đường đi của các tia sáng có bị lệch khi đi qua trường hấp dẫn mạnh của Mặt trời hay không. Các quan sát của họ sau đó được xem là sự xác minh hoàn hảo của thuyết tương đối rộng; nghĩa là các quan sát đó phù hợp với những tiên đoán của lí thuyết hấp dẫn mới do Albert Einstein phát triển hơn so với lí thuyết Newton truyền thống.

Trong những thập niên gần đây, nhiều nhà vật lí và nhà nghiên cứu lịch sử khoa học đã nghi ngờ về tính xác thực của thí nghiệm nổi tiếng đó. Họ khẳng định rằng các phép đo thực hiện năm 1919 không đủ chính xác để quyết định giữa các lí thuyết hấp dẫn của Einstein và của Newton. Một số người còn tuyên bố không có căn cứ, nhất là một số nhà triết lí khoa học, rằng kết luận nghiêng về phía Einstein đó bị thôi thúc bởi thành kiến từ phe của thành viên nổi tiếng nhất của các chuyến thám hiểm, Arthur Stanley Eddington. Eddington được biết là một người nhiệt tình ủng hộ của thuyết tương đối rộng, và người ta nói ông khắc khoải muốn làm một động thái hòa giải giữa nước Anh và nước Đức vào thời hậu Thế chiến thứ nhất, bằng việc xác nhận lí thuyết của một trong những nhà khoa học hàng đầu của nước Đức, người, giống như bản thân Eddington, là một người yêu chuộng hòa bình1. Vì thế, kì nhật thực năm 1919 ngày nay thỉnh thoảng được xem là một thí dụ hoàn hảo của các nhà thực nghiệm làm phù hợp dữ liệu của họ với kết quả mong đợi ? cái gọi là hiệu ứng tiên tri.


Câu chuyện rằng kì nhật thực năm 1919 không phải là một thí nghiệm có tính quyết định có hai phiên bản. Phiên bản thứ nhất, phổ biến trong số các nhà vật lí ít nhất là kể từ thập niên 1970, bàn về độ chính xác: Các nhà thí nghiệm đơn giản là đã may mắn khi đã tiến gần một cách hợp lí đến một trong hai tiên đoán, cho nên thí nghiệm đó không cấu thành một phép kiểm nghiệm thực sự có giá trị của các lí thuyết. Phiên bản thứ hai, phổ biến trong số các nhà triết học và nhà nghiên cứu lịch sử khoa học nhưng bắt đầu đi tìm một tiếng nói chung, xuất phát từ một bài báo năm 1980 của các nhà triết học John Earman và Clark Glymour2. Họ buộc tội cụ thể Eddington và các đồng sự của ông đã vứt bỏ các số liệu dường như ủng hộ Isaac Newton chứ không phải Einstein. Một số nhà phê bình hiện đại còn chỉ trích rằng hành động như thế không thể bào chữa được trên cơ sở khoa học và có khả năng nó bị thôi thúc bởi thành kiến chính trị và thiên hướng lí thuyết của Eddington.

Arthur Stanley Eddington (1882 ? 1944). Năm 1919, Eddington trở nên nổi tiếng là hệ quả của nghiên cứu của ông về cấu trúc bên trong của các sao. Sự nhiệt tình của ông với thuyết tương đối rộng khiến một số nhà sử học buộc tội ông có thiên kiến trong phân tích dữ liệu nhật thực năm 1919 (Ảnh: AIP Emilio Segrè Visual Archievs)

Frank Watson Dyson (1868 ? 1939). Nhà thiên văn học hoàng gia Anh và là giám đốc Đài thiên văn Hoàng gia Greenwich, Dyson là người chịu trách nhiệm chính cho việc tổ chức chuyến thám hiểm năm 1919. Có kinh nghiệm cả về đo đạc sao và thám hiểm nhật thực, ông phụ trách phân tích số liệu của chuyến thám hiểm Greenwich đến Sobral, Brazil (Ảnh của Thư viện Quốc hội, Bộ sưu tập George Grantham Bain).


Tất nhiên, người ta không thể chắc chắn lắm về bất kì khả năng xây dựng lại nào của các phán xét thực nghiệm đã gần một thế kỉ tuổi, nhưng tôi cho rằng sự cân bằng bằng chứng chủ yếu nằm ở thiên hướng quan điểm của những người lãnh đạo nhóm thám hiểm năm 1919, Frank Watson Dyson và Eddington, có cơ sở hợp lí cho việc phán quyết rằng các kết quả của họ là không phù hợp với tiên đoán của lí thuyết Newton. Thật vậy, cách xử lí số liệu của họ dường như được minh oan bởi một bản phân tích lại hồi năm 1979 các tấm phim chụp của họ bằng phương pháp trắc sao hiện đại. Tuy vậy, hai nhà nghiên cứu đó không tin họ đã nói lên lời cuối cùng. Thật vậy, Dyson và các cộng sự của ông đã tiến những bước dài để cố gắng dựng lại thí nghiệm đó vào kì nhật thực năm 1922.


Chuyến thám hiểm


Trong một bài báo năm 1911, Einstein lần đầu tiên tiên đoán rằng ánh sáng sẽ rơi trong một trường hấp dẫn, cho nên ánh sáng sao đi qua gần rìa Mặt trời sẽ bị lệch khỏi quỹ đạo của nó3. Ông tính ra được vị trí quan sát thấy của một ngôi sao có ánh sáng đi qua gần Mặt trời sẽ thay đổi một lượng 0,87 giây cung (0,87??). Phân tích của ông xây dựng trên hiểu biết của ông về những đặc trưng cơ bản mà một lí thuyết tương đối tính của sự hấp dẫn phải có, nhất là nguyên lí tương đương. Nguyên lí tương đương đòi hỏi tất cả các khối lượng phải rơi ở tốc độ như nhau trong một trường hấp dẫn.

Eddington và Dyson đã gán giá trị Einstein tính được năm 1911 là giá trị ?Newton?, một tên gọi hợp lí bởi khám phá tiếp sau đó rằng một giá trị tương tự chỉ dựa trên vật lí học Newton đã được công bố năm 1804 bởi nhà thiên văn người Đức Johann Georg Soldner4. Năm 1916, sau khi đã phát triển phiên bản cuối cùng của lí thuyết tương đối rộng của ông, Einstein nhận ra còn có một thành phần nữa đối với hiệu ứng làm lệch ánh sáng gây ra bởi cách khối lượng Mặt trời làm bẻ cong không thời gian xung quanh nó. Như vậy, một đường thẳng ở gần Mặt trời bị cong đi so với một đường thẳng trong không gian phẳng. Sự lệch thêm do độ cong đó gây ra có thể sánh với sự lệch chỉ do chuyển động rơi gây ra, cho nên tiên đoán của thuyết tương đối rộng yêu cầu một độ lệch vị trí sao lớn gấp hai lần ? khoảng 1,75? tại rìa của Mặt trời ? so với yêu cầu của lí thuyết Newton.

Ngay từ năm 1913, Einstein đã viết thư cho các nhà thiên văn học hàng đầu, cố gắng thuyết phục họ thực hiện một phép đo của hiệu ứng mà ông tiên đoán. Tuy nhiên, các ngôi sao ở gần Mặt trời thường không nhìn thấy được, nên vấn đề là các nhà thiên văn cần phải chụp ảnh một vùng sao xung quanh Mặt trời trong một kì nhật thực toàn phần. Điều đó có nghĩa là phải thực hiện những chuyến đi vất vả đến nơi nhật thực được tiên đoán xảy ra. Trước năm 1919, một số nỗ lực nhằm đo hiệu ứng đó đã bị cản trở bởi thời tiết xấu lẫn Thế chiến thứ nhất6. Vả lại, Einstein đã thay đổi tiên đoán của ông vào năm 1916, nên có lẽ thật là may mắn khi những cuộc thám hiểm trước thời điểm đó đã không thành công.

Nhật thực năm 1919 được công nhận là một cơ hội đặc biệt thuận lợi do sự có mặt của những ngôi sao sáng bất thường thuộc cụm Hyades ở gần Mặt trời trong lúc nhật thực. Hơn nữa, lúc ấy lí thuyết của Einstein đã thu được sự nổi bật đáng kể do thành công của nó ở việc giải thích sự tiến động không bình thường của Thủy tinh là một nhiễu loạn trong quỹ đạo của nó do Mặt trời bẻ cong không thời gian gây ra.

Người nhận ra tầm quan trọng của nhật thực năm 1919 là Dyson (không có liên quan gì đến nhà vật lí Freeman Dyson), nhà thiên văn học hoàng gia của nước Anh và là giám đốc Đài thiên văn Hoàng gia Greenwich. Người chỉ cho Dyson thấy tầm quan trọng của lí thuyết mới của Einstein là Eddington, giám đốc Đài thiên văn Đại học Cambridge. Dyson, chủ tịch Liên ủy ban thường trực về nhật thực của Hội Hoàng gia và Hội Thiên văn học Hoàng gia, đã chọn Eddington vào một ủy ban con thành lập ra để chuẩn bị cho chuyến thám hiểm quan sát nhật thực năm 1919. Mặc dù có vẻ như chiến tranh sẽ làm hỏng mất những nỗ lực của họ, nhưng sự kết thúc đột ngột của các hành vi thù địch vào tháng 11/1918 xảy ra vừa kịp lúc cho chuyến thám hiểm khả dĩ thực hiện được. Eddington, mang theo một người thợ đồng hồ xứ Northamptonshire tên là Edwin Turner Cottingham, đã đi đến một trạm trên hòn đảo Hoàng tử nằm ngoài khơi vùng duyên hải Tây Phi, ở gần xích đạo. Dyson đã gửi hai trong số các phụ tá Greenwich của ông, Charles Davidson và Andrew Crommelin, đến một trạm tại Sobral ở miền bắc Brazil.

Có khả năng câu chuyện nổi tiếng nhất về thiên hướng vô cớ của Eddington nghiêng về lí thuyết của Einstein là một câu chuyện do chính Eddington tường thuật lại trong đó Dyson, trong khi giải thích thí nghiệm với Cottingham trước chuyến đi, đã bảo người thợ đồng hồ rằng có ba khả năng hợp lí về mặt lí thuyết: không bị lệch; lệch một nửa, cho thấy ánh sáng có khối lượng, và chứng minh Newton đúng; và bị lệch hoàn toàn, chứng minh Einstein đúng. Biết rằng sự lệch càng lớn thì kết quả càng hấp dẫn và mới lạ về mặt lí thuyết, Cottingham đã hỏi chuyện gì sẽ xảy ra nếu họ thu được gấp đôi độ lệch Einstein. ?Khi đó?, Dyson trả lời, ?Eddington sẽ phát rồ, còn anh sẽ phải trở về một mình?.

Hai đoàn thám hiểm rời nước Anh vào tháng ba và đến các trạm của họ đúng thời gian thích hợp cho kì nhật thực. Vào ngày nhật thực, 29/5, Eddington đã thất vọng vì những đám mây nặng nề, nhưng chúng đã kịp mỏng đi trong lúc nhật thực để ông thu được ảnh của những ngôi sao sáng nhất vào những phút phơi sáng sau cùng ông thực hiện. Trong khi đó, đội Greenwich ở Sobral được thời tiết tốt ủng hộ nhưng lại gặp rắc rối bởi thiết bị chính của đội không hoạt động, một thấu kính chụp ảnh thiên văn. Được chế tạo để dùng trong các nghiên cứu chụp ảnh toàn bầu trời, các thấu kính ảnh thiên văn được thiết kế có một trường nhìn rộng khác thường. Thiết bị hỗ trợ, một thấu kính 4 inch, thì hoạt động tốt. Nhưng với trường nhìn hẹp hơn của nó, thấu kính 4 inch mang lại ít sao hơn trên phim chụp của nó so với thấu kính ảnh thiên văn.


Nguồn: thuvienvatly.com

[qtuanfashion]

Hệ thống quảng cáo SangNhuong.com

Phân tích lại năm 1979


Đội Greenwich đã lên kế hoạch bắt đầu đưa thấu kính chụp ảnh thiên văn của đội vào thiết bị chính của đội. Nhưng thấu kính đó không hề được sử dụng tại kì nhật thực nào, và các e ngại với chiếc gương và cơ chế điều khiển của nó đã khuyến khích đội Sobral mang theo một thiết bị dự phòng hoạt động trên thấu kính 4 inch Cortie. Vào giữa kì nhật thực, việc phát triển tại chỗ một số tấm phim đã nhắc Crommelin và Eddington rằng cấu hình chụp ảnh thiên văn đó đã mất rõ nét trong lúc nhật thực. Các ngôi sao có vết sọc đáng để ý, vấn đề đã được Dyson báo cáo tại một cuộc họp của Hội Thiên văn học Hoàng gia từ hôm 13 tháng 6.10 Thật rắc rối, khi các tấm phim chụp so sánh được thực hiện hai tháng sau đó, người ta thấy thiết bị lại rõ nét trở lại.

Bất chấp những e ngại về chất lượng của các tấm phim chụp, Dyson và đội của ông vẫn tiến lên và thu nhỏ dữ liệu ảnh chụp thiên văn trước. Tuy nhiên, họ đã gặp phải những khó khăn đáng kể trong việc đo các tấm phim. Do tính mơ hồ của những bức ảnh sọc dưa và mất nét, họ đã đo vị trí sao trên tấm phim chụp thiên văn của kì nhật thực chỉ trong một tọa độ. Ném đi một nửa dữ liệu của họ vào lúc bắt đầu, họ đã công bố và thu được kết quả gây tranh cãi là 0,93??, họ đã báo kết quả đó cho Eddington trước ngày 3 tháng 10. Một lần nữa, họ đã thu nhỏ dữ liệu thấu kính 4 inch, được hỗ trợ bởi sự sắc nét thu được trên các tấm phim chụp nhật thực, và họ phải đương đầu với vấn đề là hai thiết bị của họ mang lại những số đo rất không ăn khớp với nhau.

Thật thú vị, đội Greenwich đã thử một phương pháp phân tích khác với dữ liệu ảnh chụp thiên văn. Trong đoạn báo cáo mấu chốt của Dyson, ông trình bày rằng một phương pháp phân tích khác đã thu được kết quả 1,52? từ dữ liệu ảnh chụp thiên văn Sobral. Một bài báo năm 1921 sau này về cơ bản đã lặp lại nhận xét đó (trích dẫn những con số hơi khác vì những lí do không trình bày):Nếu như cho rằng tỉ lệ đã thay đổi, thì độ lệch Einstein từ loạt phim chụp là 0,90?; còn nếu như cho rằng không có một sự thay đổi thật sự nào của sự rõ nét của ảnh xảy ra, mà đơn thuần chỉ là sự nhòe ảnh, thì kết quả đó là 1,56?; tuy vậy, một chút trọng lượng đã gắn với loạt ảnh chụp này.

Điều đó có nghĩa là Dyson và các cộng sự của ông đã nỗ lực làm một cái gì đó cho gần với phương pháp phân tích của Eddington. Họ đã không kiểm tra các tấm phim chụp, như ông đã làm, nhưng họ thật sự đã chụp các tấm phim so sánh ở cùng địa điểm và với cùng thiết bị như các tấm phim chụp nhật thực. Nếu như Eddington có thể thừa nhận rằng không có sự thay đổi tỉ lệ nào xảy ra giữa các tấm phim chụp nhật thực ban ngày và các tấm phim chụp kiểm tra vào ban đêm trên đảo Hoàng tử, thì thủ thuật tương tự có xảy ra với Sobral, nơi mà các điều kiện thời tiết nhiệt đới cũng làm thay đổi ít nhiều ở nhiệt độ ? Họ đã tính được sự thay đổi tỉ lệ do các hiệu ứng thiên văn đã biết và áp dụng sự thay đổi đó cho các sai lệch vị trí sao giữa các tấm phim chụp nhật thực và phim chụp so sánh. Kết quả là một giá trị lớn hơn 1,5?? cho sự lệch ánh sáng, kết quả lệch khỏi kết quả trên đảo Hoàng tử của Eddington là mấy. Như vậy, có khả năng là việc phân tích dữ liệu của các tấm phim chụp thiên văn đã làm hé lộ một sự thay đổi tir lệ lớn bất ngờ do một số khiếm khuyết trong thiết bị đo đạc.

Dyson và các cộng sự của ông có thể đã tranh luận theo những hướng sau đây. Nếu tính toán của họ về một sự thay đổi lớn tỉ lệ trong các tấm phim chụp thiên văn là đúng, thì thiết bị phải chịu một sự thay đổi lớn về độ phóng đại do sự biến thiên nhiệt độ trong kì nhật thực. Điều đó nghĩa là giá trị sai lệch đo được phù hợp với lí thuyết Newton. Mặt khác, nếu ai đó tranh luận rằng thiết bị có thể đơn giản là bị mất nét, thì kết quả mặc nhiên phù hợp hơn với lí thuyết Einstein và với các kết quả thu được bởi các thấu kính thiên văn Sobral 4 inch và trên đảo Hoàng tử. Như vậy, việc ủng hộ cho lí thuyết Newton, trong một chừng mực nào đó, là không tương thích về mặt lôgic với các thiết bị đã hành xử theo kiểu như dự tính. Tôi cho rằng hướng lập luận đó đã có tác động mạnh lên quyết định của đội Greenwich loại trừ dữ liệu ảnh chụp thiên văn ra khỏi báo cáo sau cùng của họ.

Thật thú vị, một phép phân tích lại dữ liệu vào năm 1979 với phương pháp hiện đại do Đài thiên văn Hoàng gia Greenwich thực hiện đã ủng hộ cho quan điểm đó. Theo lệnh của vị giám đốc khi ấy, Francis Braham Smith và Andrew Murray, vị chuyên gia trắc sao của đài, Geoffrey Harvey và A.D. Clements đã đưa các tấm phim năm 1919 ra khỏi hai thiết bị Sobral và đã đo vị trí sao bằng một cỗ máy đo phim hiện đại. Dữ liệu sau đó được phân tích lại bằng phần mềm thu giảm dữ liệu thiên văn do Murray viết. Bảng dưới đây so sánh các kết quả của Harvey với kết quả của đội khảo sát năm 1919 (toàn bộ các đại lượng đo theo đơn vị giây cung).

Lưu ý kết quả khác của Dyson cho dữ liệu ảnh chụp thiên văn là 1,52? (không cho biết sai số).

Kết quả của thiết bị thấu kính 4 inch phù hợp khá tốt với các số đo ban đầu. Cái nổi bật nhất là sự phù hợp gần gũi giữa kết quả đối với thấu kính ảnh thiên văn và giá trị khác cho bởi Dyson và Crommelin năm 1919. Mặc dù nó có thể là sự trùng khớp ngẫu nhiên, nhưng việc phân tích lại đã cung cấp một sự xác thực sau rốt cho quan điểm rằng vấn đề trở ngại thật sự với dữ liệu ảnh thiên văn Sobral là sự khó khăn, với các phương tiện hạn chế có sẵn vào năm 1919, của việc phân tách sự thay đổi tỉ lệ ra khỏi sự lệch ánh sáng.

Tuy nhiên, trớ trêu thay, bài báo năm 1979 chẳng có tác động gì lên câu chuyện đang nổi lên rằng có cái gì đó ám muội xung quanh thí nghiệm năm 1919. Thật vậy, trong chừng mực tôi có thể nói, bài báo đó chưa hề được trích dẫn bởi bất kì ai, trừ một đoạn tham khảo ngắn, không rõ ràng trong cuốn Lược sử thời gian của Stephen Hawking.13 Tuy nhiên, Hawking đã nhắc lại phép phân tích đó để chứng minh rằng phép đo ban đầu không thể nào thu được độ chính xác mà người ta đã khẳng định, khiến một thành viên của đội thám hiểm năm 1919 phải trình làng một bức thư phân bày.


Đạt tới viễn cảnh


Khi giải thích các kết quả thực nghiệm, ngữ cảnh là tất cả. Chuyến thám hiểm nhật thực chuyên nghiệp cuối cùng để tiến hành thí nghiệm bẻ cong tia sáng là vào năm 1973, do một đội thuộc trường Đại học Texas dẫn đầu được thúc đẩy một phần bởi khát vọng muốn kiểm tra lí thuyết của Einstein chống lại lí thuyết tensor vô hướng Jordan-Fierz-Brans-Dicke. Sự khác biệt giữa các tiên đoán của hai lí thuyết đó đòi hỏi độ chính xác cao hơn cái có thể thu được hồi năm 1919 và có thể còn cổ vũ cho một ước lượng quan trọng hơn của thí nghiệm trước. Kể từ năm 1973, các nhà thiên văn học vô tuyến đã có thể tiến hành những phép đo chính xác hơn bằng cách các quasar đang bị Mặt trời che khuất.

Tương tự như thế, các nhà triết học như Earman và Glymour đang túm lấy vấn đề nhận thức luận rằng thật ra có khả năng nào cho các lí thuyết bị đánh đổ bởi từng thí nghiệm cá lẻ hay không. Các phép đo năm 1919 tự chúng không đủ để lật đổ Newton. Thật đáng tiếc, chỗ có phần tế nhị đó đã trở thành thô tục bởi việc người ta nhai đi nhai lại rằng Eddington và Dyson đã bị thành kiến bởi vì đơn giản là họ không có khả năng thực hiện những phép đo có độ chính xác cần thiết. Tôi thì cho rằng họ có cơ sở hợp lí trong việc đưa ra khẳng định trọng tâm của họ rằng các kết quả của họ không phù hợp với lí thuyết Newton mà đại thể lại phù hợp với lí thuyết của Einstein. Theo ý nghĩa đó, những nỗ lực của họ là quan trọng trong việc thay thế lí thuyết Newton bằng thuyết tương đối rộng giống như bất kì một thí nghiệm cá lẻ nào có thể làm được.

Dyson và các cộng sự của ông đã nóng lòng lặp lại các phép đo của họ và đã sử dụng các phương pháp dựa trên việc sử dụng các tấm phim chụp kiểm tra để mang lại một số đo độc lập của sự thay đổi tỉ lệ tại kì nhật thực năm 1922. 16 Họ đã bị đẩy lùi bởi thời tiết xấu, mặc dù một nhóm đến từ Đài thiên văn Lick thật sự mang lại những số đo mới phù hợp với các kết quả năm 1919. Mặc dù họ không có được kết luận cuối cùng về thí nghiệm bẻ cong ánh sáng, và dẫu cho họ đã may mắn thu được dữ liệu như họ đã làm, nhưng những con người của năm 1919 đó vẫn được ghi nhận vì đã chỉ đạo một thí nghiệm khó với kĩ năng, sự thông suốt và lòng trung thực dưới những điều kiện hết sức khó khăn. Công trình của họ là một đóng góp trọng yếu cho sự xuất hiện của thuyết tương đối rộng với tư cách là một trong những lí thuyết hàng đầu của vật lí học hiện đại.


Nguồn: thuvienvatly.com