Năm 1919, những bức ảnh nhật thực của Arthur Eddington đã chứng minh thuyết tương đối của Einstein thế nào?

Sáng ngày 29 tháng 5 năm 1919 trên hòn đảo hẻo lánh Príncipe ở Tây Phi, sau một hành trình dài, Arthur Eddington và Cottingham phải thức dậy trong một trận bão mưa. Màn mưa nhiệt đới xối xả đe dọa xóa sạch cơ hội ghi lại nhật thực toàn phần diễn ra ngay trong ngày hôm đó. [4]

Chuyến thám hiểm vượt đại dương này hướng đến một mục tiêu duy nhất: đo độ lệch hấp dẫn của ánh sáng sao khi đi qua gần Mặt trời. Thế nhưng vào năm 1919, các nguồn lực khoa học còn rất ít ỏi, trong khi kỹ thuật nhiếp ảnh vẫn còn thô sơ. Bầu không khí nóng ẩm đặc trưng của hòn đảo nhanh chóng biến thành trở ngại lớn, gây khó khăn nghiêm trọng cho việc điều chỉnh tiêu cự thiết bị. [3][4]

Đối mặt với thời tiết bất lợi và những công cụ ghi hình còn nhiều hạn chế, cơ hội để bắt được hình ảnh nhật thực dường như rất mong manh. Làm sao những tấm kính ảnh chụp vội trong điều kiện ngặt nghèo ấy có thể ghi lại chính xác độ lệch của ánh sáng sao đi qua gần Mặt trời, câu trả lời bắt đầu từ chính canh bạc đầy bất trắc trên hòn đảo Tây Phi này. [3][4]

Bản tính toán sai lầm và những cơn mưa cứu mạng

Ý tưởng về việc ánh sáng bị bẻ cong không hoàn toàn bắt đầu từ Albert Einstein. Ngay từ năm 1801, Johann Georg von Soldner từng chỉ ra rằng lực hấp dẫn theo cơ học Newton đã dự đoán ánh sáng từ các ngôi sao sẽ bị lệch khi đi qua gần một vật thể có khối lượng lớn. Đến năm 1911, Einstein công bố một bài báo đưa ra dự đoán về mức độ lệch của ánh sáng, nhưng tính toán ban đầu này không chính xác do dựa trên một phiên bản thuyết tương đối rộng chưa hoàn chỉnh. Trong bài báo đó, ông tính toán sai rằng độ lệch ánh sáng đối với ngôi sao ở sát rìa Mặt trời chỉ bằng giá trị của Newton là 0,83 giây cung. [3]

Dự đoán năm 1911 đã thôi thúc giới quan sát lập tức chuẩn bị thiết bị để săn tìm bằng chứng thực tế trên bầu trời. Nhà thiên văn học Perrine trở thành người đầu tiên thực hiện nỗ lực chuyên biệt nhằm quan sát độ lệch ánh sáng để kiểm chứng tính toán của Einstein. Hướng tới sự kiện nhật thực ngày 10 tháng 10 năm 1912 tại Brazil, đội ngũ Córdoba của Perrine là đoàn thám hiểm duy nhất chế tạo thiết bị chuyên dụng phục vụ riêng cho mục tiêu này. Nhưng thời tiết đã chặn đứng mọi nỗ lực. Mưa xối xả trút xuống địa điểm quan sát tại Brazil, khiến tất cả các đoàn thám hiểm năm đó không thể thực hiện bất kỳ quan sát nào. [3]

Cơ hội tiếp theo đến vào năm 1914 tại bán đảo Krym, nhưng lần này thử thách không chỉ nằm ở bầu trời. Chiến tranh thế giới thứ nhất bùng nổ dữ dội khiến các nhà thiên văn học Đức có mặt ở Krym rơi vào cảnh ngặt nghèo: họ bị buộc phải hồi hương khẩn cấp hoặc bị quân Nga bắt làm tù binh. Dù đối mặt với muôn vàn trắc trở, Perrine vẫn thu được những bức ảnh đầu tiên trong nỗ lực kiểm chứng dự đoán bẻ cong ánh sáng của Einstein vào năm 1914, nhưng các tấm kính ảnh chụp được lại không đủ rõ ràng để đưa ra kết luận. [3]

Việc thời tiết xấu và thời cuộc hỗn loạn ngăn cản kết quả năm 1912 và 1914 vô tình lại được xem là điều may mắn lớn cho Einstein. Nếu các đoàn thám hiểm khi ấy thu được số liệu chuẩn xác, con số tính toán sai lầm năm 1911 có thể đã làm thụt lùi nghiêm trọng uy tín khoa học của ông. Những năm tháng bị gián đoạn đã cho Einstein cơ hội nhìn lại và sửa chữa lý thuyết của mình. Trong bài báo năm 1915 về Thuyết tương đối rộng, ông đính chính dự đoán độ lệch ánh sáng sao ở rìa Mặt trời thành 1,75 giây cung, một con số tăng hơn gấp đôi và đặt ra cái đích đo đạc hoàn toàn mới cho thế giới khoa học. [3]

Canh bạc thời chiến của nhà thiên văn phản chiến

Mối quan tâm của Eddington đối với thuyết tương đối rộng bắt đầu vào năm 1916, khi ông đọc các bài báo của Einstein do nhà vật lý Hà Lan Willem de Sitter chuyển tới. Vào thời điểm đó, Eddington được cho là một trong số ít người hiểu được lý thuyết này, và ông đã đứng ra thuyết trình về nó tại Hiệp hội Anh ngay trong năm 1916. [3]

Thế nhưng, khi công việc nghiên cứu đang mở ra thì bóng tối chiến tranh ập đến. Năm 1917, luật tòng quân thời chiến được đưa ra ở Anh khi Eddington tròn 34 tuổi. Là một tín đồ Quaker sùng đạo, ông từ chối nhập ngũ vì lý do lương tâm khi lệnh miễn quân dịch của mình bị đe dọa bãi bỏ. Trước nguy cơ nhà khoa học tài năng bị điều động ra chiến hào, Nhà thiên văn học Hoàng gia Frank Watson Dyson đã can thiệp trực tiếp, đưa ra lập luận rằng nghiên cứu của Eddington có tầm quan trọng quốc gia cốt lõi để giúp ông không bị gọi ra chiến trường. [3][4]

Sự can thiệp ấy đã mở đường cho một kế hoạch táo bạo. Dyson bắt đầu chuẩn bị cho kỳ nhật thực tháng 5 năm 1919 vì nhận thấy đây là cơ hội đặc biệt thích hợp để thử nghiệm hiện tượng bẻ cong ánh sáng. Trong giai đoạn Thế chiến I với tinh thần bài xích người Đức dâng cao tột độ, Eddington và Dyson đã bí mật lập kế hoạch kiểm chứng lý thuyết của chính nhà vật lý người Đức Einstein. Tiếp tục theo đuổi mục tiêu, đến năm 1918, Eddington công bố báo cáo lớn cho Hội Vật lý mang tựa đề «Report on the Relativity Theory of Gravitation». [3][4]

Ngay cả khi tiếng súng trên chiến trường lắng xuống, bầu không khí đối đầu vẫn chưa hạ nhiệt. Hậu quả và các bồi thường chiến tranh sau Thế chiến I đã lan sang cả khoa học, khiến nhiều người ở Anh và phe Đồng minh chủ trương cô lập nền khoa học Đức. Đứng trước làn sóng chia rẽ ấy, với tư cách là một tín đồ Quaker, Eddington lại mong muốn phục hồi mối quan hệ hợp tác hòa bình giữa các quốc gia thông qua khoa học. Chuyến thám hiểm sắp tới vì thế đã trở thành một canh bạc lịch sử, nơi mọi ánh nhìn đều hướng về bầu trời của kỳ nhật thực năm 1919. [8]

Năm phút chụp vội giữa đàn khỉ và màn mưa xối xả

Năm 1919, nhà thiên văn học Arthur Stanley Eddington cùng Frank Watson Dyson đứng ra tổ chức một thử nghiệm quan sát quy mô nhằm kiểm chứng thuyết tương đối rộng. Để đón đầu kỳ nhật thực toàn phần ngày 29 tháng 5 năm 1919, hai đoàn thám hiểm do ông Dyson tổ chức đã được cử đến hai địa điểm: một đoàn tới thị trấn Sobral ở Brazil và đoàn còn lại đến đảo Príncipe ở Tây Phi. Cả hai đoàn đều tập trung nghiên cứu các ngôi sao thuộc cụm Hyades trong chòm sao Kim Ngưu, khu vực mà Mặt Trời bị che khuất sẽ đi qua phía trước. Về mặt nguyên lý, đĩa Mặt Trăng che phủ Mặt Trời trong thời gian nhật thực toàn phần sẽ giúp các nhà thiên văn học quan sát được ánh sáng yếu ớt từ các ngôi sao nền. Bằng việc so sánh ảnh chụp cụm sao trong nhật thực với ảnh chụp ban đêm thông thường, người ta có thể phát hiện các ngôi sao có dịch chuyển vị trí do không gian bị bẻ cong hay không. [3][4]

Khi đặt chân lên đảo Príncipe, thực tế đón đợi đoàn thám hiểm không hề dễ dàng. Giữa điều kiện rừng nhiệt đới, Eddington và người trợ lý Edwin Cottingham phải làm việc dưới màn chống muỗi ngột ngạt, đồng thời liên tục xua đuổi đàn khỉ kéo đến quấy phá và tìm cách trộm thiết bị đo đạc. [4]

Đến thời điểm nhật thực diễn ra trên đảo Príncipe, thời tiết vẫn không hoàn toàn thuận lợi. Mây trên bầu trời dần tan đi nhưng vẫn xuất hiện những dải sương mù ngắt quãng trôi qua cản trở tầm nhìn. Đứng trước thời khắc quan trọng, Eddington đã làm việc gấp rút và chụp được 16 tấm kính ảnh trong suốt thời gian diễn ra nhật thực. [4]

Thế nhưng số lượng ảnh chụp được không đồng nghĩa với thành công trọn vẹn. Sau khi kiểm tra, Eddington phát hiện chỉ có vỏn vẹn hai trong tổng số 16 tấm kính ảnh chụp tại Príncipe có chứa đủ số ngôi sao để xác định độ bẻ cong ánh sáng. Ngặt nghèo hơn, lịch trình của tàu hơi nước buộc ông và cộng sự phải thu dọn rời đảo Príncipe chỉ trong vài ngày sau đó, khi chưa kịp bắt đầu đo đạc vị trí các ngôi sao trên những tấm kính ảnh. [4]

Tấm gương giãn nở vì nhiệt dưới cái nắng Sobral

Trong khi Eddington chật vật với những đám mây tại đảo Príncipe, đoàn thiên văn tại Sobral ở Brazil lại gặp được điều kiện thời tiết quan sát tốt hơn. Mũi thám hiểm này do Andrew Crommelin và Charles Rundle Davidson từ Đài quan sát Hoàng gia Greenwich trực tiếp phụ trách. [4]

Tại Sobral, hai nhà thiên văn gánh trên vai trọng trách kiểm chứng một trong những tư tưởng cách mạng nhất của khoa học hiện đại. Thuyết tương đối rộng năm 1915 của Einstein lập luận rằng lực hấp dẫn là kết quả của việc khối lượng vật thể làm cong không gian, thay cho quan điểm truyền thống của Newton về một lực tác động từ xa. Theo lý thuyết của Einstein, một vật thể quay quanh Mặt trời thực chất đang đi theo một đường thẳng xuyên qua không gian bị khối lượng Mặt trời uốn cong. Đáng kinh ngạc hơn, thuyết tương đối rộng khẳng định rằng ngay cả chùm ánh sáng cũng sẽ bị bẻ cong khi đi qua vùng không gian bị uốn cong này. [4]

Theo nhà thiên văn Carolin Crawford từ Cambridge, việc Einstein dùng các dị thường trong quỹ đạo Sao Thủy trước đó thực chất chỉ là sự hợp lý hóa sau sự việc, và cuộc nhật thực năm 1919 mới đem lại cơ hội để kiểm chứng một dự đoán cụ thể. Thế nhưng, ranh giới để phân định lý thuyết nào chính xác lại mong manh đến nghẹt thở. Vật lý Newton dự đoán vị trí các sao chỉ bị dịch chuyển khoảng 0,8 giây cung trong nhật thực, trong khi thuyết của Einstein dự đoán mức dịch chuyển khoảng 1,8 giây cung. Với việc một giây cung chỉ tương đương 1/3.600 của một độ, những sai khác cực nhỏ giữa hai lý thuyết là thử thách rất khó có thể phát hiện. [4]

Bầu trời quang đãng tại Brazil tưởng như đã mở toang cánh cửa dẫn đến câu trả lời, nhưng một trục trặc bất ngờ dưới cái nắng nhiệt đới đã khiến mọi việc chao đảo. Sau buổi quan sát, đoàn Sobral phát hiện toàn bộ 19 tấm ảnh chụp bằng kính thiên văn chính đều bị mờ nét. Nguyên nhân là do sức nóng của Mặt trời đã làm tấm gương của chiếc kính thiên văn này giãn nở không đều. [4]

Nguy cơ mất trắng dữ liệu ở Sobral chỉ được đẩy lùi nhờ vào một giải pháp dự phòng khiêm tốn. Tám tấm kính ảnh chụp bằng một kính thiên văn phụ nhỏ hơn tại Sobral đã đem lại kết quả hoàn hảo. [4]

Căn phòng chật kín ở London và cú lật đổ Newton

Khi các đoàn thám hiểm mang những tấm kính ảnh trở về nước, công việc đo đạc tỉ mỉ bắt đầu vào tháng 8 năm 1919. Kính ảnh từ đảo Príncipe cho thấy độ lệch ánh sáng vào khoảng 1,6 giây cung, trong khi các tấm kính từ Sobral ghi nhận con số 1,98 giây cung. Kết quả thực nghiệm này khớp sát sao với dự đoán mà Einstein từng điều chỉnh lại sau khi hoàn thiện lý thuyết vào năm 1915 nhờ nghiệm phương trình từ Karl Schwarzschild. [3][4][5]

Tối ngày 6 tháng 11 năm 1919, căn phòng họp của Hội Hoàng gia tại London chật kín người tham dự. Trong buổi làm việc chung giữa Hội Hoàng gia và Hội Thiên văn Hoàng gia, Frank Dyson, Arthur Eddington cùng Andrew Crommelin lần lượt trình bày toàn bộ kết quả quan sát sau chuyến đi. Trước sự chứng kiến của những bộ óc uy tín nhất giới khoa học Anh, các kết luận thực nghiệm chính thức được hội đồng chấp nhận. [4][3]

Chủ tịch Hội Hoàng gia khi đó là nhà vật lý J. J. Thomson đã khẳng định trước khán phòng rằng đây là kết quả quan trọng nhất liên quan tới lý thuyết hấp dẫn kể từ thời của Isaac Newton. Lời tuyên bố ấy xác nhận một bước ngoặt căn bản của nền vật lý: các quan sát từ cuộc nhật thực năm 1919 đã giúp Thuyết Tương đối Rộng của Einstein thay thế Định luật Hấp dẫn của Newton để trở thành lý thuyết cơ bản được thừa nhận về lực hấp dẫn. [4][5]

Ngay sáng hôm sau, làn sóng chấn động lập tức lan rộng ra công chúng. Tờ *The Times* giật dòng tít lớn: «Cách mạng trong khoa học: Thuyết mới về vũ trụ: Các quan niệm của Newton bị lật đổ». Bên kia bờ Đại Tây Dương, tờ *The New York Times* cũng đưa tin với tiêu đề khẳng định các luồng sáng trên bầu trời đều bị xiên lệch và lý thuyết của Einstein đã giành thắng lợi. Sự quan tâm rầm rộ của báo chí toàn cầu đã đưa Einstein cùng các lý thuyết của ông vụt sáng thành huyền thoại khắp thế giới. Nhìn lại sự kiện này, nhà vật lý người Mỹ Daniel Kennefick trong cuốn sách *No Shadow of a Doubt* đánh giá đây có lẽ là lần nhật thực quan trọng nhất trong lịch sử. [3][4]

Nghi án tráo đổi số liệu và lời minh oan thế kỷ

Vinh quang rực rỡ ấy không dập tắt được những hoài nghi kéo dài suốt cả thế kỷ. Một số nhà sử học khoa học trong thế kỷ qua đã nghi ngờ Eddington thao túng dữ liệu khi loại bỏ những hình ảnh lỗi vốn cho kết quả gần với dự đoán của Newton. Mối quan tâm của Eddington đối với hiện tượng này thực ra đã xuất hiện từ sớm: ông từng tham gia một đoàn thám hiểm của Anh đến Brazil để quan sát nhật thực năm 1912 nhưng khi đó lại quan tâm đến các phép đo khác. Dù vậy, theo một giả thuyết, Eddington và Perrine đã ở cùng nhau vài ngày tại Brazil năm 1912 và có thể đã thảo luận về các chương trình quan sát độ lệch ánh sáng. Theo Daniel Kennefick, trong những thập kỷ gần đây rộ lên các cáo buộc cho rằng việc phân tích dữ liệu của những người đứng đầu đoàn thám hiểm là có thiếu sót và thiên vị Einstein. Bản thân Eddington bị đặc biệt cáo buộc là đã thiên kiến ủng hộ thuyết tương đối rộng và loại bỏ dữ liệu ủng hộ dự đoán của Newton dựa trên những lý lẽ đáng ngờ. [4][3][6]

Những cuộc thẩm định độc lập sau này đã từng bước làm sáng tỏ các quyết định gây tranh cãi năm xưa. Phân tích của Kennefick cho thấy những nhân vật chủ chốt, đặc biệt là nhà thiên văn Frank Watson Dyson, không thiên vị Einstein và có căn cứ xác đáng cho cách họ xử lý số liệu. Tại Đại học Maynooth, giáo sư vật lý lý thuyết Peter Coles đã dùng các kỹ thuật thống kê hiện đại phân tích lại và kết luận không có bằng chứng nào cho thấy Eddington gian lận số liệu. Kết luận này càng thêm vững chắc khi một cuộc phân tích lại hiện đại đối với các tấm kính ảnh nhật thực quan trọng nhất đã ủng hộ mạnh mẽ tính xác đáng trong các quyết định xử lý dữ liệu của đoàn thám hiểm năm 1919. [6][4]

Cơn bão mưa nhiệt đới từng bao trùm đảo Príncipe buổi sáng hôm ấy rốt cuộc không thể ngăn được bước ngoặt làm thay đổi lịch sử vật lý. Những vệt sáng của các vì sao ghi lại trên kính ảnh giữa bầu trời Tây Phi đã đứng vững trước thử thách khắt khe của thời gian. Dưới bóng tối của lần nhật thực lịch sử, Arthur Eddington không chỉ bắt được tia sáng bị bẻ cong của vũ trụ, mà còn mở toang cánh cửa đưa nhân loại bước vào một thời đại khoa học hoàn toàn mới. [4]

Nguồn

1. 1919 solar eclipse (Wikipedia) (en.wikipedia.org, bách khoa)
2. Einstein and Eddington (Wikipedia) (en.wikipedia.org, bách khoa)
3. Eddington experiment (Wikipedia) (en.wikipedia.org, bách khoa)
4. 100 years on: the pictures that changed our view of the universe | Physics | The Guardian (www.theguardian.com, nguồn gốc)
5. Not Only Because of Theory: Dyson, Eddington, and the Competing Myths of the 1919 Eclipse Expedition | Springer Nature Link (link.springer.com, nguồn gốc)
6. [0709.0685] Not Only Because of Theory: Dyson, Eddington and the Competing Myths of the 1919 Eclipse Expedition (arxiv.org, nguồn gốc)
7. How 2 Pro-Nazi Nobelists Attacked Einstein’s "Jewish Science" [Excerpt] | Scientific American (www.scientificamerican.com, bài viết)
8. BBC World Service - Discovery, Eddington's eclipse and Einstein's celebrity (www.bbc.co.uk, bài viết)
9. The Belgian reception of relativity theory – Shells and Pebbles (www.shellsandpebbles.com, bài viết)

Ảnh bìa: minh họa do AI tạo, kèm chữ; không phải ảnh tư liệu, không mô tả khuôn mặt người thật.