Thuyết tương đối tổng quát là gì? Các nghiên cứu khoa học

Thuyết tương đối tổng quát là lý thuyết mô tả lực hấp dẫn dưới dạng biến dạng không-thời gian bốn chiều do phân bố khối lượng và năng lượng gây ra. Phương trình Einstein Gμν+Λgμν=(8πG/c⁴)Tμν thể hiện mối tương quan giữa độ cong không-thời gian và tensor năng lượng-động lượng của vật chất.

Định nghĩa và nguyên lý cơ bản

Thuyết tương đối tổng quát (General Relativity) là khung lý thuyết mô tả lực hấp dẫn không phải qua tác động trực tiếp giữa các khối năng lượng, mà thông qua hình học của không‑thời gian bốn chiều. Trong đó, khối lượng và năng lượng làm biến dạng cấu trúc không‑thời gian xung quanh, tạo ra đường cong khiến các vật thể di chuyển dọc theo các quỹ đạo geodesic trong không‑thời gian cong.

Nguyên lý tương đương (Equivalence Principle) khẳng định tại mọi điểm trong không‑thời gian, không thể phân biệt tác dụng của trường hấp dẫn với lực quán tính trong một hệ quy chiếu rơi tự do. Điều này mở rộng khái niệm quán tính của thuyết tương đối hẹp, cho phép xây dựng thuyết trường hấp dẫn trên cơ sở metric và các phép biến đổi tổng quát (general coordinate transformations).

  • Equivalence Principle: quán tính = hấp dẫn cục bộ.
  • Không‑thời gian 4D: các sự kiện xác định bằng toạ độ \(x^\mu = (ct, x, y, z)\).
  • Biến dạng metric \(g_{\mu\nu}\) là hàm của phân bố năng lượng–động lượng.

Định lý cơ bản của thuyết tương đối tổng quát được phát biểu lần đầu năm 1915 bởi Albert Einstein, sau nhiều năm nỗ lực kết hợp lý thuyết quán tính và quan hệ giữa khối lượng–năng lượng. Kết quả là một hệ phương trình trường (field equations) liên kết trực tiếp tensor độ cong của không‑thời gian với tensor năng lượng–động lượng của vật chất (Einstein Papers Project).

Công thức trường Einstein

Phương trình trường Einstein thể hiện mối quan hệ giữa cấu trúc hình học của không‑thời gian và phân phối năng lượng–động lượng của vật chất và trường:

Gμν+Λgμν=8πGc4TμνG_{\mu\nu} + \Lambda g_{\mu\nu} = \frac{8\pi G}{c^4} T_{\mu\nu}

Trong đó:

  • \(G_{\mu\nu}\): tensor Einstein, \(G_{\mu\nu} = R_{\mu\nu} - \tfrac{1}{2}R\,g_{\mu\nu}\), mô tả độ cong của không‑thời gian.
  • \(T_{\mu\nu}\): tensor năng lượng–động lượng, thể hiện mật độ năng lượng, áp suất và dòng năng lượng của vật chất và trường (ví dụ: trường điện từ, trường chất khí).
  • \(\Lambda\): hằng số vũ trụ, đại diện cho năng lượng chân không (dark energy) và chịu trách nhiệm cho sự giãn nở gia tốc của vũ trụ.
  • \(G\)\(c\): hằng số hấp dẫn Newton và tốc độ ánh sáng, đảm bảo đúng chiều kích đơn vị.

Phương trình trên là hệ phương trình phi tuyến bậc hai, khó giải nghiệm tổng quát. Trong các trường hợp đối xứng cao (tĩnh, đồng nhất, đối xứng cầu), ta có thể tìm được các nghiệm đơn giản như metric Schwarzschild, Kerr, FRW… Các nghiệm này ứng dụng để mô tả lỗ đen, vũ trụ giãn nở và các kết cấu không‑thời gian đặc biệt.

Giải tích hình học của không‑thời gian

Không‑thời gian trong GR được xem là một đa tạp (manifold) bốn chiều với metric \(g_{\mu\nu}(x)\) xác định khoảng cách vô cực nhỏ giữa hai sự kiện:

ds2=gμνdxμdxνds^2 = g_{\mu\nu}\,dx^\mu\,dx^\nu

Tensor Riemann \(R^\rho_{\ \sigma\mu\nu}\) đo độ cong của không‑thời gian thông qua phép vận chuyển song song và vòng lặp bất kỳ:

  • \(R^\rho_{\ \sigma\mu\nu} = \partial_\mu \Gamma^\rho_{\nu\sigma} - \partial_\nu \Gamma^\rho_{\mu\sigma} + \Gamma^\rho_{\mu\lambda}\Gamma^\lambda_{\nu\sigma} - \Gamma^\rho_{\nu\lambda}\Gamma^\lambda_{\mu\sigma}\).
  • Tensor Ricci \(R_{\mu\nu} = R^\rho_{\ \mu\rho\nu}\) là sự co lược của Riemann.
  • Độ cong vô hướng \(R = g^{\mu\nu}R_{\mu\nu}\).
TensorĐịnh nghĩaÝ nghĩa
Riemann \(R^\rho_{\ \sigma\mu\nu}\)Phép co—vận chuyển song songĐộ cong chi tiết theo hướng
Ricci \(R_{\mu\nu}\)Co lược RiemannTập trung độ cong lên mặt
Scalar \(R\)Co lược RicciĐộ cong tổng thể
Einstein \(G_{\mu\nu}\)\(R_{\mu\nu}-\tfrac12Rg_{\mu\nu}\)Độ cong liên quan năng lượng

Khái niệm kết cấu affine và connection \(\Gamma^\rho_{\mu\nu}\) cho phép tính toán geodesic – quỹ đạo tự do của các hạt không chịu lực ngoài – theo phương trình:

d2xρdτ2+Γμνρdxμdτdxνdτ=0\frac{d^2x^\rho}{d\tau^2} + \Gamma^\rho_{\mu\nu}\frac{dx^\mu}{d\tau}\frac{dx^\nu}{d\tau} = 0

Giới hạn trường yếu và xấp xỉ Newton

Trong vùng trường hấp dẫn yếu và vận tốc nhỏ so với \(c\), metric có thể viết dưới dạng xấp xỉ:

g00(1+2Φc2),gijδij(12Φc2)g_{00} \approx -\Bigl(1 + \tfrac{2\Phi}{c^2}\Bigr),\quad g_{ij} \approx \delta_{ij}\Bigl(1 - \tfrac{2\Phi}{c^2}\Bigr)

Trong đó \(\Phi(\mathbf{x})\) là thế hấp dẫn Newton thông thường. Dưới xấp xỉ này, phương trình trường Einstein giảm về phương trình Poisson:

2Φ=4πGρ\nabla^2 \Phi = 4\pi G \rho

  • Thế hấp dẫn \(\Phi\): hàm tiềm năng trong Newton.
  • Khối lượng mật độ \(\rho\): nguồn tạo hấp dẫn.
  • Phương trình Poisson: giới hạn Newton của GR.

Giới hạn trường yếu cho phép tính toán các hiệu ứng nhỏ như lệch đường truyền ánh sáng gần Mặt Trời, dịch chuyển đỏ hấp dẫn và tiền chuyển động chậm perihelion của sao Thủy, phù hợp với quan sát thực nghiệm và mang tính nội suy với cơ học Newton truyền thống.

Giải pháp Schwarzschild và lỗ đen

Nghiệm Schwarzschild là lời giải đơn giản nhất của phương trình trường Einstein trong trường hợp tĩnh, đối xứng cầu, không có điện tích và moment động lượng. Metric Schwarzschild được viết dưới dạng:

ds2=(12GMrc2)c2dt2+(12GMrc2)1dr2+r2dΩ2ds^2 = -\Bigl(1-\frac{2GM}{rc^2}\Bigr)c^2dt^2 + \Bigl(1-\frac{2GM}{rc^2}\Bigr)^{-1}dr^2 + r^2d\Omega^2

Trong đó \(r_s = 2GM/c^2\) gọi là bán kính Schwarzschild hay chân trời sự kiện (event horizon). Vật thể đặt trong \(r

Lỗ đen Schwarzschild có các tính chất đặc trưng như entropy tỉ lệ với diện tích chân trời \(S = k_B A/4\ell_P^2\) và nhiệt độ Hawking \(T = \hbar c^3/(8\pi GMk_B)\). Mô hình này là nền tảng cho nghiên cứu lỗ đen quay (Kerr), lỗ đen mang điện (Reissner–Nordström) và lỗ đen Kerr–Newman.

So sánh với thuyết tương đối hẹp

Thuyết tương đối hẹp (Special Relativity) chỉ áp dụng cho không‑thời gian phẳng (Minkowski) và không mô tả trọng trường. Metric Minkowski \(\eta_{\mu\nu} = \mathrm{diag}(-1,1,1,1)\) cho khoảng cách :

ds2=c2dt2+dx2+dy2+dz2ds^2 = -c^2dt^2 + dx^2 + dy^2 + dz^2

Khi trọng trường yếu và \(g_{\mu\nu}\to \eta_{\mu\nu}\), GR giảm về SR, đảm bảo tính tương thích với các kết quả thực nghiệm về quán tính và chuyển động tương đối học.

Trong GPS, kỹ thuật hiệu chỉnh relativistic đòi hỏi tính cả dịch chuyển thời gian do vận tốc (SR) và dịch chuyển do thế hấp dẫn (GR). Sai số tích lũy nếu bỏ qua GR lên tới ~38 µs/ngày, tương đương sai vị trí ~10 km/ngày (gps.gov).

Xác nhận thực nghiệm và quan sát

Độ lệch ánh sáng khi đi ngang qua Mặt Trời đã được Eddington đo tại nhật thực năm 1919, phù hợp với giá trị 1.75″ dự đoán bởi GR. Kết quả này được công bố trên Monthly Notices of the Royal Astronomical Society và khẳng định tính đúng đắn của thuyết.

Sau đó, hệ nhị phân pulsar PSR 1913+16 do Hulse và Taylor phát hiện năm 1974 cho phép đo hiệu ứng mất năng lượng qua phát xạ sóng hấp dẫn, khớp với dự báo của GR trong sai số 0.2% (Nobel Prize 1993).

Gần đây, Kính viễn vọng sóng hấp dẫn LIGO/Virgo đã trực tiếp quan sát tín hiệu GW150914 (2015), phát sinh từ va chạm lỗ đen hai khối lượng ~30 M☉, mở ra kỷ nguyên thiên văn sóng hấp dẫn và cung cấp phép thử nghiệm ở trường mạnh chưa từng có (ligo.org).

Ứng dụng trong vũ trụ học

Mô hình vũ trụ Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker (FLRW) dựa trên metric đồng nhất, đẳng hướng:

ds2=c2dt2+a(t)2(dr21kr2+r2dΩ2)ds^2 = -c^2dt^2 + a(t)^2\Bigl(\frac{dr^2}{1-kr^2} + r^2d\Omega^2\Bigr)

Phương trình Friedmann mô tả giãn nở vũ trụ:

(a˙a)2+kc2a2=8πG3ρ+Λc23\bigl(\tfrac{\dot a}{a}\bigr)^2 + \tfrac{kc^2}{a^2} = \tfrac{8\pi G}{3}\rho + \tfrac{\Lambda c^2}{3}

Quan sát vi sóng nền vũ trụ (CMB) từ Planck and WMAP khẳng định vũ trụ gần phẳng (\(k\approx0\)) và thành phần năng lượng gồm ~68% năng lượng tối, ~27% vật chất tối, ~5% vật chất baryon (ESA Planck).

Thách thức và mở rộng

GR còn đối mặt vấn đề bất khả kháng kỳ dị (singularity) và không tương thích với cơ học lượng tử. Các nỗ lực như thuyết dây (String Theory) và Loop Quantum Gravity (LQG) tìm cách lượng tử hóa không‑thời gian, loại bỏ kỳ dị và xây dựng hấp dẫn lượng tử phi giao hoán (arxiv.org).

Giải pháp tích hợp GR với SM (Standard Model) qua supersymmetry và mô hình kích thích chân không (vacuum condensate) vẫn đang được nghiên cứu. Các phép thử trọng trường cực mạnh tại trung tâm dải Ngân Hà hoặc va chạm lỗ đen siêu lớn có thể hé lộ hiệu ứng lượng tử hấp dẫn.

Tài liệu tham khảo

  • Einstein, A. (1916). The Foundation of the General Theory of Relativity. Annalen der Physik. Retrieved from Einstein Papers.
  • Misner, C.W., Thorne, K.S., & Wheeler, J.A. (1973). Gravitation. W.H. Freeman.
  • Wald, R.M. (1984). General Relativity. University of Chicago Press.
  • Planck Collaboration. (2018). Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters. Astronomy & Astrophysics.
  • LIGO Scientific Collaboration & Virgo Collaboration. (2016). Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger. Physical Review Letters, 116(6), 061102.

Các bài báo, nghiên cứu, công bố khoa học về chủ đề thuyết tương đối tổng quát:

Quan sát sóng hấp dẫn từ sự hợp nhất của một cặp hố đen Dịch bởi AI
Physical Review Letters - Tập 116 Số 6
Vào ngày 14 tháng 9 năm 2015 lúc 09:50:45 UTC, hai detector của Đài quan sát Sóng hấp dẫn Laser Interferometer đã đồng thời quan sát một tín hiệu sóng hấp dẫn tạm thời. Tín hiệu này tăng dần tần số từ 35 đến 250 Hz với độ căng sóng hấp dẫn đỉnh cao là 1.0×1021. Nó khớp với hình dạng sóng mà thuyết tương đối tổng quát dự đoán cho quá trình gia tăng và hợp nhất của một cặp hố đen và giai đoạn giảm âm của hố đen đơn thuần kết quả. Tín hiệu được quan sát với tỷ số tín hiệu trên tiếng ồn bằng phương pháp lọc khớp là 24 và tỷ lệ báo động sai ước tính là ít hơn 1 sự kiện trên 203.000 năm, tương đương với độ tin cậy lớn hơn 5.1σ. Nguồn phát nằm ở khoảng cách độ sáng 410180+160Mpc tương ứng với độ dịch chuyển đỏ z=0.090.04+0.03. Trong khung nguồn phát, khối lượng hố đen ban đầu là 364+5M294+4M, và khối lượng hố đen cuối cùng là 624+4M, với hiện toàn bộ
#sóng hấp dẫn #hố đen #thuyết tương đối tổng quát #phát hiện sóng hấp dẫn #hợp nhất hố đen
Ứng dụng tích phân đường của Dewitt-Morette trong thuyết tương đối tổng quát Dịch bởi AI
Springer Science and Business Media LLC - - 1977
Việc thiết lập tích phân đường dưới dạng các giả đo lường của Cecile DeWitt-Morette được mở rộng đến không gian trạng thái vô hạn chiều và đến các không gian trạng thái đối ngẫu với không gian h я я, phù hợp với việc lượng tử hóa thứ hai. Trong cả hai trường hợp, một cách diễn đạt "phân phối" được đưa ra để cho phép sự mở rộng sau đó đến các đa t dạng. Nó được chỉ ra rằng lý thuyết thu được là "đú...... hiện toàn bộ
#tích phân đường #giả đo lường #không gian trạng thái #thuyết tương đối tổng quát #lực lượng lượng tử #phương trình Schrödinger
Các Phương Trình Quasi-Maxwell của Thuyết Tương Đối Tổng Quát: Ứng Dụng Cho Lý Thuyết Suy Giảm Dịch bởi AI
Brazilian Journal of Physics - Tập 44 - Trang 832-894 - 2014
Một bài tổng quan toàn diện về các phương trình của thuyết tương đối tổng quát trong hình thức quasi-Maxwellian (QM) do Jordan, Ehlers và Kundt giới thiệu được trình bày. Mối quan tâm chính của chúng tôi là ứng dụng của nó trong phân tích sự suy giảm của vũ trụ học tiêu chuẩn trong khuôn khổ Friedman-Lemaître-Robertson-Walker. Thành tựu chính của quy trình QM là việc sử dụng các đại lượng hoàn toà...... hiện toàn bộ
Vai trò của thuyết tương đối tổng quát trong động lực học đĩa bồi tụ Dịch bởi AI
Springer Science and Business Media LLC - Tập 36 - Trang 445-488 - 1991
Trong bài viết này, chúng tôi sẽ tóm tắt ngắn gọn các cuộc thảo luận về động lực học bồi tụ, kịch bản tiêu chuẩn và những kịch bản bao gồm tác động của các trường điện từ. Sự nhấn mạnh xuyên suốt là nhằm chỉ rõ tính liên quan của hình thức thuyết tương đối tổng quát trong việc thảo luận về động lực học của chất lỏng từ tính xung quanh các vật thể compact.
#động lực học bồi tụ #thuyết tương đối tổng quát #chất lỏng từ tính #vật thể compact
Về các khối chất lỏng có mật độ đồng nhất trong thuyết tương đối tổng quát Dịch bởi AI
General Relativity and Gravitation - Tập 4 - Trang 351-355 - 1973
Đã chỉ ra rằng đối với các nghiệm chất lỏng hoàn hảo đối xứng cầu, với tính đồng nhất không gian và mật độ đồng đều, trường hấp dẫn tự do tạo ra một điểm kỳ dị tại tâm của hình cầu và khi điểm kỳ dị này được loại bỏ, không-thời gian trở nên phẳng theo cách tương đương. Được chỉ ra rằng hình học nội tại của các khối chất lỏng có mật độ đồng nhất được đưa ra bởi Thompson và Whitrow, cùng một số nhà ...... hiện toàn bộ
#thuyết tương đối tổng quát #khối chất lỏng #mật độ đồng nhất #không-thời gian phẳng #điểm kỳ dị
Không gian thời gian Minkowski không liên tục Dịch bởi AI
Springer Science and Business Media LLC - Tập 34 - Trang 435-442 - 1995
Một mô hình cho không gian thời gian không liên tục được xem xét, dựa trên một sự tổng quát của khái niệm đa dạng, được gọi là không gian d. Là một hệ quả của việc xây dựng nó, mô hình này có một metric với chữ ký Lorentz và một dạng tổng quát của tính bất biến Lorentz. Mô hình này có thể được xem như định nghĩa một lớp không gian thời gian rời rạc trong khuôn khổ của sự đại diện không gian d tron...... hiện toàn bộ
#không gian thời gian #Minkowski #không gian d #bất biến Lorentz #thuyết tương đối tổng quát
Phân tích so sánh về tính ổn định adiabatic của các giải pháp đối xứng cầu phi đối xứng trong thuyết tương đối tổng quát Dịch bởi AI
General Relativity and Gravitation - Tập 39 - Trang 633-652 - 2007
Một họ các giải pháp tĩnh của phương trình trường Einstein với tính đối xứng cầu cho một chất lỏng phi đối xứng địa phương với mật độ năng lượng đồng nhất đã được tìm ra. Những giải pháp này phụ thuộc vào hai tham số điều chỉnh liên quan đến mức độ phi đối xứng của chất lỏng. Một số giải pháp đã biết có thể được phục hồi cho các giá trị cụ thể của những tham số này. Khác với những giải pháp đã biế...... hiện toàn bộ
Cấu trúc và tiến hóa của các polytrop từ tính siêu khối lượng đang quay Dịch bởi AI
Astrophysics and Space Science - Tập 13 - Trang 3-35 - 1971
Cấu trúc của các polytrop từ tính quay được xem xét trong gần đúng Roche. Nghiên cứu ảnh hưởng của các trường từ tính poloidal cũng như toroidal đến điều kiện bắt đầu dòng vật chất thoát ra do tính không ổn định quay được tiến hành. Ảnh hưởng của đối lưu hỗn loạn và sự xoắn của các đường sức từ đến thời gian làm mịn quay khác nhau được xem xét. Đánh giá năng lượng từ-hỗn loạn sinh ra do quay khác ...... hiện toàn bộ
#polytrop từ tính #không ổn định quay #đối lưu hỗn loạn #năng lượng từ-hỗn loạn #Thuyết tương đối tổng quát #siêu khối lượng #giai đoạn tiến hóa tĩnh gần như #bán kính-khối lượng #chu kỳ-độ sáng
Về lý thuyết đơn nhất của Einstein-Schrödinger Dịch bởi AI
Milan Journal of Mathematics - Tập 59 - Trang 37-47 - 1989
Bài báo này điều phối các dòng chính yếu của lý thuyết đơn nhất E.-S., theo hướng của Lichnerowicz, làm rõ khung tham chiếu tuyệt đối và bối cảnh, trong đó lý thuyết này được đặt, như một sự mở rộng của tương đối tính tổng quát.
#lý thuyết đơn nhất #Einstein #Schrödinger #Lichnerowicz #tương đối tính tổng quát
Ba thử nghiệm cổ điển của lý thuyết trọng lực Hořava-Lifshitz Dịch bởi AI
Astrophysics and Space Science - Tập 337 - Trang 779-784 - 2011
Gần đây, một lý thuyết trọng lực có thể tái chuẩn hóa đã được Hořava đề xuất, và nó có thể là một sự hoàn thiện cực tím của thuyết tương đối tổng quát hoặc là một điều chỉnh ở miền hồng ngoại. Giới hạn cụ thể của lý thuyết cho phép chân không Minkowski. Một nghiệm hố đen hình cầu gần giống phẳng, đại diện cho sự tương đồng với nghiệm Schwarzschild của thuyết tương đối tổng quát, đã được tìm thấy. ...... hiện toàn bộ
#trọng lực Hořava-Lifshitz #thuyết tương đối tổng quát #nghiệm hố đen #dịch chuyển đỏ hấp dẫn #khúc xạ ánh sáng
Tổng số: 22   
  • 1
  • 2
  • 3