Có nhiều cách Einstein làm thay đổi thế giới, và những ý tưởng của ông đã định hình cách chúng ta nhìn và tương tác với vũ trụ.

Chúng ta hãy xem 7 cách mà Einstein đã thay đổi thế giới. Albert Einstein (1879-1955) là một trong những nhà khoa học nổi tiếng nhất mọi thời đại, và tên của ông gần như đồng nghĩa với từ “thiên tài”. Mặc dù danh tiếng của ông có phần nhờ vào vẻ ngoài lập dị và những tuyên bố thỉnh thoảng về triết học, chính trị thế giới và các chủ đề phi khoa học khác, nhưng sự nổi tiếng thực sự của ông đến từ những đóng góp của ông cho vật lý hiện đại, thứ đã thay đổi toàn bộ nhận thức của chúng ta về vật lý hiện đại, vũ trụ và giúp định hình thế giới chúng ta đang sống ngày nay.

Dưới đây là một số khái niệm thay đổi thế giới mà chúng ta nợ Einstein.

1. KHÔNG – THỜI GIAN (SPACE-TIME)

Một trong những thành tựu sớm nhất của Einstein, ở tuổi 26, là thuyết tương đối hẹp của ông — được gọi như vậy vì nó giải quyết chuyển động tương đối trong trường hợp đặc biệt khi lực hấp dẫn bị bỏ qua. Điều này nghe có vẻ vô thưởng vô phạt, nhưng nó là một trong những cuộc cách mạng khoa học vĩ đại nhất trong lịch sử, thay đổi hoàn toàn cách nghĩ của các nhà vật lý về không gian và thời gian. Trên thực tế, Einstein đã hợp nhất chúng thành một vùng liên tục không-thời gian duy nhất. Một lý do khiến chúng ta nghĩ rằng không gian và thời gian hoàn toàn tách biệt là vì chúng ta đo chúng theo các đơn vị khác nhau, chẳng hạn như dặm (với không gian) và giây (với thời gian). Nhưng Einstein đã chỉ ra cách chúng thực sự có thể hoán đổi cho nhau, được liên kết với nhau thông qua tốc độ ánh sáng—xấp xỉ 186.000 dặm/giây (300.000 km/giây).

Có lẽ hệ quả nổi tiếng nhất của thuyết tương đối hẹp là không có gì có thể di chuyển nhanh hơn ánh sáng. Nhưng điều đó cũng có nghĩa là mọi thứ bắt đầu hành xử rất kỳ quặc khi tiến gần đến tốc độ ánh sáng. Nếu bạn có thể nhìn thấy một con tàu vũ trụ đang di chuyển với tốc độ 80% tốc độ ánh sáng, thì nó sẽ trông ngắn hơn 40% so với khi nó đứng yên. Và nếu bạn có thể nhìn thấy bên trong, mọi thứ dường như đang chuyển động theo hiệu ứng slow motion (chuyển động chậm), ví dụ một chiếc đồng hồ sẽ mất đến 100 giây để chạy tích tắc trong một phút, theo trang web HyperPhysics của Đại học Bang Georgia. Điều này có nghĩa là phi hành đoàn của tàu vũ trụ sẽ thực sự già đi chậm hơn khi họ di chuyển nhanh hơn.

2. PHƯƠNG TRÌNH: E = MC^2

Một kết quả ngoài mong đợi của thuyết tương đối hẹp là phương trình E = mc^2 nổi tiếng của Einstein, có thể là công thức toán học duy nhất đã đạt đến trạng thái của một biểu tượng văn hóa. Phương trình biểu thị sự tương đương của khối lượng (m) và năng lượng (E), hai tham số vật lý trước đây được cho là hoàn toàn tách biệt. Trong vật lý truyền thống, khối lượng đo lượng vật chất chứa trong một vật thể, trong khi năng lượng là một đặc tính mà vật thể có được nhờ chuyển động của nó và các lực tác dụng lên nó. Ngoài ra, năng lượng có thể tồn tại khi hoàn toàn không có vật chất, ví dụ như trong ánh sáng hoặc sóng vô tuyến. Tuy nhiên, phương trình của Einstein nói rằng khối lượng và năng lượng về cơ bản là giống nhau, miễn là bạn nhân khối lượng với c^2 — bình phương của tốc độ ánh sáng, một con số rất lớn — để đảm bảo rằng kết quả cuối cùng có đơn vị giống nhau là năng lượng.

Điều này có nghĩa là một vật tăng khối lượng khi nó chuyển động nhanh hơn, đơn giản vì nó đang thu năng lượng. Điều đó cũng có nghĩa là ngay cả một vật thể trơ, đứng yên cũng có một lượng năng lượng khổng lồ bị khóa bên trong nó. Ngoài việc là một ý tưởng tuyệt vời, khái niệm này còn có những ứng dụng thực tế trong thế giới vật lý hạt năng lượng cao (high-energy particle physics). Theo Hội đồng Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu (CERN), nếu các hạt đủ năng lượng đập vào nhau, năng lượng của vụ va chạm có thể tạo ra vật chất mới ở dạng các hạt bổ sung.

3. LASERS

Laser là một thành phần thiết yếu của công nghệ hiện đại và được sử dụng trong mọi thứ, từ đầu đọc mã vạch, bút chiếu laser đến ảnh ba chiều và cáp quang. Mặc dù laser không thường được liên kết với Einstein, nhưng chính công trình nghiên cứu của ông đã biến chúng thành hiện thực. Từ laser, được đặt ra vào năm 1959, là viết tắt của “sự khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích” — và phát xạ kích thích là một khái niệm mà Einstein đã phát triển hơn 40 năm trước đó, theo Hiệp hội Vật lý Hoa Kỳ. Năm 1917, Einstein đã viết một bài báo về lý thuyết lượng tử của bức xạ, làm thế nào một photon ánh sáng đi qua một chất có thể kích thích sự phát ra các photon tiếp theo.

Einstein nhận ra rằng các photon mới truyền đi cùng hướng, cùng tần số và pha như photon ban đầu. Điều này dẫn đến hiệu ứng xếp tầng khi ngày càng có nhiều photon hầu như giống hệt nhau được tạo ra. Là một nhà lý thuyết, Einstein đã không phát triển xa hơn ý tưởng này, trong khi các nhà khoa học khác lại chậm chạp trong việc nhận ra tiềm năng thực tế to lớn của phát xạ kích thích. Nhưng may mắn thay, cuối cùng thì thế giới cũng nhận ra điều đó, và ngày nay người ta vẫn đang tìm kiếm những ứng dụng mới cho laser, từ vũ khí chống máy bay không người lái cho đến máy tính siêu nhanh.

4. HỐ ĐEN VÀ LỖ SÂU

Thuyết tương đối hẹp của Einstein cho thấy không-thời gian có thể làm một số điều khá kỳ lạ ngay cả khi không có trường hấp dẫn. Nhưng đó chỉ là phần nổi của tảng băng trôi, vì Einstein cuối cùng đã thành công trong việc thêm lực hấp dẫn vào công trình không-thời gian của ông, trong thuyết tương đối rộng của mình. Ông phát hiện ra rằng các vật thể khối lượng lớn như các hành tinh và ngôi sao thực sự làm biến dạng kết cấu của không-thời gian, và chính sự biến dạng này tạo ra hiệu ứng mà chúng ta gọi là lực hấp dẫn.

Einstein đã giải thích thuyết tương đối rộng thông qua một tập hợp các phương trình phức tạp, có phạm vi ứng dụng rất lớn. Có lẽ lời giải nổi tiếng nhất cho các phương trình của Einstein đến từ lời giải của Karl Schwarzschild vào năm 1916 – một hố đen (blackhole). Kỳ lạ hơn nữa là một giải pháp mà chính Einstein đã phát triển vào năm 1935 với sự hợp tác của Nathan Rosen, mô tả khả năng đi tắt từ điểm này đến điểm khác trong không-thời gian. Ban đầu được đặt tên là những cây cầu Einstein-Rosen, những cây cầu này hiện được tất cả những người hâm mộ khoa học viễn tưởng biết đến với cái tên quen thuộc hơn là lỗ sâu (wormhole)

5. VŨ TRỤ GIÃN NỞ

Một trong những điều đầu tiên Einstein làm với các phương trình thuyết tương đối rộng của ông, vào năm 1915, là áp dụng chúng cho toàn bộ vũ trụ. Nhưng kết quả thu được có vẻ không đúng đối với ông. Nó ngụ ý rằng bản thân kết cấu của không gian đang ở trạng thái giãn nở liên tục, kéo theo các thiên hà nên khoảng cách giữa chúng không ngừng tăng lên. Tâm lý thông thường nói với Einstein rằng điều này không thể đúng, vì vậy ông đã thêm một thứ gọi là hằng số vũ trụ vào các phương trình của mình để tạo ra một vũ trụ tĩnh.

Nhưng vào năm 1929, các quan sát của Edwin Hubble về các thiên hà khác cho thấy vũ trụ thực sự đang giãn nở, rõ ràng là đúng theo cách mà các phương trình ban đầu của Einstein đã tiên đoán. Nó có vẻ như là dấu chấm hết cho hằng số vũ trụ, mà sau này Einstein mô tả là sai lầm lớn nhất của ông. Tuy nhiên, đó không phải là kết thúc của câu chuyện. Dựa trên các phép đo tinh tế hơn về sự giãn nở của vũ trụ, giờ đây chúng ta biết rằng nó đang tăng tốc, thay vì chậm lại như lẽ ra nó phải khi không có hằng số vũ trụ. Vì vậy, có vẻ như “sai lầm” của Einstein rốt cuộc không phải là một sai lầm như ông nghĩ.

6. BOM NGUYÊN TỬ

Einstein đôi khi được ghi nhận là người “phát minh” ra vũ khí hạt nhân thông qua phương trình E = mc^2 của ông, nhưng theo trang web Einstein Online của Viện Vật lý hấp dẫn Max Planck, liên kết giữa hai phát minh này nếu có cũng rất mong manh . Thành phần quan trọng trong vũ khí hạt nhân chính là vật lý phân hạch hạt nhân, mà Einstein không có liên quan trực tiếp. Mặc dù vậy, ông đã đóng một vai trò quan trọng trong quá trình phát triển thực tế của những quả bom nguyên tử đầu tiên. Năm 1939, một số đồng nghiệp đã cảnh báo ông về khả năng phân hạch hạt nhân và những điều khủng khiếp sẽ xảy ra nếu Đức Quốc xã có được những vũ khí như vậy. Cuối cùng, theo Tổ chức Di sản Nguyên tử, ông đã bị thuyết phục chuyển những lo ngại này trong một bức thư gửi cho tổng thống Hoa Kỳ, Franklin D. Roosevelt. Kết quả cuối cùng của bức thư của Einstein là việc thành lập Dự án Manhattan, dự án tạo ra bom nguyên tử được sử dụng để chống lại Nhật Bản vào cuối Thế chiến II.

Mặc dù nhiều nhà vật lý nổi tiếng đã làm việc trong Dự án Manhattan, nhưng Einstein không nằm trong số đó. Theo Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên Hoa Kỳ (AMNH), ông đã bị từ chối cấp phép an ninh cần thiết vì quan điểm chính trị thiên tả của mình. Đối với Einstein, đây không phải là mất mát lớn – mối quan tâm duy nhất của ông là từ chối độc quyền công nghệ cho Đức quốc xã. Năm 1947, Einstein nói với tạp chí Newsweek, “Nếu tôi biết rằng người Đức sẽ không thành công trong việc phát triển bom nguyên tử, tôi sẽ không bao giờ nhấc một ngón tay lên”, theo tạp chí Time.

7. SÓNG HẤP DẪN

Einstein qua đời vào năm 1955, nhưng di sản khoa học khổng lồ của ông vẫn tiếp tục gây chú ý ngay cả trong thế kỷ 21. Điều này xảy ra một cách ngoạn mục vào tháng 2 năm 2016, với thông báo về việc phát hiện ra sóng hấp dẫn — một hệ quả khác của thuyết tương đối rộng. Sóng hấp dẫn là những gợn sóng nhỏ lan truyền trong cấu trúc của không-thời gian và người ta thường tuyên bố thẳng thừng rằng Einstein đã “tiên đoán” sự tồn tại của chúng. Nhưng thực tế ít rõ ràng hơn thế.

Einstein chưa bao giờ quyết định liệu sóng hấp dẫn có được dự đoán hay loại trừ bởi lý thuyết của ông hay không. Và các nhà thiên văn học đã mất nhiều thập kỷ tìm kiếm để quyết định vấn đề theo cách này hay cách khác.

Cuối cùng, họ đã thành công, sử dụng các cơ sở khổng lồ như Đài quan sát sóng hấp dẫn bằng giao thoa kế laser (LIGO) ở Hanford, Washington và Livingston, Louisiana. Ngoài việc một lần nữa khẳng định cho tính đúng đắn của thuyết tương đối rộng của Einstein (mặc dù ông không chắc lắm về bản thân mình), việc phát hiện ra sóng hấp dẫn đã mang lại cho các nhà thiên văn học một công cụ mới để quan sát vũ trụ — bao gồm cả những sự kiện hiếm gặp như sự hợp nhất của các lỗ đen.

Theo Livescience