Chương 2 - Không gian, thời gian và người quan sát(1)

Tháng 6 năm 1905: Albert Einstein, mới 26 tuổi, đã gửi đăng một bài báo trên tạp chí khoa học của Đức Annalen der Physik. Trong bài nghiên cứu mang tính rất chuyên môn đó, Einstein đã tấn công vào một nghịch lý có liên quan tới ánh sáng đã làm cho ông trăn trở khoảng chừng mười năm trước. Khi lật tới trang bản thảo cuối cùng của Einstein, vị chủ biên của tạp chí là Max Planck đã thấy rằng bài báo có chất lượng vượt quá mọi yêu cầu để được công bố. Thế là, không hề có trống dong cờ mở, gã nhân viên cạo giấy ở Bernơ, Thuỵ Sĩ, đã làm đảo lộn hoàn toàn những khái niệm truyền thống về không gian – thời gian và thay chúng bằng một khái niệm mới với những tính chất hoàn toàn trái ngược những điều mà chúng ta đã quen thuộc theo kinh nghiệm hằng ngày.

Nghịch lý khiến Einstein phải trăn trở từ hơn mười năm trước là thế này. Vào giữa thế kỷ XIX, sau khi xem xét một cách tỉ mỉ những công trình thực nghiệm của nhà vật lý người Anh Michael Faraday, nhà vật lý người Scotlen Clerk Maxwell đã thành công trong việc thống nhất được điện và từ trong một khuôn khổ duy nhất là trường điện từ. Nếu như bạn có dịp đứng trên một đỉnh núi ngay trước khi có mưa dông lớn hay đứng cạnh một máy phát tĩnh điện Van de Graaf, bạn sẽ có được một cảm giác sâu xa về trường điện từ là gì, vì bạn đã cảm nhận được nó. Trong trường hợp bạn chưa có cơ may đó, thì hãy tưởng tượng nó giống như những làn sóng các đường sức điện và từ lan rộng trong vùng không gian mà nó đi qua. Chẳng hạn, khi bạn rắc mạt sắt gần một thanh nam châm, bạn sẽ thấy một bức tranh rất có trật tự, tạo bởi những mạt sắt này xếp theo một số những đường sức từ không nhìn thấy được. Vào một ngày đông đặc biệt khô ráo, khi cởi những chiếc áo len ra, chắc chắn là khi đó bạn đã chứng kiến sự tồn tại của các đường sức điện. Tiếng lép bép mà bạn nghe thấy hoặc thậm chí có cả sự phóng điện nhỏ mà bạn có thể cảm thấy đều là những biểu hiện của những đường sức mà các điện tích bị bứt khỏi những sợi dệt nên chiếc áo của bạn tạo ra. Ngoài chuyện thống nhất các hiện tượng điện và từ trong một khuôn khổ toán học duy nhất, lý thuyết Maxwell còn bất ngờ chứng tỏ được rằng những nhiễu động điện từ luôn luôn được truyền với cùng một vận tốc không đổi và vận tốc đó lại chính là vận tốc ánh sáng. Điều này cho phép Maxwell hiểu ra rằng ánh sáng thấy được chẳng qua chỉ là một loại sóng điện từ có khả năng tương tác hóa học với võng mạc để tạo ra thị giác. Hơn nữa, điều quan trọng, theo lý thuyết Maxwell, các sóng điện từ, trong đó có ánh sáng thấy được đều là những kẻ du mục: chúng không bao giờ dừng lại cả. Chúng cũng không bao giờ chậm lại, mà luôn luôn chuyển động với vận tốc của ánh sáng.

Mọi chuyện đều tốt đẹp cho tới khi ta đặt ra câu hỏi, như chàng thanh niên Einstein 26 tuổi đã làm: Điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta đuổi theo một chùm tia sáng với vận tốc ánh sáng? Lý lẽ trực giác, bắt rễ từ những định luật chuyển động của Newton, mách bảo ta rằng chúng ta sẽ đuổi kịp các sóng ánh sáng và do đó sẽ thấy chúng là dừng, tức là ánh sáng khi đó sẽ đứng yên. Nhưng theo lý thuyết của Maxwell và những quan sát đáng tin cậy khác, thì không thể có chuyện ánh sáng là dừng được: không ai có thể giữ một nhúm ánh sáng trong bàn tay của mình. Và vấn đề được nảy sinh từ đó. May thay, Einstein lại không hề biết rằng đã có nhiều nhà vật lý hàng đầu thế giới đã từng vật lộn với vấn đề đó, nhưng đã thất bại và họ chỉ còn nghiền ngẫm về cái nghịch lý của Maxwell – Newton trong những suy tư thầm kín của họ.

Trong chương này chúng ta sẽ xem, thông qua thuyết tương đối hẹp của mình, Einstein đã giải quyết cuộc xung đột đó như thế nào và khi làm như vậy, ông đã làm thay đổi vĩnh viễn quan niệm của chúng ta về không gian và thời gian ra sao. Có lẽ người ta sẽ ngạc nhiên rằng mối quan tâm cơ bản của thuyết tương đối hẹp là hiểu một cách chính xác thế giới sẽ như thế nào dưới con mắt của những cá nhân, thường gọi là những “người quan sát ”, chuyển động đối với nhau. Thoạt tiên, điều đó tưởng như chỉ là một bài tập luyện trí óc không mấy quan trọng. Nhưng thực tế hoàn toàn ngược lại: với hình ảnh thường trực về người quan sát đuổi theo chùm sáng, trong tay Einstein đã có những hệ quả sâu sắc, thâu tóm một cách đầy đủ cả những tình huống tẻ nhạt nhất được nhìn như thế nào dưới con mắt của những người quan sát chuyển động đối với nhau.

Trực giác và những sai lầm của nó

Kinh nghiệm hằng ngày đã cho phép chúng ta cảm nhận được một số khác biệt gắn liền với hai người quan sát chuyển động đối với nhau. Chẳng hạn, theo quan điểm của người lái xe chúng lại là đứng yên đối với người vẫy xe đi nhờ đang đứng ở bên đường. Cũng tương tự, bảng đồng hồ trên xe là đứng yên đối với người lái xe (thật may mắn thay!), nhưng giống như các bộ phận khác của chiếc xe, nó lại là chuyển động đối với người vẫy xe đi nhờ. Đó là những tính chất quá sơ đẳng và trực quan về thế giới xung quanh chúng ta tới mức chúng ta chẳng buồn chú ý tới nữa.

Tuy nhiên, thuyết tương đối hẹp lại cho thấy rằng những khác biệt đó trong sự quan sát của hai cá nhân nói ở trên là tinh tế và sâu sắc hơn nhiều. Điều lạ lùng là nó tiên đoán rằng hai người quan sát chuyển động đối với nhau lại cảm nhận về khoảng cách và thời gian một cách khác nhau . Điều này có nghĩa là, hai chiếc đồng hồ y hệt nhau mà hai người quan sát đó mang theo sẽ phát ra những tiếng tích tắc với nhịp độ khác nhau, do đó khoảng thời gian giữa hai sự kiện đã chọn sẽ được chỉ bởi hai đồng hồ đó một cách khác nhau. Thuyết tương đối hẹp hoàn toàn không đặt vấn đề nghi ngờ về độ chính xác của các đồng hồ, mà thực tế nó đã thiết lập được rằng đó chính là một tính chất của thời gian. Tương tự, hai người quan sát của chúng ta còn mang theo hai chiếc thước dây y hệt nhau, và họ đã đo được hai chiều dài khác nhau của cùng một vật. Vấn đề không phải là do sự không chính xác của các dụng cụ đo hay những sai số do cách sử dụng các dụng cụ đó. Những dụng cụ đo chính xác nhất thế giới đều khẳng định rằng không gian và thời gian - được đo như khoảng cách và độ kéo dài – không được cảm nhận như nhau bởi mọi người quan sát . Theo cách chính xác do Einstein vạch ra, thuyết tương đối hẹp đã giải quyết được sự xung đột giữa trực giác của chúng ta về chuyển động và những tính chất của ánh sáng, nhưng cái giá phải trả cho sự giải quyết đó là: những người quan sát chuyển động đối với nhau sẽ không nhất trí với nhau về những quan sát của họ về cả không gian lẫn thời gian.

Đã gần một thế kỷ kể từ khi Einstein công bố với thế giới phát minh gây chấn động của mình, thế nhưng đa số chúng ta vẫn quen dùng khái niệm không gian và thời gian tuyệt đối. Thuyết tương đối hẹp không có trong máu thịt chúng ta, do đó ta không cảm nhận được nó. Những hệ quả của nó không nằm trong phần trung tâm của trực giác chúng ta. Nguyên do của điều đó cũng khá đơn giản: những hiệu ứng của thuyết tương đối hẹp phụ thuộc vào vận tốc mà ta chuyển động và đối với các vận tốc như của xe ôtô, máy bay, hoặc ngay cả của tàu con thoi đi nữa thì những hiệu ứng đó cũng rất bé nhỏ. Sự khác biệt trong cảm nhận về không gian và thời gian của một người ngồi trong xe hơi hoặc trên máy bay và người đứng trên mặt đất vẫn có, nhưng chúng quá nhỏ nên không nhận thấy được. Tuy nhiên, nếu như có một người du hành trên con tày vũ trụ tương lai với vận tốc gần với vận tốc ánh sáng thì những hiệu ứng của tính tương đối sẽ trở nên rất rõ rệt. Tất nhiên, hiện nay điều đó vẫn nằm trong thế giới của khoa học viễn tưởng, nhưng như chúng ta sẽ thấy trong các mục sau, nhiều thí nghiệm thông minh đã cho phép chúng ta quan sát được, thậm chí đo đạc được cả những tính chất tương đối của không gian và thời gian mà lý thuyết của Einstein đã tiên đoán.

Để có một ý niệm về các thang có liên quan, ta hãy quay trở lại những năm 1970, khi các loại xe hơi lớn và chạy nhanh ra đời. Slim mua một chiếc Trans Am. Anh ta đưa người em tên là Jim đến đường đua xe để tiến hành thử vận tốc. Slim cho xe lao với tốc độ 200 km một giờ trên một đường đua dài 1500m, trong khi Jim đứng bên lề đường đo thời gian. Trong khi chờ đợi khẳng định của Jim, Slim cũng dùng một đồng hồ bấm giây để đo thời gian chiếc xe của anh ta chạy hết đoạn đường đua. Trước công trình của Einstein, chẳng có ai lại đi đặt câu hỏi rằng nếu cả hai đồng hồ của Slim và Jim đều hoạt động tốt thì chúng có đo được cùng một khoảng thời gian hay không ? Nhưng theo thuyết ưtơng đối hẹp, trong khi Jim đo được khoảng thời gian đó là 30 giây, thì đồng hồ của Slim đo được là 29,999999999952 giây – tức là nhỏ hơn một lượng cực bé. Tất nhiên, sự khác biệt này là nhỏ tới mức ta không thể đo được bằng đồng hồ bấm giây hoặc thậm chí bằng cả các đồng hồ nguyên tử chính xác nhất. Vì vậy không có gì lạ là tại sao những kinh nghiệm hằng ngày không hé lộ cho chúng ta biết sự trôi qua của thời gian phụ thuộc vào trạng thái chuyển động của chúng ta.

Cũng có một sự bất đồng tương tự về các phép đo chiều dài. Chẳng hạn, trong một lần chạy thử khác, Jim dùng một mẹo khá thông minh để đo chiều dài chiếc xe mới của Slim. Cậu ta bấm cho đồng hồ chạy ngay khi đầu trước của chiếc xe đi ngang qua chỗ mình đứng rồi bấm cho nó dừng lại ngay khi đuôi chiếc xe đi ngang qua. Vì Jim biết Slim cho xe chạy với tốc độ 200km một giờ, nên cậu ta tính ngay ra chiều dài chiếc xe bằng cách nhân vận tốc đó với khoảng thời gian chỉ bởi chiếc đồng hồ bấm giây. Lại một lần nữa, trước Einstein, chẳng có ai lại đặt câu hỏi liệu chiều dài mà Jim đo được một cách gián tiếp như trên có trùng với chiều dài mà Slim đo được khi chiếc xe còn nằm ở phòng trưng bày của cửa hàng hay không. Trái lại, thuyết tương đối hẹp cho ta biết rằng nếu Jim và Slim đã tiến hành đo như trên một cách chính xác và giả thử Slim đo được chiều dài chiếc xe chính xác bằng 4m, thì kết quả phép đo của Jim sẽ là 3,999999999999314 mét, nghĩa là hơi nhỏ hơn chút xíu. Cũng như với phép đo thời gian, đây là sự sai khác rất bé, bé tới mức những dụng cụ đo thông thường không đủ độ chính xác để phát hiện được.

Mặc dù sự khác biệt là cực kỳ nhỏ, nhưng chúng đã cho ta thấy một sự sai lầm rất cơ bản của quan niệm thông thường cho rằng không gian và thời gian là tuyệt đối và không thể thay đổi. Khi vận tốc tương đối của hai người quan sát , như Jim và Slim chẳng hạn, lớn hơn, thì sai lầm đó sẽ được thể hiện càng rõ ràng hơn. Và khi vận tốc tương đối của họ gần với vận tốc ánh sáng, thì những khác biệt đó sẽ trở nên nhận biết được. Lý thuyết Maxwell và nhiều thực nghiệm đã xác lập được rằng vận tốc ánh sáng trong chân không – vận tốc lớn nhất khả dĩ mà không gì có thể vượt qua – có giá trị là ba trăm ngàn kilômét trong một giây, tức hơn một tỷ kilômét trong một giờ! Với vận tốc đó người ta có thể chạy vòng quanh Trái Đất hơn 7 vòng trong 1 giây. Nếu giả thử Slim cho xe chạy không phải với vận tốc 200km/h mà là 900 triệu km/h (tức khoảng 83% vận tốc của ánh sáng), thì những tính toán theo thuyết tương đối sẽ cho kết quả là chiều dài chiếc xe mà Jim đo được chỉ dài hơn 2m chút ít, nghĩa là khác rất xa với kết quả đo của Slim (cũng là khác xa với chiều dài ghi trong lý lịch của xe). Tương tự, thời gian chạy xe trên đường đua theo phép đo của Lim dài hơn gần hai lần so với phép đo của Slim.

Vì những vận tốc lớn như thế nằm ngoài khả năng đạt được của các phương tiện thông thường, nên các hiệu ứng “giãn nở thời gian” và “co Lorenzt” không gian (thuật ngữ chuyên môn của các nhà vật lý dùng để gọi các hiện tượng mô tả ở trên) là cực kỳ nhỏ bé trong đời sống thường nhật của chúng ta. Nếu chúng ta có dịp được sống trong một thế giới mà các vật thường chuyển động gần với vận tốc ánh sáng, thì những tính chất nói trên của không gian và thời gian sẽ trở nên trực quan, (vì chúng ta cảm nhận được chúng hàng ngày) và đối với chúng ta, chúng cũng sẽ hiển nhiên như chuyển động biểu kiến của những hàng cây bên đường mà ta đã nói tới ở đầu chương. Nhưng vì chúng ta không sống trong một thế giới như thế, nên những đặc tính đó mới trở nên xa lạ như vậy. Và như chúng ta sẽ thấy, để hiểu và chấp nhận chúng, chúng ta phải vứt bỏ hoàn toàn quan niệm của chúng ta về thế giới.