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

Nền tảng của thuyết tương đối hẹp gồm hai cấu trúc rất đơn giản nhưng lại rất căn bản. Chúng ta đã biết rằng, một trong hai cấu trúc có liên quan tới những tính chất của ánh sáng và điều này sẽ được xem xét một cách đầy đủ hơn ở mục tiếp sau. Cấu trúc thứ hai có bản chất trừu tượng hơn. Nó không liên quan tới một định luật vật lý cụ thể, mà được áp dụng cho mọi định luật vật lý. Đó là nguyên lý tương đối. Nguyên lý này dựa trên một sự kiện đơn giản là: bất kỳ khi nào nói tới vận tốc (kể cả độ lớn và hướng của nó) thì nhất thiết ta phải chỉ rõ ai hoặc cái gì đã làm phép đo đó. Ta sẽ dễ dàng hiểu được ý nghĩa và tầm quan trọng của điều nói trên bằng cách xem xét tình huống sau:

Ta hãy hình dung một anh chàng George nào đó, mặc bộ quần áo du hành vũ trụ có gắn một chiếc đèn chớp phát ánh sáng đỏ, đang trôi nổi trong màn đêm dày đặc của khoảng không vũ trụ, cách xa hết thảy các hành tinh, các ngôi sao và các thiên hà. Theo quan điểm của George thì anh ta là hoàn toàn đứng yên trong bóng đêm mịn màng và tĩnh lặng của Vũ trụ. Rồi Goerge chợt nhận thấy từ xa có một đốm sáng xanh đang tiến lại gần. Cuối cùng, khi nó tới gần hơn, Goerge mới nhận ra rằng chiếc đèn được gắn vào bộ quần áo du hành vũ trụ của một nhà du hành khác – Gracie - đang chậm chạp trôi tới. Khi đi qua bên cạnh, cô gái và George vẫy tay chào nhau, rồi cô gái lại trôi tiếp ra xa. Câu chuyện này hoàn toàn có thể được kể lại hệt như thế theo quan điểm của Gracie. Nghĩa là ban đầu Gracie cũng hoàn toàn đơn độc trong bóng đêm bao la và tĩnh lặng của khoảng không Vũ trụ. Rồi bất chợt Gracie cũng thấy từ xa có đốm sáng đỏ nhấp nháy đang tiến lại gần. Cuối cùng, khi đốm đỏ đến khá gần, cô mới nhận ra đó là một nhà du hành khác, tức là George, đang chầm chậm trôi qua cạnh mình. Anh ta và Gracie vẫy chào nhau rồi anh ta tiếp tục trôi tiếp ra xa.

Hai câu chuyện đó mô tả chỉ một tình huống duy nhất theo hai quan điểm khác nhau nhưng đều có lý như nhau. Mỗi người quan sát đều cảm thấy mình đứng yên và người kia chuyển động. Quan điểm của mỗi người đều hợp lý và có thể thông cảm được. Do có sự đối xứng giữa hai nhà du hành đó, nên không có cách nào để nói được rằng ai là đúng, ai là sai. Cả hai quan điểm đều có một phần sự thật ngang nhau.

Ví dụ trên đã nắm bắt được ý nghĩa của nguyên lý tương đối: khái niệm chuyển động là có tính tương đối. Chúng ta có thể nói về chuyển động của một vật, nhưng chỉ là đối với hay so với một vật khác. Vì vậy nói rằng: “George chuyển động với vận tốc 15km/h” là hoàn toàn vô nghĩa, vì chúng ta không chỉ rõ anh ta chuyển động so với cái gì. Nhưng nói rằng: “George chuyển động ngang qua Gracie với vận tốc 15km/h” lại là có nghĩa vì chúng ta đã chỉ ra Gracie như một vật mốc. Như ví dụ trên của chúng ta cho thấy, câu nói thứ hai ở trên hoàn toàn tương đương với câu nói rằng: “Gracie chuyển động ngang qua Goerge với vận tốc 15km/h (theo phương ngược lại)”. Nói một cách khác, không có chuyển động tuyệt đối. Chuyển động là tương đối.

Yếu tố then chốt của câu chuyện trên là ở chỗ: cả George lẫn Gracie đều không bị đẩy, hay bị kéo hay chịu một tác dụng nào đó làm nhiễu động trạng thái chuyển động thẳng đều êm đềm của họ. Vì vậy chính xác hơn, ta phải nói rằng chuyển động không chịu tác dụng của một lực nào chỉ có nghĩa khi so sánh với các vật khác. Sự chính xác này rất quan trọng, bởi lẽ nếu có các lực tham gia vào, thì chúng sẽ làm thay đổi vận tốc (cả về độ lớn lẫn về hướng) của hai nhà quan sát và những thay đổi đó có thể nhận thấy được. Chẳng hạn, nếu như George có đeo một động cơ phản lực nhỏ ở sau lưng, thì anh ta chắc sẽ cảm thấy mình đang chuyển động. Nhưng cảm giác đó chỉ là bản năng. Nếu động cơ bắt đầu thực sự đẩy về phía sau, thì Goerge sẽ biết là mình đang chuyển động cho dù anh ta có nhắm mắt lại và do đó không thể so sánh với các vật khác. Ngay cả khi không có những vật mốc để so sánh, anh ta cũng không tểê tuyên bố rằng mình là đứng yên “trong khi đó toàn bộ thế giới còn lại chuyển động qua bên cạnh anh ta”. Như vậy, chuyển động có vận tốc không đổi là tương đối; nhưng điều này không còn đúng nữa đối với các chuyển động có vận tốc thay đổi, tức là những chuyển động có gia tốc. (Chúng ta sẽ còn trở lại phát biểu này trong chương sau, khi nói về chuyển động có gia tốc và thuyết tương đối rộng).

Để dễ hiểu, chúng ta đã bố trí cho câu chuyện trên xảy ra trong bóng đêm của khoảng không vũ trụ, nhằm gạt bỏ những vật thể quen thuộc như đường phố, nhà cửa mà chúng ta thường mặc nhiên xem là “đứng yên” (mặc dù là không đúng). Tuy nhiên, chính nguyên lý này cũng áp dụng được cho cả mặt đất trần thế của chúng ta và thực tế ta cũng thường cảm nhận được. Ví dụ, hãy tưởng tượng, sau khi ngủ một giấc say trên xe lửa, bạn thức dậy ngay khi con tàu của bạn đi qua bên cạnh một đường ray khác đặt song song. Khi đó tầm nhìn của bạn hoàn toàn bị chắn bởi một đoàn tàu khác, nên không nhìn thấy các vật khác, vì vậy trong khoảnh khắc bạn không biết chắc chắn con tàu của bạn hay con tàu kia hay cả hai đang chuyển động. Tất nhiên, con tàu của bạn có thể lắc hoặc giật, hoặc nếu nó đổi hướng theo một đường vòng, thì bạn sẽ cảm thấy là mình đang chuyển động. Nhưng nếu con tàu chạy thật êm, và nếu vận tốc của nó giữ nguyên không đổi thì bạn sẽ chỉ thấy chuyển động tương đối của hai con tàu chứ không thể nói chắc chắn là con tàu nào đang chuyển động.

Bây giờ chúng ta tiến thêm một bước nữa. Hãy tưởng tượng bạn đang ngồi trên xe lửa với các cửa sổ đều đóng kín mít. Do không có khả năng nhìn ra bên ngoài toa xe của mình và giả sử rằng con tàu chạy thật êm với vận tốc tuyệt đối là đều, khi đó bạn sẽ không có cách nào xác định được trạng thái chuyển động của bạn. Toa tàu của bạn nhìn hoàn toàn như nhau, bất kể là nó đứng yên trên đường ray hay đang chuyển động. Einstein đã hình thức hóa ý tưởng đó, một ý tưởng thực sự đã được biết tới từ thời Galileo, bằng cách tuyên bố rằng bạn hay bất kỳ một hành khách nào khác trong một toa xe kín mít dù có thực hiện bất cứ thí nghiệm nào cũng không thể phát hiện ra được con tàu đứng yên hay chuyển động. Điều này cũng thâu tóm cả nguyên lý tương đối: vì chuyển động không có lực nào tác dụng là tương đối, nó chỉ có nghĩa khi so sánh với các vật khác hay người quan sát khác cũng đang chuyển động mà không có lực nào tác dụng. Đối với bạn không có cách nào có thể xác định được trạng thái chuyển động của mình mà không có sự so sánh trực tiếp hoặc gián tiếp với các vật “bên ngoài”. Đơn giản là không có khái niệm chuyển động thẳng đều tuyệt đối, chỉ có những chuyển động tương đối là có ý nghĩa vật lý.

Thực tế, Einstein còn thấy rằng nguyên lý tương đối có một tuyên bố to lớn hơn: các định luật vật lý – bất kể là định luật nào – là hoàn toàn như nhau đối với tất cả những người quan sát chuyển động với vận tốc không đổi. Nếu George và Gracie ngoài chuyện trôi nổi đơn độc trong Vũ trụ còn tiến hành một số thí nghiệm giống hệt nhau trên trạm không gian cũng trôi nổi như họ, thì những kết quả mà họ tìm được là hoàn toàn như nhau. Lại một lần nữa hai người hoàn toàn có lý khi tin rằng trạm không gian của họ là đứng yên ngay cả khi chúng chuyển động đối với nhau. Nếu như tất cả những thiết bị thí nghiệm của họ là như nhau và không có gì khác biệt trong bố trí thí nghiệm, thì chúng là hoàn toàn đối xứng. Những định luật vật lý mà mỗi người rút ra từ những thí nghiệm của họ cũng sẽ hoàn toàn như nhau. Cả bản thân họ lẫn những thí nghiệm của họ đều không “cảm” thấy – tức là không phụ thuộc theo bất cứ cách nào – vào chuyển động có vận tốc không đổi. Chính quan niệm đơn giản này đã thiết lập sự đối xứng hoàn toàn giữa các người quan sát và cũng chính quan niệm này được hiện thân thành nguyên lý tương đối. Ngay dưới đây, chúng ta sẽ dùng nguyên lý này cho một hiệu ứng sâu xa hơn.

Vận tốc ánh sáng

Yếu tố then chốt thứ hai của thuyết tương đối hẹp gắn liền với ánh sáng và những tính chất chuyển động của nó. Trái với phát biểu của chúng ta nói rằng: “George chuyển động với vận tốc 15km/h” sẽ là vô nghĩa nếu không chỉ ra một vật mốc cụ thể nào để so sánh, những nỗ lực của nhiều thế hệ các nhà vật lý thực nghiệm trong gần một thế kỷ chứng tỏ rằng ánh sáng luôn chuyển động với vận tốc ba trăm ngàn kilômét một giây (tức 1080 triệu kilômét một giờ) đối với bất kể vật mốc so sánh nào.

Đều này đòi hỏi một cuộc cách mạng trong quan niệm của chúng ta về Vũ trụ. Trước hết chúng ta hãy tìm hiểu ý nghĩa của khẳng định trên bằng cách đối lập nó với những khẳng định tương tự áp dụng cho các đối tượng thông thường hơn. Hãy tưởng tượng vào một ngày đẹp trời, bạn đi chơi trong vườn với một người bạn. Trong khi cả hai đang lười nhác ném qua ném lại quả bóng với vận tốc, chẳng hạn 20km/h, thì một cơn giông thình lình ập tới khiến cho hai người phải chạy vào chỗ trú mưa. Sau khi mưa tạnh, hai người lại tiếp tục chơi nhưng bạn nhận thấy người bạn gái của mình không còn như trước nữa. Mái tóc cô ta bù xù, đôi mắt trợn trừng điên dại. Và khi nhìn bàn tay cô ta, bạn sững sờ thấy rằng cô ta đang định ném cho bạn... một quả lựa đạn, chứ không phải là quả bóng. Hiển nhiên là bạn chẳng còn tâm trí đâu mà chơi bóng và bạn sẽ vẫn còn đang bay nhưng do bạn chạy, nên tốc độ của nó không còn là 20km/h, mà là nhỏ hơn. Thực tế, kinh nghiệm hàng ngày cho ta biết rằng nếu bạn chạy, ví dụ vận tốc là 12km/h, thì quả lựa đạn sẽ tiến về phía bạn với vận tốc 8km/h (20-12=8). Một ví dụ khác: khi bạn đang ở trong núi và xảy ra hiện tượng lở tuyết ập về phía bạn, thì phản ứng tự nhiên của bạn sẽ là quay lui và bỏ chạy, vì điều đó sẽ làm cho vận tốc của tuyết đuổi theo bạn sẽ giảm đi và nói chung đó là một điều tốt. Như vậy, lại một lần nữa ta thấy rằng một người quan sát đứng yên sẽ nhận thấy vận tốc lao đến gần của tuyết lở sẽ lớn hơn so với cảm nhận của người bỏ chạy.

Bây giờ chúng ta sẽ so sánh những quan sát cơ bản này về quả bóng, quả lựu đạn và tuyết lở với những quan sát về ánh sáng. Để cho sự so sánh được sát hơn, chúng ta sẽ xem ánh sáng như một chùm các hạt photon (đặc điểm này của ánh sáng sẽ được thảo luận đầy đủ hơn ở Chương 4). Khi chúng ta bật một đèn flash hoặc một chùm laser, thực tế là chúng ta đã bắn một dòng các hạt photon về hướng mà ta định trước. Như chúng ta đã làm trong trường hợp quả lựu đạn và trường hợp tuyết lở, ta hãy xem chuyển động của các photon sẽ như thế nào đối với một người quan sát chuyển động. Hãy tưởng tượng rằng cô bạn gái điên rồ của bạn đã thay quả lựu đạn bằng một laser cực mạnh. Nếu cô ta bắn chùm laser về phía bạn, và nếu bạn có một thiết bị đo thích hợp, bạn sẽ thấy rằng vận tốc của các photon tiến gần tới bạn với vận tốc 1080 triệu kilômét một giờ (tức 300.000km/s). Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu bạn bỏ chạy, như bạn đã làm trong trường hợp phải đối mặt với quả lựu đạn được ném tới? Bây giờ bạn sẽ đo được vận tốc của các photon đang tiến tới gần bằng bao nhiêu? Để cho hấp dẫn hơn hãy tưởng tượng rằng bạn nhảy lên một con tàu vũ trụ xuyên thiên hà chạy trốn với một vận tốc khiêm tốn là 180 triệu kilômét giờ (tức 50.000 km/s). Theo lý luận dựa trên thế giới quan truyền thống của Newton, thì vì giờ đây bạn đang chạy ra xa, nên bạn hy vọng rằng sẽ thấy các photon đuổi theo bạn với vận tốc chậm hơn. Cụ thể, bạn chờ đợi sẽ thấy chúng tiến về phía bạn với vận tốc (1080 triệu kilômét/giờ) = 900 triệu km/h.

Những bằng chứng thực nghiệm ngày càng nhiều bắt đầu từ những năm 1880 cùng với những phân tích sâu sắc của lý thuyết điện từ Maxwell về ánh sáng dần dần đã thuyết phục được cộng đồng khoa học rằng kết quả tính toán ở trên không phải là điều mà bạn sẽ thấy. Ngay cả khi bạn bỏ chạy ra xa đi nữa, thì bạn cũng vẫn cứ đo được vận tốc của các photon đang tiến tới gần bằng 300.000km/s, không bớt một li. Mặc dù thoạt đầu điều đó xem ra có vẻ hoàn toàn vô lý, không hề giống với những gì đã xảy ra trong trường hợp quả lựu đạn hay trường hợp tuyết lở, nhưng sự thực vận tốc của các photon tiến tới gần luôn luôn bằng 300.000km/s. Và điều này cũng đúng nếu bạn tiến tới gần các photon đang đi tới hay đuổi theo chúng, nghĩa là vận tốc của chúng vẫn hoàn toàn không thay đổi: chúng vẫn chuyển động với vận tốc 300.000km/s. Bất kể chuyển động tương đối giữa nguồn photon và người quan sát là như thế nào, vận tốc của ánh sáng luôn luôn có giá trị như nhau [1] .

Những hạn chế về mặt công nghệ khiến cho những thí nghiệm với ánh sáng được mô tả ở trên là không thể thực hiện được. Nhưng tồn tại những phương tiện khác. Chẳng hạn, vào năm 1913, nhà vật lý người Hà Lan Willem de Siter đã gợi ý rằng những hệ sao đôi chuyển động nhanh (tức là hệ gồm hai ngôi sao quay quanh nhau) có thể được dùng để đo tác dụng của nguồn chuyển động đến vận tốc của ánh sáng. Nhiều thí nghiệm khác nhau thuộc loại này được thực hiện trong suốt hơn tám chục năm qua đều xác nhận rằng vận tốc của ánh sáng nhận được từ những ngôi sao cố định hay chuyển động với vận tốc không đổi (tức chuyển động thẳng đều) là như nhau và đều bằng 300.000km/s. Giá trị này được đo với độ chính xác cao và không ngừng tăng lên nhờ những dụng cụ đo ngày càng tinh xảo hơn. Hơn nữa, cả một kho tàng những thí nghiệm chi tiết khác được thực hiện trong gần một thế kỷ qua – những thực nghiệm đo trực tiếp vận tốc ánh sáng trong những điều kiện khác nhau cũng như sự kiểm chứng nhiều hệ quả suy ra từ đặc tính đó của ánh sáng – tất cả đều khẳng định tính không đổi của vận tốc ánh sáng.

Nếu như bạn thấy tính chất đó của ánh sáng là khó nuốt, thì bạn hoàn toàn không đơn độc. Vào đầu thế kỷ XX, các nhà vật lý đã tìm đủ mọi phương cách để chối bỏ nó. Nhưng họ đã không thể làm được. Trái lại, Einstein đã chọn cách chấp nhận sự không đổi của vận tốc ánh sáng, vì đây chính là câu trả lời cho sự xung đột đã từng khiến cho ông trăn trở từ tuổi thiếu niên: bất chất bạn cố sức đuổi theo chùm ánh sáng như thế nào đi nữa thì nó vẫn cứ chạy ra xa bạn với vận tốc ánh sáng. Bạn không bao giờ có thể làm cho vận tốc biểu kiến của ánh sáng nhỏ hơn 300.000km/s một li nào chứ đừng nói tới chuyện làm cho nó dừng lại. Vậy là vấn đề đã được khép lại. Nhưng thắng lợi đó không phải là nhỏ. Einstein đã nhận thấy rằng sự không đổi của vận tốc ánh sáng đã dẫn đến sự sụp đổ của vật lý Newton.

[1] Nói một cách chính xác hơn, vận tốc của ánh sáng trong chân không mới là 300.000km/s. Khi ánh sáng truyền qua một môi trường chất, như không khí hoặc thuỷ tinh, chẳng hạn, vận tốc của nó giảm na ná như một hòn đá rơi từ vách núi xuống biển, khi đi vào nước sẽ chuyển động chậm lại. Sự chậm lại của ánh sáng so với trong chân không không có ảnh hưởng gì đối với sự thảo luận của chúng ta về tính tương đối cả, vì vậy chúng tôi đã không đề cập tới.