Thuyết tương đối cho mọi người (phần 4)
Năm 1905, khi Anbe Anhxtanh công bố bài báo nổi tiếng của mình mà về sau được gọi là thuyết tương đối hẹp, ông mới chỉ là một chàng trai trẻ đã có vợ ở tuổi 26 và đang làm việc với tư cách một chuyên gia phòng sáng chế Thụy Sĩ.
Thuyết tương đối hẹp - Phần I
Con đường của chàng sinh viên vật lý thuộc trường Đại học Bách khoa Duyric không sáng sủa cho lắm. Ông đọc và đọc, suy nghĩ và mơ ước và không hướng suy nghĩ của mình vào các sự kiện không căn bản để giành điểm cao trong các kỳ thi. Một vài lần ông đi dạy vật lý và muốn làm một giáo viên bình thường, song ông buộc phải giã từ nghề.
Trong chuyện này có cả những mặt khác. Khi còn là một cậu bé, Anhxtanh đã suy nghĩ nhiều về các định luật cơ bản của tự nhiên. Về sau, ông đã nhớ về hai điều tuyệt diệu nhất thời niên thiếu của mình: về cái địa bàn mà người cha đã chỉ cho ông hay khi ông mới bốn, năm tuổi và cuốn sách hình học của Ơcơlit mà ông đã đọc lúc mười hai tuổi. Hai kỷ vật này tượng trưng cho hoạt động của Anhxtanh; địa bàn là tượng trưng cho hình học vật thể mà cấu trúc của "thế giới rộng lớn" đó ở bên ngoài chúng ta. Chúng ta không bao giờ có thể nhận biết một cách chính xác tuyệt đối. Cuốn sách là tượng trưng cho cho hình học thuần tuý, của cấu trúc được xác định tuyệt đối nhưng không phản ánh hoàn toàn thế giới thực tại. Đến năm 16 tuổi, Anhxtanh chủ yếu bằng những nỗ lực cá nhân nắm được những kiến thức cơ bản về toán học, bao gồm cả hình học giải tích, các phép tính vi phân và tích phân.
Khi Anhxtanh làm việc tại phòng sáng chế Thụy Sĩ, ông đọc và suy nghĩ về tất cả các vấn đề rối rắm có liên quan đến ánh sáng và chuyển động. Thuyết tương đối hẹp của ông là một thí nghiệm sáng chói, giải thích được nhiều thí nghiệm không giải thích được, trong đó thí nghiệm Maikenxơn - Moocly là hấp dẫn và nổi tiếng nhất. Cần phải nhấn mạnh rằng đã có nhiều thí nghiệm mà kết quả không thoả mãn với lý thuyết về các hiện tượng điện từ. Nếu hai thí nghiệm Maikenxơn - Moocly không xảy ra thì thuyết tương đối hẹp cũng khó mà hình thành. Sau này, bản thân Anhxtanh đã nói về vai trò nhất định của thí nghiệm này trong tư duy sáng tạo của ông. Tất nhiên nếu như Maikenxơn và Moocly ghi nhận ngọn gió ête thì thuyết tương đối hẹp chắc đã bị bác bỏ ngay từ đầu. Song kết quả âm tính của các thí nghiệm của họ chỉ là một trong nhiều yếu tố mà Anhxtanh đưa vào lý thuyết của mình.
Chúng ta thấy rằng Lorenxơ và Phitxơjeral đã mưa toan cứu lý thuyết ngọn gió ête như thế nào sau khi đề xuất rằng áp lực của ngọn gió đó là gì đó còn chưa được hiểu biết đang tác động co rút vật thể chuyển động. Anhxtanh tiếp nối sau Enest Makhơ đã có đề xuất táo bạo hơn. Nguyên nhân mà Maikenxơn và Moocly không thể quan trắc được ngọn gió ête, Anhxtanh nói, đơn giản chỉ là không có ngọn gió ête nào cả. Ông không nói rằng không có môi trường ête, nếu tồn tại cũng không có ý nghĩa gì khi đo chuyển động đều. (Những năm gần đây nhiều nhà vật lý nổi tiếng đã đề nghị khôi phục lại thuật ngữ ête, dù rằng lẽ đương nhiên không mang ý nghĩa cũ của hệ thống đọc số bất động).
Vật lý cổ điển - vật lý học của Isac Niuton đã chỉ ra rằng, nếu như bạn đứng ở bên trong vật thể chuyển động đều, chẳng hạn như trong toa tàu đóng kín mọi phía sao cho không nhìn thấy một cảnh tượng đi qua, nếu không thực hiện được một thí nghiệm cơ học mà nhờ đó bạn chứng minh được rằng bạn đang chuyển động (Đồng thời, tất nhiên giả thiết rằng chuyển động đều xuất hiện hoàn toàn êm dịu, không có va chạm, chồm nhảy của toa ngõ hầu báo hiệu sự chuyển động). Nếu như bạn ném quả cầu ngược lên phía trên, nó sẽ rơi thẳng xuống phía dưới. Tất cả đều xảy ra chính xác giống như ném toa tầu đứng yên. người quan sát đứng trên mặt đất bên ngoài toa tàu đang chuyển động , nếu như anh ta có thể nhìn qua thành tàu thì bản thân anh ta đã nhìn thấy đường đi qua của quả cầu là đường cong. Nhưng đối với bạn ở bên trong toa tàu, quả cầu chuyển động theo đường thẳng lên trên và xuống dưới. Điều khả quan là vật thể đã diễn ra như vậy. Trong trường hợp ngược lại thì đã không thể chơi các trò chơi như tennis hoặc bóng đá. Trong bất kỳ trường hợp nào, khi quả bóng bay lên không trung, trái đất hẳn sẽ chuyển động bên dưới nó với vận tốc 30 km/giây.
Thuyết tương đối hẹp là một bước tiến về phía trước so với thuyết cổ điển của Niutơn. Nó nói rằng, ngoài việc không thể phát hiện chuyển động của con tàu nhờ vào thí nghiệm cơ học cũng không thể phát hiện chuyển động đó nhờ vào thí nghiệm với bức xạ điện từ. Thuyết tương đối hẹp có thể diễn đạt ngắn gọn như sau: Không thể đo chuyển động đều bằng một phương pháp tuyệt đối nào đó. Nếu như chúng ta ở trên một con tàu đang chuyển động đều một cách dịu êm, thì để khẳng định rằng chúng ta đang chuyển động, cần phải nhìn qua cửa sổ vào một đối tượng khác nào đó, nhờ vào một cột điện chẳng hạn, thậm chí lúc đó chúng ta cũng không thể nói chắc chắn rằng con tàu đi qua cột điện hay cột điện đi qua con tàu. Tốt hơn cả chúng ta có thể nói rằng con tàu và trái đất ở trong trạng thái chuyển động đều tương đối.
Chúng ta sẽ nhận thấy có sự lặp lại thường xuyên từ "đều". Chuyển động đều là chuyển động theo một đường thẳng với vận tốc không đổi. Chuyển động không đều hoặc chuyển động có gia tốc là chuyển động nhanh dần hoặc chậm dần (khi chuyển động chậm dần, người ta nói nó có gia tốc âm), hoặc chuyển động không theo đường thẳng. Về chuyển động có gia tốc, thuyết tương đối hẹp không thể nói điều gì mới.
Tính tương đối của chuyển động đều dường như khá thông đồng bén giọt, nhưng trên thực tế nó dễ đưa ta sang một thế giới mới lạ lẫm, mà ban đầu rất giống với một thế giới vô nghĩa đằng sau chiếc gương của Lui Kerol. Bởi vì nếu không có phương pháp đo chuyển động đều đối với hệ thống đọc số tổng hợp bất động tương tự môi trường ête nên khi đó ánh sáng phải thể hiện là hoàn toàn suy tưởng trái với bất kỳ thí nghiệm nào.
Chúng ta hãy xem nhà du hành vũ trụ trên con tàu vũ trụ hay dọc theo chùm sáng. Con tàu chuyển động với vận tốc bằng một nửa vận tốc ánh sáng. Nếu nhà du hành vũ trụ tiến hành đo đạc tương ứng, anh ta sẽ phát hiện rằng tia sáng dù sao cũng đi qua nó với vận tốc thông thường 300.000 km/giây. Bạn hãy suy nghĩ về điều này một chút và bạn sẽ thấy ngay rằng nhất thiết phải như vậy, nếu như khái niệm ngọn gió ête bị bác bỏ. Còn nếu như nhà du hành vũ trụ tìm thấy rằng ánh sáng chuyển động so với nó chậm hơn, anh ta hẳn đã phát hiện ra chính ngọn gió ête mà Maikenxơn và Moocly không phát hiện ra. Bây giờ nếu như còn tàu vũ trụ bay thẳng theo hướng đến nguồn sáng với vận tốc bằng một nửa vận tốc ánh sáng, thì hẳn anh ta đã tìm thấy rằng tia sáng tiến dần lại nhờ anh ra nhanh hơn một lần rưỡi chứ? Không, tia sáng vẫn chuyển động ngược với anh ta với vận tốc 300.000 km/giây.
Dù anh ta chuyển động như thế nào đối với tia sáng, việc đo đạc luôn luôn cho ta cùng một giá trị đối với vận tốc ánh sáng.
Có thể chúng ta thường nghe rằng thuyết tương đối làm cho mọi thứ trong vật lý học là tương đối, rằng nó phá đi mọi cái tuyệt đối. Không có cái gì có thể rời xa sự thật. Nó làm cho nhiều khái niệm trở thành tương đối mà trước đó người ta xem là tuyệt đối nhưng đồng thời cũng chấp nhận những tuyệt đối mới. Trong vật lý học cổ điển, vận tốc ánh sáng là tương đối đối với ý nghĩa là nó sẽ bị thay đổi tùy thuộc và chuyển động của người quan sát. Trong thuyết tương đối hẹp, vận tốc ánh sáng trở nên tuyệt đối mới với ý nghĩa này. Không quan trọng ở chỗ nguồn sáng hoặc nguồn quan sát chuyển động như thế nào, vận tốc ánh sáng đối với người quan sát không bao giờ thay đổi.
Chúng ta hình dung hai con tàu vũ trụ A và B. Giả sử trong vũ trụ không có gì ngoài hai con tàu. Chúng đều chuyển động ngược chiều nhau với vận tốc không đổi. Có phương pháp nào để các nhà du hành trên con tàu bất kỳ có thể giải quyết xem trường hợp nào trong ba trường hợp sau đây là "thực" và "tuyệt đối"?
1. Con tàu A ở trong trạng thái nằm yên, con tàu B chuyển động.
2. Con tàu B ở trong trạng thái nằm yên, con tàu A chuyển động.
3. Cả hai con tàu đều chuyển động.
Anhxtanh trả lời như sau : Không, không có một phương pháp nào như vậy cả. Nhà du hành trên bất kỳ một con tàu nào đều có thể, nếu anh ta muốn, chọn con tàu A làm hệ thống đọc số cố định. Không có một thí nghiệm nào kể cả các thí nghiệm với ánh sáng hoặc với bất kỳ hiện tượng điện và từ nào khác ngõ hầu chứng minh rằng sự lựa chọn đó là không đúng. Cũng đúng như vậy, nếu anh ta chọn con tàu B làm hệ thống đọc số cố định. Nếu như anh ta xem hai con tàu đều chuyển động, anh ta lựa chọn giàn một hệ thống đọc số bất định bên ngoài hai con tàu này, lựa chọn một điểm mà đối với điều đó, cả hai con tàu đều ở trong trạng thái chuyển động. Không cần đặt câu hỏi sự lựa chọn nào là đúng hoặc không đúng. Nói về chuyển động tuyệt đối của bất kỳ con tàu nào có nghĩa là nói về một cái gì đó không có ý nghĩa thực ra chỉ có một: chuyển động tương đối mà kết quả của nó là con tàu tiến gần với vận tốc không đổi.
Trong cuốn sách như vậy không thể đi sâu vào các chi tiết của thuyết tương đối hẹp và đặc biệt là vào các chi tiết có liên quan đến cơ sở toán học của nó. Chúng ta cần nhớ lại một số kết luận mạnh mẽ nhất được rút ra một cách lôgic từ điều mà Anhxtanh gọi là hai "tiền đề cơ bản" của lý thuyết của mình.
1. Không có phương pháp nhằm xác định vật thể nằm ở trạng thái đứng yên hoặc chuyển động đều đối với môi trường ête bất động.
2. Độc lập với chuyển động của nguồn ánh sáng luôn luôn chuyển động qua khoảng không với cùng một vận tốc không đổi.
(Không nên lẫn lộn tiền đề thứ hai như thường thấy là sự không đổi của vận tốc ánh sáng đối với người quan sát chuyển động đều. Điều này rút ra từ các tiền đề).
Tất nhiên các nhà vật lý khác nghiên cứu cả hai tiền đề Lorenxơ có ý định dung hoà chúng trong lý thuyết của mình rằng độ dài tuyệt đối và thời gian thay đổi do áp lực của ngọn gió ête. Đa số các nhà vật lý đều cho điều đó là vi phạm nghiêm trọng đến tư duy lành mạnh. Họ ưa xem rằng các tiền đề không phải là trùng lặp và chí ít một tiền đề phải là không chính xác. Anhxtanh đã xem xét vấn đề này một cách sâu sắc hơn. Các tiền đề không trùng nhau chỉ trong trường hợp, ông nói, khi chúng ta từ bỏ quan điểm cổ điển rằng độ dài và thời gian là tuyệt đối.
Khi Anhxtanh công bố lý thuyết của mình ông không biết rằng Lorenxơ cũng suy nghĩ theo hướng như vậy, nhưng giống như Lorenxơ, ông hiểu ra rằng việc đo độ dài và thời gian phải tuỳ thuộc vào chuyển động tương đối của đối tượng và người quan trắc. Song Lorenxơ chỉ đi được nửa đường. Ông bảo lưu khái niệm độ dài và thời gian tuyệt đối đối với các vật thể đứng yên. Ông cho rằng ngọn gió ête làm biến đổi độ dài và thời gian "thực". Anhxtanh đã đi con đường ấy đến tận cùng. Ông nói không có ngọn gió ête nào cả. Khái niệm độ dài và thời gian tuyệt đối không có ý nghĩa gì. Đó là cái chìa khoá thuyết tương đối hẹp của Anhxtanh. Khi ông tiếp cận với nó, pháo đài bất khả xâm phạm bắt đầu được từ từ mở ra.
