Giai điệu dây và bản giao hưởng vũ trụ - Brian Greene

[tqcovtau]

Hệ thống quảng cáo SangNhuong.com

Brian Greene

Giai điệu dây và bản giao hưởng vũ trụ

Lời giới thiệu

Hai lý thuyết vĩ đại tạo nên những trụ cột của vật lý hiện đại là cơ học lượng tử và thuyết tương đối đã ra đời gần như đồng thời vào đầu thế kỷ XX.

Cơ học lượng tử, lý thuyết về những cái vô cùng bé, đã được xây dựng trong những năm 1910-1930 bởi một nhúm những con người lãng mạn như Max Planck, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Edwin Schrodinger, Wolfgang Pauli và Louis de Broglie, đã giải thích được một cách tuyệt vời hành trạng của các hạt sơ cấp và các nguyên tử cũng như các tương tác của chúng với ánh sáng. Chính nhờ cơ học lượng tử mà chúng ta có được những công cụ kỳ diệu như máy thu thanh, TV, các bộ dàn stereo, điện thoại, máy fax, máy tính và Internet, những công cụ làm cho cuộc sống của chúng ta trở nên thú vị hơn và liên kết chúng ta với nhau.

Thuyết tương đối là lý thuyết của những cái vô cùng lớn: nó được sinh ra từ trực giác thiên tài của một ?chuyên viên kỹ thuật hạng ba? chẳng mấy ai biết tới có tên là Albert Einstein thuộc phòng đăng ký sáng chế phát minh ở Bern (Thuỵ Sĩ) và lý thuyết này đã đưa ông lên tột đỉnh vinh quang. Với thuyết tương đối hẹp được công bố năm 1905, Einstein đã thống nhất được thời gian và không gian nhờ xem xét lại tính phổ quát của chúng: thời gian của một nhà du hành với vận tốc không đổi gần vận tốc ánh sáng sẽ bị giãn ra trong khi đó không gian lại bị co lại so với thời gian và không gian của một người nào đó đứng yên. Đồng thời, Einstein cũng thiết lập được sự tương đương giữa khối lượng và năng lượng, do đó cho phép ta giải thích được lò lửa của các ngôi sao: chúng đã biến một phần khối lượng của chúng thành năng lượng và, than ôi, nó cũng dẫn tới những quả bom nguyên tử đã gây ra chết chóc và tàn phá hai thành phố Nhật Bản Hiroshima và Nagasaki. Với thuyết tương đối rộng được công bố năm 1915, Einstein đã chứng minh được rằng một trường hấp dẫn mạnh, như trường ở gần một lỗ đen (lỗ thành, chẳng hạn bởi sự co lại của một ngôi sao đã dùng hết năng lượng dự trữ của nó) không chỉ làm cho thời gian giãn ra mà còn làm cong cả không gian nữa. Đồng thời, các phương trình của thuyết tương đối rộng cũng nói rằng Vũ trụ hoặc là đang giãn nở hoặc là đang co lại, chứ không thể là tĩnh tại, cũng hệt như một quả bóng được tung lên không hoặc là bay lên cao hoặc là rơi xuống chứ không thể treo lơ lửng trong không khí được. Vì ở thời đó người ta nghĩ rằng Vũ trụ là tĩnh, nên Einstein đã buộc phải đưa vào một lực phản hấp dẫn để bù trừ cho lực hấp dẫn hút của Vũ trụ nhằm làm cho nó trở nên dừng. Sau này, vào năm 1929, khi nhà thiên văn Mỹ Edwin Hubble phát hiện ra Vũ trụ đang giãn nở, Einstein đã phải tuyên bố rằng ?đó là sai lầm lớn nhất của cuộc đời ông?.

Hai lý thuyết vĩ đại đó đã được nhiều lần kiểm chứng qua các phép đo và quan sát, đồng thời chúng hoạt động rất tốt chừng nào chúng ở tách rời và giới hạn trong địa hạt riêng của mình. Cơ học lượng tử mô tả chính xác hành trạng của các nguyên tử và ánh sáng khi mà hai lực hạt nhân mạnh và yếu cùng với lực điện từ dẫn dắt vũ điệu còn lực hấp dẫn thì nhỏ không đáng kể. Thuyết tương đối giải thích rất tốt những chất của hấp dẫn ở thang cực lớn của Vũ trụ, của các thiên hà, các ngôi sao và các hành tinh, khi mà lực này chiếm ưu thế và các lực hạt nhân cũng như lực điện từ không còn đóng vai trò hàng đầu nữa. Nhưng vật lý học đã biết lại hụt hơi và mất hết phương tiện khi lực hấp dẫn, vốn nhỏ không đáng kể ở thang hội nguyên tử, lại trở nên đáng kể như ba lực kia. Mà điều này lại chính xác là cái đã xảy ra ở những khoảnh khắc đầu tiên của Vũ trụ.

Ngày hôm nay, người ta nghĩ rằng khoảng 15 tỷ năm trước, một vụ nổ cực mạnh ? tức Big Bang - đã sinh ra Vũ trụ, không gian và thời gian. Từ đó, đã diễn ra một quá trình thăng tiến, không một phút nào ngơi, trên con đường phức tạp hóa. Xuất phát từ một chân không nội nguyên tử, Vũ trụ đang giãn nở đã không ngừng phình to và nở ra. Các quark và electron, các proton và notron, các nguyên tử, các ngôi sao và các thiên hà kế tiếp nhau được tạo thành. Vậy là một tấm thảm vũ trụ bao la đã được dệt nên, bao gồm tới hàng trăm tỷ thiên hà, mỗi thiên hà lại bao gồm hàng trăm tỷ ngôi sao. Trong vùng biên của một trong số những thiên hà đó và có tên là Ngân Hà, trên một hành tinh ở gần ngôi sao có tên là Mặt Trời, xuất hiện con người có khả năng biết kinh ngạc trước vẻ đẹp và sự hài hòa của Vũ trụ, có ý thức và có trí tuệ cho phép nó có thể đặt ra những câu hỏi về Vũ trụ đã sinh ra nó. Như vậy là cái vô cùng bé đã sinh nở ra cái vô cùng lớn. Để hiểu được nguồn gốc của Vũ trụ và do đó cả nguồn gốc của riêng chúng ta nữa, chúng ta cần có một lý thuyết vật lý có khả năng thống nhất cơ học lượng tử với thuyết tương đối và mô tả được tình huống trong đó cả bốn lực cơ bản đều bình đẳng với nhau.

Nhưng nhiệm vụ thống nhất đó không phải dễ dàng gì, bởi lẽ có sự không tương thích cơ bản giữa cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng trong vấn đề liên quan tới hình học của không gian, điều mà Brian Greene đã mô tả rất hay. Theo thuyết tương đối, không gian ở thang rất lớn, nơi triển khai các thiên hà và các ngôi sao, là trơn và hoàn toàn không có những chỗ sần sùi và gai góc. Trái lại, không gian ở thang nội nguyên tử của cơ học lượng tử lại không trơn tru mà trở thành một loại mút xốp không có hình hạng xác định, đầy rẫy những lượn sóng và những điểm kỳ dị, xuất hiện rồi lại biến mất trong những khoảng thời gian vô cùng nhỏ, luôn luôn chuyển động và luôn luôn thay đổi. Độ cong và tôpô của thứ mút lượng tử này là hỗn độn và chỉ có thể mô tả được thông qua xác suất. Một bức tranh thuộc trường phái họa điểm của Seurat, khi mà ta xem gần, sẽ thấy nó được phân tách thành hàng ngàn những điểm màu sặc sỡ, tương tự như vậy, ở thang nội nguyên tử, không gian được phân hóa thành các thăng giáng và trở nên có tính chất ngẫu nhiên. Sự không tương thích giữa hai lý thuyết này khiến cho chúng ta không thể ngoại suy những định luật của thuyết tương đối tới tận điểm ?thời gian zero? của Vũ trụ, tức là thời điểm sáng tạo ra không gian và thời gian. Những định luật của thuyết tương đối sẽ hoàn toàn mất chỗ đứng ở thời điểm vô cùng bé 10-41 giây sau Big Bang, còn được gọi là ?thời gian Planck?. Ở thời điểm đó, Vũ trụ chỉ có đường kính bằng 10-33cm (được gọi là ?chiều dài Planck?), tức là nhỏ hơn một nguyên tử cả 10 triệu tỷ tỷ lần. Như vậy là bức tường Planck đã được dựng lên để chắn ngang con đường tiến tới sự nhận thức nguồn gốc của Vũ trụ.

Được đặt trước sự thách thức, các nhà vật lý đã lao tâm khổ tứ nhằm vượt qua bức tường chắn đó. Họ đã nỗ lực phi thường để tìm kiếm cái mà người ta gọi một cách hơi đại ngôn là ?lý thuyết về tất cả?, một lý thuyết thống nhất bốn lực của tự nhiên thành một ?siêu lực? duy nhất. Năm 1967, nhà vật lý người Mỹ Steven Weinberg và nhà vật lý người Pakistan Abdus Salam đã thống nhất được lực điện từ và lực hạt nhân yếu thành một lực điện-yếu. Các lý thuyết ?thống nhất lớn? dường như đã có thể thống nhất được lực hạt nhân mạnh và lực điện-yếu. Trong một thời gian rất dài, lực hấp dẫn vẫn ương bướng từ chối mọi sự hợp nhất với các lực khác. Cho tới khi xuất hiện lý thuyết dây, ?nữ nhân vật? của cuốn sách này.

Theo lý thuyết dây, các hạt không còn là những phần tử cơ bản nữa mà chỉ là những dao động của một dây vô cùng nhỏ có chiều dài cỡ 10-33cm, tức chiều dài Planck. Các hạt của vật chất và ánh sáng chuyển tải các lực (chẳng hạn như photon là hạt truyền lực điện từ) liên kết các phần tử của thế giới với nhau và làm cho nó biến đổi. Tất cả những điều đó chỉ là các biểu hiện khác nhau của các dây. Nhưng một điều kỳ diệu là, hạt graviton ? hạt truyền lực hấp dẫn ? cũng ở trong số những biểu hiện đó. Như vậy, sự thống nhất giữa lực hấp dẫn và ba lực còn lại đã tỏ ra là có thể thực hiện được. Hoàn toàn giống như sự dao động của các dây đàn violon tạo ra những âm thanh khác nhau cùng với các họa âm của chúng, âm thanh và các họa âm của các siêu dây cũng được thể hiện trong tự nhiên và đối với các dụng cụ đo của chúng ta, dưới dạng các hạt photon, proton, nơton, electron, graviton v.v... Những siêu dây rung động ở khắp nơi xung quanh chúng ta và thế giới chỉ là một bản giao hưởng bát ngát. Theo một phương án của lý thuyết, các siêu dây dao động trong một vũ trụ có chín chiều không gian. Trong một phương án khác, chúng dao động trong một vũ trụ hai mươi lăm chiều. Vì chúng ta chỉ cảm nhận được ba chiều không gian, nên cần phải giả thiết rằng những chiều bổ sung đó được cuộn lại cho đến khi nhỏ tới mức chúng ta không còn cảm nhận được nữa.

Brian Greene đã kể cho chúng ta một cách rất sinh động và tài năng về sự ra đời và phát triển của lý thuyết siêu dây. Với một văn phong sáng sủa và truyền cảm, ông đã chỉ cho chúng ta thấy lý thuyết này đã mở đường để dung hoà cơ lượng tử với thuyết tương đối như thế nào. Ông cũng đã mô tả cho chúng ta thấy không chỉ những cuộc cách mạng về khái niệm đã làm nảy sinh ra lý thuyết này mà còn cả những con đường sai lầm và những ngõ cụt, nghĩa là cho chúng ta thấy con đường phát triển quanh co của khoa học. Vốn là người trực tiếp tham gia phát triển lý thuyết dây, Brian Greene xứng đáng là người hướng dẫn lý tưởng để dẫn dắt chúng ta lần theo những con đường khúc khuỷu của đề tài này. Mặc dù, hết sức nhiệt thành với lý thuyết dây, nhưng Greene cũng không hề che dấu những đám mây đen làm u ám phong cảnh. Lý thuyết dây còn lâu mới có thể hoàn chỉnh và con đường cần phải đi để tới được đích cuối cùng sẽ còn rất dài và cực kỳ gian khó. Mặt khác, nó còn được bao bọc trong một bức màn toán học dầy đặc và trừu tượng tới mức thách thức những nhà vật lý tài năng nhất hiện thời. Cuối cùng, lý thuyết này còn chưa bao giờ được kiểm chứng bằng thực nghiệm, bởi vì những hiện tượng mà nó tiên đoán diễn ra ở những năng lượng vượt quá xa năng lượng mà những máy gia tốc hạt hiện nay có thể đạt được. Vậy là bản giao hưởng của các dây vẫn còn dang dở. Liệu nó mãi mãi dang dở như thế hay không ? Brian Greene trả lời là không. Nhưng chỉ có tương lai mới nói được điều đó với chúng ta.

Trịnh Xuân Thuận
Paris, tháng 6 năm 2000.

Bản dịch sau đây của Phạm Văn Thiều, Nhà xuất bản Trẻ, năm 2000 Phần nội dung được post dưới đây được lấy nguồn từ VNExpress

Kiểu File: PDF
Dung lượng: 1.12 Mb

http://www.mediafire.com/?xju2yavele2

[chinhanh_fipexim]

Hệ thống quảng cáo SangNhuong.com

Lời nói đầu của Brian Greene

Tôi hy vọng rằng thông qua việc giải thích các thành tựu lớn của vật lý, bắt đầu từ Einstein và Heisenberg, cùng với những mô tả về sự phát triển vô cùng rực rỡ của các phát minh của họ thông qua những đột phá của thời đại chúng ta, cuốn sách này sẽ vừa làm giàu có thêm vừa thỏa mãn được nhu cầu bức xúc đó.

Trong ba mươi năm cuối cùng của cuộc đời mình, Albert Einstein đã không ngừng tìm kiếm cái được gọi là lý thuyết trường thống nhất, một lý thuyết có khả năng mô tả được tất cả các lực của tự nhiên trong một khuôn khổ duy nhất, nhất quán và bao quát được tất cả. Einstein không hề quan tâm tới sự giải thích một dữ liệu thực nghiệm cụ thể này hay khác. Thay vì thế, ông được thôi thúc bởi một niềm tin mê đắm rằng sự hiểu biết sâu sắc nhất về Vũ trụ sẽ hé lộ sự kỳ diệu đích thực nhất của nó: đó là tính đơn giản và sức mạnh của những nguyên lý nền tảng. Einstein muốn soi rọi cơ chế vận hành của Vũ trụ với một sự sáng tỏ chưa từng có, cho phép tất cả chúng ta phải sững sờ trước vẻ đẹp và sự thanh nhã thuần khiết của Vũ trụ.

Nhưng Einstein đã không thực hiện được ước mơ của mình, phần lớn là bởi vì có rất nhiều điều liên minh chống lại ông. Vào thời đó, người ta còn chưa biết hoặc may lắm thì cũng mới chỉ biết một cách nghèo nàn về nhiều đặc điểm rất căn bản của vật chất và các lực của tự nhiên. Trong suốt nửa thế kỷ qua, mỗi thế hệ mới các nhà vật lý đã từng bước xây dựng trên những phát minh của những người đi trước một sự hiểu biết ngày càng đầy đủ hơn về sự hoạt động của Vũ trụ. Và giờ đây, rất lâu sau khi Einstein dấn thân vào cuộc tìm kiếm một lý thuyết thống nhất và đã kết thúc gần như tay trắng, các nhà vật lý đã tin rằng họ cuối cùng đã tìm ra một khuôn khổ hợp nhất được tất cả những đóng góp đó thành một lý thuyết duy nhất, về nguyên tắc, có khả năng mô tả được tất cả các hiện tượng vật lý. Đó là lý thuyết siêu dây, đối tượng của cuốn sách này.

Tôi viết cuốn Giai điệu dây và bản giao hưởng vũ trụ này với hy vọng để cho các độc giả bình thường không được đào tạo về vật lý và toán học có thể tiếp cận được những ý tưởng xuất hiện ở tuyến trước của các nghiên cứu vật lý. Thông qua những cuộc nói chuyện với công chúng về lý thuyết dây trong mấy năm qua, tôi đã nhận thấy rằng thực sự có một nhu cầu muốn tìm hiểu những nghiên cứu đang tiến hành về các định luật cơ bản, về những đòi hỏi phải cấu trúc lại một cách căn bản quan niệm của chúng ta về Vũ trụ của những định luật đó, cùng với những thách thức đang ở phía trước trên con đường tìm kiếm một lý thuyết tối hậu. Tôi hy vọng rằng thông qua việc giải thích các thành tựu lớn của vật lý, bắt đầu từ Einstein và Heisenberg cùng với những mô tả về sự phát triển vô cùng rực rỡ của các phát minh của họ thông qua những đột phá của thời đại chúng ta, cuốn sách này sẽ vừa làm giàu có thêm vừa thỏa mãn được nhu cầu bức xúc đó.

Tôi cũng hy vọng rằng cuốn Giai điệu dây và bản giao hưởng vũ trụ sẽ được tất cả những ai đã có một kiến thức nhất định về khoa học quan tâm. Đối với các sinh viên và giáo viên khoa học, tôi hy vọng rằng các bạn sẽ tìm thấy trong cuốn sách này một sự cô đúc những kiến thức cơ bản của vật lý hiện đại, như thuyết tương đối hẹp, thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử đồng thời cùng chia sẻ sự nhiệt thành có sức lôi cuốn lớn lao của các nhà nghiên cứu đang tiến gần tới một lý thuyết thống nhất đã được tìm kiếm từ lâu. Đối với các độc giả ham thích khoa học đại chúng, tôi đã cố gắng giải thích nhiều tiến bộ rất đáng khích lệ trong sự hiểu biết của chúng ta về Vũ trụ trong chục năm trở lại đây. Đối với các đồng nghiệp của tôi trong các lĩnh vực khác, tôi hy vọng cuốn sách này sẽ giúp họ hiểu được một cách đúng đắn và công bằng về việc tại sao các nhà lý thuyết dây lại quá nhiệt thành như vậy đối với những tiến bộ trong cuộc tìm kiếm một lý thuyết tối hậu của tự nhiên.

Lý thuyết siêu dây bao trùm một lĩnh vực rộng lớn. Đó là một đề tài vừa sâu vừa rộng, huy động nhiều phát minh cơ bản của vật lý. Vì nó thống nhất các định luật của thế giới vô cùng lớn và thế giới vô cùng bé ? từ những quy luật chi phối vật lý ở những thang thiên văn cực lớn tới những quy luật chi phối hành trạng của những hạt nhỏ bé nhất của vật chất, nên lý thuyết dây có thể được đề cập theo nhiều cách khác nhau. Tôi đã chọn cách tập trung vào sự tiến hóa của quan niệm về không gian và thời gian của chúng ta. Tôi cho rằng đó là một con đường phát triển cực kỳ hấp dẫn, cho phép ta tiếp cận được những phát minh cơ bản nhất trong những năm gần đây. Einstein đã chứng tỏ rằng không gian và thời gian có hành trạng rất lạ lùng. Giờ đây, những phát minh của ông đã được sáp nhập vào thế giới lượng tử với nhiều chiều ẩn giấu được cuộn lại trong cấu trúc của không ? thời gian và hình học phức tạp của những chiều mới này có thể sẽ cho ta chìa khóa để trả lời một số câu hỏi cơ bản nhất đã từng được đặt ra. Mặc dù một số khái niệm đó rất tinh tế, nhưng chúng ta sẽ thấy rằng chúng vẫn có thể lĩnh hội được thông qua những sự tương tự trong đời thường. Và một khi những ý tưởng đó đã được nắm bắt, chúng sẽ cho ta một cái nhìn hoàn toàn bất ngờ về Vũ trụ của chúng ta.

Trong suốt cuốn sách này, tôi đã cố gắng bám thật sát thực tiễn khoa học, nhưng đồng thời cũng cho độc giả một cách hiểu trực giác ? thông qua các hình ảnh tương tự và ẩn dụ ? những cách thức mà các nhà nghiên cứu đã đi tới những quan niệm hiện nay của họ về Vũ trụ. Tôi cũng đã cố gắng tránh sử dụng các phương trình và một ngôn ngữ quá kỹ thuật. Tuy nhiên, do một số khái niệm còn quá mới mẻ, nên độc giả đôi khi nên tạm dừng để đọc lại một số chương mục này hay khác hoặc ngẫm nghĩ về một giải thích nào đó, mới theo dõi được toàn vẹn sự tiến triển của các ý tưởng. Một số đoạn của phần thứ tư (mô tả những tiến bộ mới đây nhất) hơi khó đọc hơn các phần khác, tôi cũng đã thận trọng báo trước độc giả và cố gắng cấu trúc cuốn sách để có thể đọc lướt hoặc bỏ qua mà ít bị ảnh hưởng nhất đến dòng chảy lôgic của cuốn sách. Tôi cũng đưa vào cuối sách một danh mục các thuật ngữ khoa học để độc giả dễ dàng tra cứu và nhớ lại. Những độc giả muốn tìm hiểu sâu hơn một số vấn đề có thể xem phần chú thích.

Cuối cùng, từ tận đáy lòng, tôi xin cảm ơn những người đã giúp đỡ tôi thực hiện cuốn sách này mà chắc hẳn thiếu điều đó cuốn sách này không bao giờ có thể ra đời được.

Brian Greene

[bef34]

Có đúng là Vũ trụ, ở mức cơ bản nhất của nó, đã được phân chia một cách rạch ròi: có một tập hợp những định luật dùng để mô tả những hiện tượng ở thang nhỏ và một tập hợp các định luật khác, không tương thích với tập thứ nhất, dùng để mô tả các hiện tượng ở thang rất lớn?

Phần I

Ở biên giới của tri thức

Chương I

Được kết nối bởi các dây

Nói rằng người ta cố tình ỉm đi thì kể cũng hơi quá đáng. Nhưng từ hơn một nửa thế kỷ nay, thậm chí ngay cả khi dấn thân vào một trong số những cuộc phiêu lưu khoa học vĩ đại nhất của thời đại chúng ta, các nhà vật lý cũng cố lờ đi các đám mây đen mà họ đã nhìn thấy lấp ló ở phía chân trời. Nguyên do là thế này: vật lý hiện đại dựa trên hai trụ cột. Một là lý thuyết tương đối rộng của Albert Einstein mô tả tự nhiên ở thang lớn nhất, thang của các sao, các thiên hà và thậm chí của toàn Vũ trụ. Và hai là lý thuyết lượng tử mô tả tự nhiên ở thang nhỏ nhất, thang của các phân tử, nguyên tử và các thành phần sơ cấp của vật chất, chẳng hạn như các quark và các electron. Những tiên đoán của cả hai lý thuyết đều được khẳng định hùng hồn bởi rất nhiều thực nghiệm với một độ chính xác không thể tưởng tượng nổi. Tuy nhiên, chính hai công cụ lý thuyết này lại không tránh khỏi dẫn tới một kết luận đáng lo ngại: theo như cách chúng được trình bày hiện nay thì thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử không thể cả hai đều đúng được. Hai lý thuyết đặt cơ sở cho sự tiến bộ vĩ đại của vật lý trong suốt một trăm năm trở lại đây lại không tương thích với nhau.

Nếu trước đây bạn chưa bao giờ được nghe nói tới sự đối kháng gay gắt đó thì chắc chắn bạn sẽ thấy rất ngạc nhiên. Nhưng điều này cũng chẳng có gì là khó hiểu cả: thường thì trừ những tình huống cực đoan nhất, còn thì các nhà vật lý hoặc là chỉ nghiên cứu những hệ rất nhỏ và rất nhẹ (các nguyên tử hoặc các thành phần cấu tạo nên nó) hoặc là các hệ cực lớn và cực nặng (như các sao và các thiên hà), nhưng chưa bao giờ nghiên cứu đồng thời cả hai loại hệ đó. Điều này có nghĩa là, các nhà vật lý hoặc chỉ cần dùng cơ học lượng tử hoặc chỉ dùng thuyết tương đối rộng. Và như vậy, trong suốt năm mươi năm nay, họ cứ hài lòng như vậy trong cảnh bình an chẳng khác gì kẻ điếc không sợ súng.

Khốn nỗi, tự nhiên cũng rất có thể là ?cực đoan?. Trong sâu thẳm ở trung tâm của một lỗ đen, có một khối lượng rất lớn được giam trong một thể tích cực nhỏ. Hoặc ở thời điểm Big Bang, toàn bộ Vũ trụ được phun ra từ một điểm nhỏ tới mức mà ở bên cạnh nó một hạt cát cũng trở nên khổng lồ. Những hiện tượng này vừa có khối lượng cực lớn vừa có kích thước cực nhỏ, nên cần phải có cả thuyết tương đối rộng lẫn cơ học lượng tử mới mô tả được. Vì những lý do mà rồi dần dần chúng ta sẽ biết: khi kết hợp các phương trình của thuyết tương đối rộng với các phương trình của cơ học lượng tử, lý thuyết sẽ bắt đầu lọc xọc và phun khói mù mịt như một cỗ xe đã hết hơi. Nói một cách khác, trong cuộc hôn phối bất hạnh của hai lý thuyết đó, những bài toán vật lý được đặt một cách nghiêm chỉnh lại cho những câu trả lời vô nghĩa. Thậm chí, ngay cả khi chúng ta sẵn sàng chấp nhận để mặc cho những chuyện bên trong lỗ đen và sự sáng tạo ra Vũ trụ vẫn nằm trong vòng bí mật đi nữa thì chúng ta không thể không cảm thấy rằng sự đối địch giữa thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử đang đòi hỏi khẩn thiết phải có một trình độ hiểu biết sâu sắc hơn. Liệu có đúng là Vũ trụ, ở mức cơ bản nhất của nó, đã được phân chia một cách rạch ròi: có một tập hợp những định luật dùng để mô tả những hiện tượng ở thang nhỏ và một tập hợp các định luật khác, không tương thích với tập thứ nhất, dùng để mô tả các hiện tượng ở thang rất lớn?

Lý thuyết siêu dây, một kẻ ngổ ngáo trẻ tuổi so với các bậc lão làng là thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử, đã kiêu hãnh trả lời phủ định câu hỏi ở trên. Những nghiên cứu ráo riết hơn một chục năm qua của các nhà vật lý và toán học trên khắp thế giới đã cho thấy rằng lý thuyết mới này, lý thuyết mô tả vật chất ở mức cơ bản nhất của nó, đã giải tỏa được sự căng thẳng giữa lý thuyết lượng tử và lý thuyết tương đối rộng. Thực tế, lý thuyết siêu dây còn cho thấy hơn thế: trong khuôn khổ của lý thuyết mới, hai lý thuyết này còn trở nên cần thiết cho nhau để làm cho lý thuyết mới có nghĩa. Theo lý thuyết siêu dây thì cuộc hôn phối giữa hai lý thuyết đó không những chỉ là hạnh phúc mà còn không thể tránh được.

Đó mới chỉ là một phần của tin tức tốt lành. Lý thuyết siêu dây ? mà sau này để ngắn gọn ta gọi là lý thuyết dây ? còn xem sự kết hợp này là một bước tiến khổng lồ. Trong suốt ba chục năm ròng, Einstein đã tìm kiếm một lý thuyết thống nhất của vật lý, một lý thuyết có khả năng đan bện tất cả các lực của tự nhiên và tất cả các thành phần tạo nên vật chất trong một tấm thảm lý thuyết duy nhất. Nhưng ông đã thất bại. Giờ đây, vào buổi bình minh của thiên niên kỷ mới, những chuyên gia của lý thuyết siêu dây tuyên bố rằng những đầu mối của tấm thảm thống nhất khó nắm bắt này cuối cùng đã được hé lộ. Lý thuyết dây có khả năng chứng tỏ rằng tất cả những điều kỳ diệu của Vũ trụ đều xuất phát từ một nguyên lý vật lý duy nhất, từ một phương trình cơ bản duy nhất, từ vũ điệu cuồng loạn của hạt quark trong nguyên tử tới điệu van nhịp nhàng của các hệ sao đôi, từ vụ nổ nguyên tử (Big Bang) tới vòng xoáy tuyệt đẹp của các thiên hà...

Nhưng tất cả những điều đó đòi hỏi chúng ta phải thay đổi một cách căn bản quan niệm của chúng ta về không gian, thời gian và vật chất, vì vậy phải có thời gian để quen dần, thấm dần tới mức ta cảm thấy thật thoải mái. Như chúng ta sẽ thấy, khi được nhìn nhận trong bối cảnh riêng của nó, lý thuyết dây xuất hiện như một hệ quả tự nhiên và đầy kịch tính của những phát minh có tính cách mạng của vật lý học trong suốt một trăm năm qua. Thực tế, sự xung đột giữa thuyết tương đối rộng và lý thuyết lượng tử không phải là cuộc xung đột đầu tiên mà là thứ ba trong dãy những xung đột có tính chất bước ngoặt trong một thế kỷ qua. Cứ mỗi lần một cuộc xung đột được giải quyết là một lần sự hiểu biết của chúng ta về tự nhiên lại có những biến đổi đáng ngạc nhiên.

Ba cuộc xung đột

Cuộc xung đột đầu tiên khởi nguồn từ cuối những năm 1800, liên quan tới một số tính chất lạ lùng của ánh sáng. Nói một cách vắn tắt, theo các định luật về chuyển động của Newton, nếu chạy thật nhanh thì ta nhất định sẽ đuổi kịp tia sáng. Tuy nhiên, theo những định luật điện từ của Maxwell, thì điều đó là không thể. Như chúng ta sẽ thấy ở Chương 2, Einstein đã giải quyết được xung đột đó thông qua thuyết tương đối hẹp của ông, một lý thuyết đã làm đảo lộn những quan niệm của chúng ta về không gian và thời gian. Theo thuyết tương đối hẹp, không gian và thời gian không phải là những khái niệm tuyệt đối như trước: chúng không được mọi người tiếp nhận theo cách như nhau mà tuỳ thuộc vào trạng thái chuyển động của mỗi người.

Sự phát triển của thuyết tương đối hẹp ngay lập tức đã gây ra cuộc xung đột thứ hai. Thực vậy, một trong số những kết luận trong công trình của Einstein nói rằng không có một vật nào, cũng như không có một thông tin hay một ảnh hưởng nào có thể truyền đi nhanh hơn ánh sáng. Nhưng ở Chương 3, lý thuyết hấp dẫn của Newton, một lý thuyết rất hợp với trực giác và đã được thực nghiệm kiểm chứng nhiều lần, lại xem rằng những ảnh hưởng của lực hấp dẫn đã được truyền đi một cách tức thời, ngay cả khi truyền trên những khoảng cách khổng lồ. Và lại một lần nữa, Einstein đã giải quyết được xung đột này bằng cách đưa ra một cách mô tả mới về hấp dẫn, đó là thuyết tương đối rộng được công bố năm 1915. Cũng như thuyết tương đối hẹp, lý thuyết mới này cũng làm đảo lộn những quan niệm của chúng ta về không gian và thời gian: chúng giờ đây bị cong và bị xoắn đi để đáp ứng lại sự hiện diện của vật chất hoặc năng lượng. Và chính những biến dạng này của cấu trúc không-thời gian đã truyền lực hấp dẫn từ nơi này đến nơi khác. Không gian và thời gian, do đó, không còn được xem như một màn ảnh đơn giản và trơ mà các hiện tượng tự nhiên được chiếu lên: giờ đây chúng còn là một phần không tách rời của chính các hiện tượng mà vật lý học tìm cách mô tả.

Lại một lần nữa, sự phát minh ra thuyết tương đối rộng, trong khi giải quyết được một xung đột, lại dẫn tới một xung đột khác. Từ đầu thế kỷ XX cho tới tận những năm 30, các nhà vật lý đã xây dựng lý thuyết lượng tử (xem Chương 4) để trả lời một loạt những vấn đề nóng bỏng được đặt ra ngay khi người ta định dùng vật lý của thế kỷ XIX để mô tả thế giới vi mô. Và chính ở đây, như đã nói ở trên, đã ra đời cuộc xung đột thứ ba, cũng là cuộc xung đột sâu sắc nhất, xuất hiện từ sự không tương thích giữa cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng. Như chúng ta sẽ thấy trong Chương 5, độ cong trơn tru của không-thời gian mà thuyết tương đối rộng ban cho lại hoàn toàn không phù hợp với sự sôi động điên cuồng mà lý thuyết lượng tử gán cho thế giới vi mô. Do mãi tới giữa những năm 1980, lượng tử dây mới đưa được ra một giải pháp, nên cuộc xung đột này được gọi rất đúng là bài toán trung tâm của vật lý hiện đại. Hơn thế nữa, là hậu duệ của thuyết tương đối hẹp và rộng, lý thuyết dây cũng đòi hỏi phải xem xét lại những quan niệm về không gian và thời gian theo cách riêng của nó. Chẳng hạn, phần lớn chúng ta đều tin rằng thế giới của chúng ta đang sống có ba chiều không gian. Tuy nhiên, điều này không đúng đối với lý thuyết dây bởi lẽ lý thuyết này tiên đoán rằng ngoài những chiều mà chúng ta có thể nhìn thấy được còn có những chiều khác không nhìn thấy bị cuộn chặt lại trong những chi tiết nhỏ nhất của cấu trúc không gian. Những điều mới mẻ đầy ấn tượng đó sẽ là sợi dây dẫn đường cho chúng ta trong các bước tiếp sau. Và thực tế, lý thuyết dây là phần tiếp nối của lịch sử về không-thời gian bắt đầu từ Einstein.

Để có một ý niệm chính xác về lý thuyết dây, chúng ta hãy tạm lùi lại một bước để mô tả vắn tắt những điều mà chúng ta đã biết được trong suốt thế kỷ trước về cấu trúc vi mô của Vũ trụ.

[tanthanhfurniture]

Hệ thống quảng cáo SangNhuong.com

Brian Greene

Giai điệu dây và bản giao hưởng vũ trụ

Chương I - Được kết nối bởi các dây(2)

... Tất cả những tương tác giữa các vật và chất khác nhau, cũng như hàng triệu tương tác khác mà chúng ta gặp hằng ngày, đều có thể quy về những tổ hợp của bốn lực cơ bản. Một trong số bốn lực đó là lực hấp dẫn. Ba lực khác là lực điện từ và hai lực hạt nhân mạnh và yếu...

Vũ trụ dưới kính lúp: chúng ta biết gì về vật chất

Các nhà triết học cổ Hy Lạp cho rằng Vũ trụ được cấu thành từ những phần tử nhỏ bé không thể ?cắt nhỏ? được nữa mà họ gọi là các nguyên tử. Họ đoán rằng các đối tượng vật chất đều được tạo thành từ tổ hợp của một số ít các viên gạch sơ cấp đó, cũng gần giống như các từ là tổ hợp chỉ của dăm ba chữ cái. Và họ đã đoán đúng. Hơn 2000 năm sau, chúng ta vẫn còn tin rằng điều đó là đúng, mặc dù bản chất của những viên gạch cơ bản nhất đó cũng đã tiến hóa rất nhiều. Ở thế kỷ XIX, nhiều nhà khoa học đã chứng tỏ được rằng nhiều chất quen thuộc như ôxy và cácbon đều có một thành phần nhỏ nhất có thể nhận dạng được và theo truyền thống Hy Lạp họ cũng gọi chúng là các nguyên tử. Cái tên thì vẫn thế, nhưng lịch sử đã chứng tỏ rằng nó là một cái tên không đạt, bởi lẽ các nguyên tử thực sự vẫn có thể cắt nhỏ được. Vào đầu những năm 1930, những công trình tập thể của Joseph John Thomson, Ernest Rutherford, Niels Bohr và James Chadwick đã cho ra đời một mô hình nguyên tử giống như hệ mặt trời (vì thế mô hình này còn được gọi là ?mẫu hành tinh?) mà phần lớn chúng ta đều đã rất quen thuộc. Trong mô hình này, nguyên tử không phải là thành phần sơ cấp nhất của vật chất mà là được tạo thành từ một hạt nhân chứa proton và nơtron với đám mây các electron bao quanh.

Có một thời, nhiều nhà vật lý đã tưởng rằng proton, nơtron và các electron chính là các ?nguyên tử? theo định nghĩa của người cổ Hy Lạp. Nhưng vào năm 1968, những thí nghiệm được tiến hành trên máy gia tốc tuyến tính ở Stanford, Hoa Kỳ, đã cho thấy rằng các proton và nơtron cũng không phải là các hạt cơ bản nhất, chúng lại được cấu tạo bởi ba hạt nhỏ hơn, đó là các hạt quark. Cái tên kỳ cục này đã được Murrey Gell-Mann ? người đầu tiên tiên đoán sự tồn tại của chúng ? lấy từ cuốn tiểu thuyết Finnegan? Wake của nhà văn nổi tiếng người Scotlen ? James Joyce. Thực nghiệm cũng khẳng định sự tồn tại của hai loại quark: quark u (up) và quark d (down). Proton được tạo bởi hai quark u và một quark d, còn nơtron bởi hai quark d và một quark u.

Tất cả mọi vật mà bạn thấy trong thế giới ở mặt đất cũng như trên trời đều được tạo từ tổ hợp các electron, các quark u và các quark d. Không có một bằng chứng thực nghiệm nào chỉ ra rằng các hạt này không phải là sơ cấp nhất, tức là được cấu tạo nên từ các hạt khác nhỏ hơn. Nhưng cũng có rất nhiều bằng chứng cho thấy Vũ trụ còn có những hạt sơ cấp khác nữa. Vào giữa những năm 1950, Frederick Reines và Clyde Cowan đã tìm được một bằng chứng thực nghiệm xác thực cho loại hạt cơ bản thứ tư gọi là hạt nơtrinô và Wolfgang Pauli đã tiên đoán sự tồn tại của nó vào đầu những năm 1930. Nơtrinô là những hạt rất khó phát hiện vì chúng rất hiếm khi tương tác với các hạt vật chất khác: Một nơtrinô có năng lượng trung bình có thể đi qua một tấm chì dày hàng ngàn kilômét mà chuyển động của nó không mảy may chịu một ảnh hưởng nào. Điều này sẽ khiến bạn cảm thấy yên tâm hơn rất nhiều, bởi lẽ ngay khi bạn đang đọc những dòng này, thì hàng tỷ nơtrinô do Mặt Trời phóng vào không gian đang xuyên qua cơ thể bạn và qua cả Trái Đất nữa, như một phần trong hành trình đơn độc của chúng trong Vũ trụ. Một hạt cơ bản khác có tên là muon đã được phát hiện vào cuối những năm 30 bởi các nhà vật lý nghiên cứu tia Vũ trụ (đó là những trận mưa hạt tới từ không gian Vũ trụ thường xuyên tới bắn phá Trái Đất). Muon rất giống electron chỉ có điều khối lượng của nó lớn hơn cỡ 200 lần. Do không có gì trong trật tự của Vũ trụ, không có một vấn đề nào chưa được giải quyết cũng như chẳng có một vị trí thích hợp nào đòi hỏi phải có sự tồn tại của hạt muon, nên nhà vật lý hạt nào được giải thưởng Nobel Isaac Isidor Rabi đã đón tiếp sự phát minh ra nó với lời chúc mừng không mấy hào hứng: ?Ai đã ra lệnh để có mày trên đời này ??. Tuy nhiên, muon vẫn hiện diện đó và chúng ta vẫn sẽ còn chưa hết ngạc nhiên.

Nhờ những công nghệ ngày càng tân tiến hơn, các nhà vật lý tiếp tục bắn phá các khối vật chất với năng lượng ngày càng cao hơn, và bằng cách đó, có lúc, họ đã tạo lại được những điều kiện chưa từng thấy kể từ Big Bang. Họ đào bới trong các mảnh vỡ nhằm tìm kiếm những hạt cơ bản mới để thêm vào danh sách ngày càng dài của các hạt. Và họ đã phát hiện thêm 4 hạt quark mới, đó là quark c (charm), quark s (strange), quark b (bottom), quark t (top) và hạt họ hàng thứ hai của electron có tên là hạt tau còn nặng hơn cả muon cùng với hai hạt khác nữa tương tự như hạt nơtrinô (mà người ta gọi là nơtrino-mu và nơtrino-tau để phân biệt với nơtrino đầu tiên có tên là nơtrino-e hay nơtrino-electron). Tất cả những hạt được tạo ra trong những va chạm ở năng lượng cao này đều rất phù du và không thuộc số những thành phần tạo nên vật chất của thế giới xung quanh chúng ta.

Tuy nhiên, chúng ta vẫn còn chưa hoàn toàn ở tận cùng của bản danh sách, bởi vì ứng với mỗi một hạt còn có một phản ? hạt, có cùng khối lượng với hạt, nhưng một số đặc tính khác của nó thì ngược lại, chẳng hạn như điện tích hay một số tích khác tương ứng với các lực khác mà chúng ta sẽ giới thiệu ngay dưới đây. Ví dụ, phản-hạt của electron gọi là positron, nó có khối lượng đúng như electron, nhưng diện tích của nó là +1 thay vì là -1 như electron. Khi vật chất gặp phản vật chất, chúng sẽ huỷ nhau để chỉ tạo ra năng lượng thuần tuý, chính vì lẽ đó mà chỉ có rất ít phản vật chất có trong tự nhiên của thế giới bao quanh chúng ta.

Các nhà vật lý cũng đã phát hiện được một loại sơ đồ sắp xếp các hạt: các thành phần cấu tạo nên vật chất được tổ chức thành ba nhóm hay thường được gọi là ba họ như được trình bày trong Bảng 1.1. Mỗi họ đều chứa hai quark, một electron hay một trong số hai hạt họ hàng của nó cùng với nơtrino gắn với chúng. Các loại hạt tương ứng trong cả ba họ đều có tính chất như nhau, chỉ có điều khối lượng của chúng lớn dần từ họ thứ nhất tới họ thứ ba. Kết quả là, hiện nay các nhà vật lý đã thăm dò được cấu trúc của vật chất tới các thang khoảng một phần tỷ mét và chứng tỏ được rằng mọi thứ mà ta gặp ? dù là có trong tự nhiên hay được con người tạo ra từ những máy va chạm nguyên tử khổng lồ - đều được tạo thành chỉ từ một tổ hợp nào đó của các hạt trong ba họ đó và các phản-hạt của chúng.

[TABLE]

Họ

| 1|

Họ

| 2|

Họ

| 3
Hạt|Khối lượng|Hạt|Khối lượng|Hạt|Khối lượng|
electron | 0,00054 | muon | 0,11 | tau | 1,9
nơtrino-e | < 10-8 | nơtrino-mu | < 0,0003 | nơtrino-tau | < 0,033
quark u | 0,0047 | quark c | 1,6 | quark t | 189
quark d | 0,0074 | quark s | 0,16 quark b | 5,2[/TABLE]
Bảng 1.1. Ba họ các hạt sơ cấp. Khối lượng của chúng được tính theo khối lượng của proton lấy làm đơn vị. Giá trị khối lượng của nơtrino luôn lảng tránh sự xác định bằng thực nghiệm

Nhìn vào Bảng 1.1., ta hiểu rõ hơn sự lúng túng của Rabi khi đối mặt với sự phát hiện ra hạt muon: sự sắp xếp các họ hạt dường như khá có tổ chức nhưng cũng lại đặt ra nhiều câu hỏi. Tại sao lại có nhiều hạt cơ bản đến thế, nhất là khi hầu hết các vật trong thế giới xung quanh chúng ta lại chỉ được tạo bởi electron, quark u và quark d? Tại sao lại cần tới những ba họ chứ không phải là một? Và tại sao lại không phải là bốn họ hay bất cứ một số họ nào khác? Tại sao khối lượng của các hạt lại có vẻ như được gán cho một cách ngẫu nhiên như vậy? Chẳng hạn, tại sao hạt tau lại nặng hơn electron tới ba ngàn năm trăm hai mươi lần? Và tại sao quark t lại nặng hơn hạt đồng loại với nó là quark u tới bốn mươi ngàn hai trăm lần ? Đó là những con số thật lạ lùng và dường như khá ngẫu nhiên. Liệu chúng có phải kết quả của sự ngẫu nhiên hay do một đấng thần thánh nào đó tạo ra, hoặc có một cách giải thích khoa học có thể hiểu được đối với tất cả những đặc điểm cơ bản đó của Vũ trụ chúng ta.

Các lực hay bản chất của photon

Mọi chuyện trở nên phức tạp hơn khi chúng ta xét tới các lực của tự nhiên. Thế giới xung quanh chúng ta đầy rẫy những phương tiện gây tác động: những chiếc vợt dập vào quả bóng, những vận động viên nhảy cầu có thể tung mình lao xuống từ những cầu nhảy cao, các nam châm lớn nâng những đoàn tàu cao tốc trên được ray riêng của chúng, các máy đếm Geiger phát tín hiệu khi có chất phóng xạ, những quả bom hạt nhân phát nổ... Và bản thân chúng ta cũng có thể tác động lên các vật bằng cách kéo, đẩy hoặc lắc chúng, bằng cách ném hoặc bắn các vật khác vào chúng, bằng cách kéo giãn, vặn xoắn hoặc nghiền nát chúng, hoặc bằng cách làm lạnh, đốt nóng, hoặc đốt cháy chúng... Trong suốt thế kỷ XX, các nhà vật lý đã tích luỹ được rất nhiều bằng chứng cho thấy tất cả những tương tác đó giữa các vật và các chất khác nhau, cũng như hàng triệu tương tác khác mà chúng ta gặp hằng ngày, đều có thể quy về những tổ hợp của bốn lực cơ bản. Một trong số bốn lực đó là lực hấp dẫn. Ba lực khác là lực điện từ và hai lực hạt nhân mạnh và yếu.

Trong số bốn lực trên, lực hấp dẫn là lực quen thuộc nhất. Chính lực này đã giữ cho Trái Đất của chúng ta quay quanh Mặt Trời và cũng nhờ nó mà bàn chân chúng ta bám chặt được vào mặt đất. Khối lượng của một vật là thước đo lực hấp dẫn mà nó có thể tác dụng cũng như lực hấp dẫn mà nó có thể bị tác dụng. Nó là nền tảng của những tiện nghi trong đời sống hiện đại (điện, TV, điện thoại, máy tính...), cũng như của sức mạnh đầy ấn tượng của sấm sét và ngay cả của cái vuốt ve dịu dàng của bàn tay. Ở thang vi mô, điện tích của hạt đóng vai trò đối với lực điện từ như là khối lượng đối với lực hấp dẫn: nó xác định cường độ của lực điện từ mà hạt đó có thể tác dụng cũng như cường độ phản ứng của nó đối với lực ấy.

Các lực hạt nhân mạnh và yếu ít quen thuộc hơn, đơn giản là vì cường độ của chúng giảm rất nhanh ở ngoài thang kích thước dưới nguyên tử. Chính vì thế mà rất gần đây, các nhà vật lý mới phát hiện ra chúng. Nhờ lực hạt nhân mạnh mà các quark vẫn còn ?dính? với nhau ở bên trong các proton và nơtron cũng như giữ chặt chính các hạt này bên trong hạt nhân nguyên tử. Còn lực yếu là lực gây ra sự phân rã phóng xạ của một số nguyên tố như urani, coban...

Trong suốt thế kỷ trước, các nhà vật lý cũng đã phát hiện ra hai điểm chung của tất cả các lực cơ bản. Thứ nhất, như chúng ta sẽ thấy trong Chương 5, ở mức vi mô, mỗi một lực đều tương ứng với một loại hạt mà ta có thể hiểu như là một ?bó? nhỏ nhất của lực đó. Nếu bạn bắn một chùm laser ? tức cũng là một chùm tia của bức xạ điện từ ? thì có nghĩa là bạn đã bắn một chùm hạt photon ? những bó nhỏ nhất của tương tác điện từ. Cũng tương tự, các lực yếu và mạnh có các bó sơ cấp tương ứng là các hạt boson yếu và các hạt gluon. (Cái tên gluon ở đây là rất gợi: chúng có thể được xem như là các thành phần vi mô của một ?chất keo? (tiếng Anh là glue) đảm bảo sự gắn kết của các hạt nhân nguyên tử). Ngay từ năm 1984, các nhà thực nghiệm đã xác lập được sự tồn tại cũng như tính chất của ba loại ?hạt tương tác? (xem Bảng 1.2). Còn graviton ? hạt tương tác gắn với lực hấp dẫn, mặc dù còn chưa có những khẳng định bằng thực nghiệm, nhưng các nhà vật lý hầu như đã tin vào sự tồn tại của chúng.

[TABLE]Lực | Hạt tương tác | Khối lượng
lực hạt nhân mạnh | gluon | 0
lực điện từ | photon | 0
lực hạt nhân yếu | các boson yếu | 86-97
lực hấp dẫn | graviton | 0[/TABLE]

Bảng 1.2. Đối với mỗi lực cơ bản đều cho hạt tương tác tương ứng và khối lượng của nó (tính theo đơn vị là khối lượng của proton). Đối với lực hạt nhân yếu, có nhiều hạt tương tác với khối lượng nhận một trong hai giá trị cho trong bảng. Sự không có khối lượng của graviton vẫn chỉ là giả thuyết.

Điểm chung thứ hai của tất cả các lực cơ bản liên quan tới các ?tích?: cũng hệt như khối lượng của các hạt do tác dụng của lực hấp dẫn lên nó, điện tích xác định cường độ của lực điện từ tác dụng lên hạt, các hạt mang ?tích yếu? hoặc ?tích mạnh? là những tính xác định cường độ của các lực yếu và lực mạnh tương ứng tác dụng lên hạt đó. (Chi tiết về tính chất của các hạt cơ bản được cho trong bảng ở phần Chú thích của bài này [1]). Điện tích và khối lượng đã được các nhà vật lý thực nghiệm đo đạc rất chính xác, nhưng thật không may, cho tới nay chưa có ai có thể giải thích được tại sao Vũ trụ của chúng ta lại tạo bởi những hạt mang đúng những giá trị khối lượng và điện tích đó?

Mặc dù có những điểm chung, nhưng việc xem xét bốn lực cơ bản lại đặt ra nhiều câu hỏi mới. Trước hết, tại sao lại là bốn lực? Tại sao không phải là năm, là ba hay thậm chí chỉ là một lực duy nhất? Tại sao các lực lại thể hiện những tính chất rất khác nhau như vậy? Tại sao các lực hạt nhân mạnh và yếu lại bị buộc chỉ đứng hoạt động ở mức vi mô, trong khi các lực hấp dẫn và điện từ lại có tầm tác dụng vô hạn? Và cũng tại sao, cường độ của bốn lực đó lại khác biệt nhiều như vậy?

Để bạn có được một ý niệm về sự khác biệt đó, hãy tưởng tượng mỗi tay bạn đều giữ một electron và cố đưa chúng lại gần nhau. Hai hạt tích điện và giống hệt nhau này sẽ hút nhau bởi lực hấp dẫn và đẩy nhau bởi lực điện từ. Vậy lực nào sẽ thắng thế? Các electron sẽ hút lại gần nhau hay đẩy nhau ra xa? Tất nhiên là lực đẩy sẽ thắng thế vì lực điện từ mạnh hơn lực hấp dẫn tới một triệu tỷ tỷ tỷ tỷ (1042) lần. Và nếu như cơ bắp ở tay phải bạn tượng trưng cho lực hấp dẫn, thì khi đó để tượng trưng cho lực điện từ, cơ bắp tay trái bạn phải kéo dài tới tận bên ngoài biên giới tận cùng của Vũ trụ mà ta quan sát được! Lý do duy nhất để giải thích tại sao lực điện từ không lấn át lực hấp dẫn trong thế giới bao quanh chúng ta là bởi vì phần lớn các vật được tạo bởi lượng điện tích dương và âm ngang nhau, do đó lực điện từ triệt tiêu lẫn nhau. Trong khi đó, lực hấp dẫn chỉ là hút, nên không có sự triệt tiêu như thế: càng có nhiều vật chất thì lực hấp dẫn chỉ càng mạnh thêm. Hơn thế nữa, về bản chất lực hấp dẫn là một lực cực yếu. (Điều này giải thích tại sao khẳng định bằng thực nghiệm sự tồn tại của graviton là một việc rất khó. Do vậy, việc tìm kiếm cái bó nhỏ nhất đó của lực yếu nhất này quả là một thách thức). Thực nghiệm cũng đã chứng tỏ được rằng lực mạnh lớn gấp một trăm lần lực điện từ và lớn gấp một ngàn lần lực yếu. Và ở đây, một lần nữa, một câu hỏi được đặt ra là: do đâu mà Vũ trụ chúng ta lại có những đặc điểm đó ?

Đây không phải là câu hỏi được sinh ra từ sự triết lý bàn trà kiểu như tại sao một số chi tiết lại xảy ra theo cách này mà không theo cách khác. Vấn đề là ở chỗ Vũ trụ sẽ khác đi rất nhiều nếu ta làm thay đổi, dù chỉ là tí chút, những tính chất của vật chất và các hạt tương tác. Ví dụ, sự tồn tại của các hạt nhân bền vững tạo nên hơn một trăm nguyên tố trong Bảng tuần hoàn phụ thuộc một cách sít sao vào tỷ số giữa cường độ của lực hạt nhân mạnh và cường độ của lực điện từ. Thực vậy, lực điện từ giữa các proton bị giam bên trong hạt nhân làm cho chúng đẩy nhau, trong khi đó, thật may mắn, lực hạt nhân mạnh tác dụng giữa các hạt quark tạo nên chúng lại thắng lực đẩy này và giữ chặt các proton lại với nhau. Nhưng chỉ cần một thay đổi nhỏ trong cường độ tương đối của hai lực đó là sự cân bằng giữa chúng sẽ bị phá vỡ và có thể sẽ làm cho phần lớn các hạt nhân nguyên tử bị phân rã. Một ví dụ khác: nếu khối lượng của electron lớn hơn một chút, các electron và proton sẽ có xu hướng kết hợp với nhau để tạo thành nơtron, khi đó thì nguyên tử hiđrô (nguyên tố đơn giản nhất trong Vũ trụ với hạt nhân chỉ gồm một proton duy nhất) sẽ biến mất và do đó làm cho quá trình sản xuất ra các nguyên tố phức tạp hơn bị ngừng trệ. Các ngôi sao chỉ tồn tại được là nhờ vào sự tổng hợp các hạt nhân trong lòng của chúng, với sự thay đổi này, cũng sẽ không còn các ngôi sao nữa. Ở đây cường đồ của lực hấp dẫn cũng đóng vai trò quan trọng. Mật độ lớn của vật chất trong lõi của các ngôi sao có tác dụng duy trì lò lửa hạt nhân trong đó và dẫn tới sự phát sáng của các ngôi sao. Nếu như lực hấp dẫn mạnh hơn một chút, lõi của các ngôi sao sẽ hút mạnh hơn và do đó sẽ làm tăng nhịp độ diễn ra các phản ứng tổng hợp hạt nhân. Cũng giống như các bó đuốc sáng sẽ tiêu thụ nhiên liệu nhanh hơn một ngọn nến cháy chậm rãi, nếu nhịp độ xảy ra các phản ứng tổng hợp hạt nhân gia tăng, thì các ngôi sao như Mặt Trời của chúng ta sẽ tắt nhanh hơn và do đó việc tạo thành sự sống như chúng ta đã biết sẽ hoàn toàn là chuyện đáng ngờ. Trái lại, nếu lực hấp dẫn yếu hơn một chút, vật chất sẽ phân tán và do đó sẽ không có các ngôi sao cũng như chẳng có các thiên hà.

Những ví dụ trên còn có rất nhiều, nhưng ý tưởng này đã là rõ ràng: Vũ trụ của chúng ta như nó hiện nay là bởi vì vật chất và các tương tác của chúng có những tính chất như chúng đang có. Nhưng liệu có một giải thích khoa học cho câu hỏi: Tại sao chúng lại có những tính chất đó?

Bảng dưới đây khá chi tiết hơn so với Bảng 1.1., trong đó liệt kê khối lượng, tích lực của các hạt thuộc cả ba họ. Mỗi loại quark mang ba tích lực mạnh khả dĩ được gọi văn vẻ là ba tích màu, tượng trưng cho giá trị bằng số của ba tích lực mạnh. Các tích yếu thực chất là ?thành phần thứ ba? của isospin yếu.

[TABLE]||Họ I||
Hạt |Khối lượng |Điện tích |Tích yếu |Tích mạnh
Êlectron |0,00054 |-1|-1/2 |0
Nơtrinô-eclectron |< 10-8|0|1/2|0
Quark u|0,0047|2/3|1/2|đỏ, lục, lam
Quark d |0,0074|-1/3|-1/2|đỏ, lục, lam
||Họ II||
Hạt|Khối lượng|Điện tích|Tích yếu|Tích mạnh
Muon|0,11|-1|-1/2|0
Nơtrinô-muon |< 0,0003|0 |1/2 |0
Quark c |1,6 |2/3 |1/2|đỏ, lục, lam
Quark s|0,16|-1/3 |-1/2|đỏ, lục, lam
||Họ III||
Hạt|Khối lượng|Điện tích|Tích yếu|Tích mạnh
Tau|1,9 |-1|-1/2|0
Nơtrinô-tau |< 0,033|0 |1/2|0
Quark t |189 |2/3 |1/2|đỏ, lục, lam
Quark b |5,2 |-1/3 |-1/2 |đỏ, lục, lam[/TABLE]

[umivungtau]

Brian Greene

Giai điệu dây và bản giao hưởng vũ trụ

Phần I - Ở biên giới của trí thức

Chương I - Được kết nối bởi các dây(3)

Lý thuyết dây cho chúng ta một khuôn khổ giải thích duy nhất cho vật chất và tất cả các tương tác của nó mà chỉ dựa trên một nguyên lý duy nhất: ở cấp độ nhỏ nhất, tất cả chỉ là những tổ hợp của các dây dao động.

Lý thuyết dây: ý tưởng cơ bản

Lý thuyết dây lần đầu tiên đã cho một khuôn mẫu khái niệm mạnh mẽ cho phép trả lời được những câu hỏi mà chúng ta đã nêu ở trên. Trước hết chúng ta hãy làm quen với ý tưởng cơ bản của nó.

Các hạt được liệt kê trong Bảng 1.1 là ?những chữ cái? của vật chất. Cũng giống như bảng các chữ cái, chúng không có cấu trúc nội tại. Nhưng lý thuyết dây lại tuyên bố khác. Theo lý thuyết này, nếu chúng ta có thể xem xét các hạt đó với độ chính xác cao hơn ? cao hơn nhiều bậc so với độ chính xác của khả năng công nghệ hiện nay ? thì chúng ta sẽ thấy rằng mỗi một hạt đó không có dạng điểm, mà thay vì thế chúng gồm một vòng dây nhỏ xíu một chiều. Giống như một dải cao su cực mảnh, mỗi một hạt này chứa một sợi dây nhảy múa và dao động, mà các nhà vật lý do không có cái duyên văn học của Gell-Mann đã đặt tên cho nó là dây. Hình 1.1. minh hoạ ý tưởng căn bản này của lý thuyết dây: xuất phát từ một mẩu vật chất thông thường ? một quả táo ? và liên tiếp được phóng đại để nhìn rõ những thành phần ngày càng ở thang nhỏ hơn của nó. Lý thuyết dây đã thêm một cấp độ vi mô mới, nhỏ bé nhất ? cấp độ của các vòng dây dao động ? vào tiến trình mà ta đã biết trước, từ quả táo tới các nguyên tử qua proton, nơtron, rồi electron đến quark [1].

Hình 1.1. Vật chất được cấu tạo từ các nguyên tử, rồi các nguyên tử lại được tạo thành từ các quark và electron. Theo lý thuyết dây, tất cả các hạt đó lại được tạo thành từ các dây dao động.

Mặc dù điều này đã hoàn toàn rõ ràng, nhưng chúng ta sẽ thấy trong Chương 6 rằng việc thay thế các thành phần cơ bản nhất của vật chất có dạng điểm bằng các dây đã giải quyết được sự không tương thích giữa cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng. Và như vậy lý thuyết dây đã cho phép ta gỡ được cái nút nan giải nhất của vật lý hiện đại. Đây là một thành tựu to lớn, nhưng mới chỉ là một phần của cái lý do khiến cho lý thuyết dây đã tạo ra được một sự phấn khích đến như vậy.

Lý thuyết dây ? lý thuyết của tất cả?

Vào thời Einstein, các lực hạt nhân yếu và mạnh còn chưa được phát hiện, nhưng ông đã thấy rằng sự tồn tại của hai lực khác biệt là lực hấp dẫn và lực điện từ đã gây ra những khó khăn rất sâu sắc. Einstein đã không chấp nhận chuyện tự nhiên lại được xây dựng trên một bản thiết kế phung phí như vậy. Ông đã lao vào một cuộc hành trình kéo dài 30 năm để tìm kiếm cái gọi là lý thuyết trường thống nhất mà ông hy vọng sẽ chứng tỏ được hai lực này thực sự chỉ là những biểu hiện khác nhau của một nguyên lý lớn. Cuộc tìm kiếm đầy ảo tưởng đó đã tách Einstein ra khỏi dòng chính của vật lý học thời đó. Những nhà vật lý cùng thời với ông đang mải mê lao vào những nghiên cứu sôi động hơn nhiều trong khuôn khổ của vật lý lượng tử vừa mới xuất hiện. Vào đầu những năm 1940, ông đã viết cho một người bạn: ?Tôi đã trở thành một lão già đơn độc được biết tới chỉ vì không mang vớ và được trưng bày trong những dịp lễ lạt lớn như là một thứ của lạ? [2].

Chẳng qua đơn giản là vì Einstein đã đi trước thời đại mình. Hơn một nửa thế kỷ sau, giấc mơ về một lý thuyết thống nhất của ông đã trở thành mục tiêu của vật lý hiện đại. Hiện nay, một bộ phận đáng kể của cộng đồng các nhà vật lý và toán học đang ngày càng tin rằng lý thuyết dây đang đi theo con đường đúng. Lý thuyết này cho chúng ta một khuôn khổ giải thích duy nhất cho vật chất và tất cả các tương tác của nó mà chỉ dựa trên một nguyên lý duy nhất: ở cấp độ nhỏ nhất, tất cả chỉ là những tổ hợp của các dây dao động.

Chẳng hạn, lý thuyết dây khẳng định rằng các tính chất của những hạt đã biết (được liệt kê trong các Bảng 1.1. và 1.2.) chỉ là sự phản ánh những cách dao động khác nhau của các dây. Cũng giống như các dây đàn Piano hay Violon có thể dao động theo nhiều tần số cộng hưởng mà tai ta cảm nhận như những nốt nhạc khác nhau và các họa ba bậc cao của chúng, điều này cũng đúng đối với các vòng của lý thuyết dây. Nhưng như chúng ta sẽ thấy, những mode dao động của dây trong lý thuyết dây không tạo ra những nốt nhạc mà chúng là các hạt có khối lượng và điện tích được xác định bởi mode dao động đó. Electron là một kiểu dao động của dây, quark u là một kiểu dao động khác v.v. Những tính chất mà lý thuyết dây trao cho các hạt hoàn toàn không phải là một tập hợp hổ lốn các sự kiện thực nghiệm mà chúng là sự thể hiện của cùng một đặc điểm vật lý, đó là các mode dao động cộng hưởng, hay có thể nói là giai điệu của những vòng dây sơ cấp đó. Chính ý tưởng này cũng được áp dụng cho các lực của tự nhiên. Chúng ta cũng sẽ thấy rằng các hạt lực cũng được gắn với những mode dao động cụ thể của dây, và từ đó mà toàn bộ vật chất và tất cả các lực sẽ được thống nhất trong cùng một khuôn khổ những dao động vi mô của các dây, như những nốt nhạc khác nhau mà các dây có thể tạo ra.

Do đó đây là lần đầu tiên trong lịch sử vật lý chúng ta có được một khuôn khổ có thể giải thích được từng đặc trưng cơ bản của tự nhiên. Vì lý do đó mà lý thuyết dây đôi khi được xem là ?lý thuyết cuối cùng?. Với những lời lẽ to tát đó, thực ra người ta chỉ muốn nói rằng lý thuyết này sẽ là một lý thuyết sâu sắc nhất của tất cả những lý thuyết khác và không phải dựa trên một lý thuyết nào. Tuy nhiên, nhiều nhà lý thuyết dây có một cách tiếp cận thực tế hơn, họ xem lý thuyết về ?tất cả? đơn giản chỉ là một lý thuyết có khả năng giải thích được những tính chất của các hạt cơ bản và các tương tác giữa chúng. Một nhà quy giản luận thuần tuý và cứng rắn chắc sẽ nói với bạn rằng đó hoàn toàn không phải là sự hạn chế, rằng sự hiểu biết các quá trình vi mô sơ cấp, về nguyên tắc, là đủ để chúng ta giải thích được tất cả những thứ còn lại, từ Big Bang cho tới tận những giấc mơ của chúng ta.

Triết lý quy giản luận đã gây ra những cuộc tranh luận gay gắt. Nhiều người thấy rằng sẽ thật là ngớ ngẩn và dễ gây phẫn nộ nếu cho rằng những điều kỳ diệu của sự sống và của Vũ trụ chỉ đơn giản là kết quả của cái vũ điệu tẻ nhạt của các hạt cơ bản dưới sự chỉ huy của các định luật vật lý. Lẽ nào niềm vui hay nỗi buồn thực sự chỉ là kết quả của những phản ứng hóa học ở bên trong bộ não của chúng ta ? những phản ứng giữa các phân tử và nguyên tử, những hạt mà ở thang nhỏ hơn lại là kết quả của những phản ứng giữa các hạt được liệt kê trong Bảng 1.1. và chính những hạt này lại chỉ đơn giản là các sợi dây nhỏ bé dao động ? Đối mặt với kiểu phê phán đó, lời lẽ của nhà vật lý được giải Nobel Steven Weinberg trong cuốn Giấc mơ về một lý thuyết cuối cùng vẫn còn rất thận trọng:

?Ở đầu phổ bên kia là những người phản đối quy giản luận những người hoảng sợ trước cái mà họ cảm thấy sẽ là cảnh tiêu điều khô cằn của khoa học hiện đại. Trong bất kỳ phạm vi nào, họ và thế giới của họ đều có thể quy về khuôn khổ của các hạt hoặc trường cùng với những tương tác của chúng và điều đó khiến cho họ cảm thấy giá trị của mình bị hạ thấp... Tôi không có ý định trả lời những ý kiến phê bình đó bằng một bản trình bày hùng hồn về những vẻ đẹp của khoa học hiện đại. Hẳn nhiên, quan điểm quy giản luận khiến chúng ta đều cảm thấy ớn lạnh sống lưng. Nhưng chúng ta đã chấp nhận nó như vốn có, không phải bởi vì nó khiến chúng ta thích thú mà bởi vì thế giới của chúng ta vận hành đúng như vậy? [3].

Một số người đồng ý với quan điểm khắc nghiệt nhưng thực tế đó, song không phải là tất cả.

Một số người đã viện đến, chẳng hạn như lý thuyết hỗn độn, để biện luận rằng mỗi khi độ phức tạp của một hệ thống tăng lên thì sẽ lại xuất hiện những dạng định luật mới. Việc hiểu được hành trạng của các electron hay các quark là một chuyện, còn áp dụng những tri thức này để mô tả một cơn lốc, chẳng hạn, lại là một chuyện khác. Gần như không có phản đối điều đó. Nhưng các ý kiến bắt đầu phân kỳ ngay khi nói về tính đa dạng và đặc tính đôi khi bất ngờ của các hiện tượng có thể xuất hiện từ những hệ thống phức tạp hơn những hạt đơn lẻ. Phải chăng chúng là hệ quả của những nguyên lý mới? Hay những hiện tượng đó có thể được suy ra một cách cực kỳ phức tạp từ những quy luật vật lý chi phối một số rất lớn các thành phần sơ cấp? Cảm giác riêng của tôi là chúng không phải là thể hiện của những định luật vật lý mới và độc lập. Tất nhiên, sẽ là rất khó khăn khi phải mô tả một cơn lốc bằng những định luật của vật lý hạt cơ bản, nhưng tôi thấy vấn đề ở đây chỉ là do thiếu các phương tiện tính toán chứ không phải là dấu hiệu của sự cần phải có những định luật mới. Nhưng lại một lần nữa không phải mọi người đều đồng ý với quan điểm đó.

Một điểm có tầm quan trọng hàng đầu đối với cuộc phiêu lưu được mô tả trong cuốn sách này và không ai có thể nghi ngờ, đó là: thậm chí ngay cả khi ta chấp nhận quan điểm quy giản luận thuần tuý và cứng rắn nhất đi nữa thì lý thuyết và thực tiễn vẫn là hai chuyện khác nhau. Hầu hết mọi người đều thừa nhận rằng việc tìm ra ?lý thuyết về tất cả? hoàn toàn không có nghĩa là tất cả những vấn đề của tâm lý học, sinh học, hóa học và thậm chí của vật lý học nữa sẽ được giải quyết hết. Vũ trụ cực kỳ đa dạng và phức tạp tới mức sự phát minh ra lý thuyết cuối cùng theo nghĩa chúng ta mô tả ở đây không hề là lời tuyên bố cáo chung của khoa học. Mà hoàn toàn ngược lại. Lý thuyết này, lý thuyết cho sự giải thích tối hậu về Vũ trụ ở cấp độ vi mô nhất của nó và không dựa trên một cách giải thích nào khác ở cấp độ sâu hơn, sẽ cung cấp cho ta một nền tảng vững chắc nhất để xây dựng nên sự hiểu biết của chúng ta về thế giới. Sự phát minh ra lý thuyết đó đánh dấu một sự khởi đầu chứ không phải kết thúc. Lý thuyết tối hậu mang lại cho chúng ta một cơ sở vững chắc cho sự nhất quán và vĩnh viễn đảm bảo cho chúng ta rằng Vũ trụ là có thể hiểu được.

[1] Ngoài các vòng dây kín như minh hoạ trên Hình 1.1, các dây cũng có thể có hai đầu tự do (gọi là các dây hở). Để dễ trình bày, chúng tôi chủ yếu tập trung xét các dây kín, nhưng phần lớn những điều chúng tôi nói áp dụng được cả cho hai loại dây.

[2] Albert Einstein, trong bức thư gửi cho một người bạn năm 1942, được trích trong cuốn Einstein?s Mirror của Tony Hey và Patrick (Cambridge University Press, 1997).

[3] Steven Weinberg, Dreams of a Final Theory (Pantheon, 1992), trang 52.

Hiện trạng của lý thuyết dây

Mục đích chủ yếu của cuốn sách này là giải thích sự hoạt động của Vũ trụ theo lý thuyết dây và đặc điểm nhấn mạnh tới những hệ quả của nó đối với sự nhận thức của chúng ta về không gian và thời gian. Không giống như nhiều tác phẩm khác viết về sự tiến bộ của khoa học, cuốn sách mà bạn đang cầm trong tay đây không mô tả một lý thuyết đã hoàn toàn sáng tỏ, đã được khẳng định bởi nhiều quan sát thực nghiệm và đã được toàn thể cộng đồng khoa học thế giới chấp nhận. Sở dĩ như vậy là do, lý thuyết dây là một cấu trúc lý thuyết rất sâu sắc và tinh xảo tới mức, mặc dù đã có những tiến bộ rất lớn trong hai chục năm trở lại đây, nhưng chúng ta còn xa mới có thể tuyên bố là đã làm chủ được hoàn toàn.

Do vậy, lý thuyết dây nên được xem như một công trình đang thi công, nhưng những bộ phận đã được hoàn tất của nó đã hé lộ những đặc trưng lạ lùng của vật chất, không gian và thời gian. Sự kết hợp hài hòa được thuyết tương đối rộng với cơ học lượng tử là một thành công chủ yếu. Hơn nữa, không giống như những lý thuyết trước đó, lý thuyết dây có khả năng trả lời được những câu hỏi căn bản nhất về những thành phần và các lực cơ bản của tự nhiên, đó là sự thanh nhã của cả những câu trả lời lẫn khuôn khổ để trả lời mà lý thuyết dây đã đưa ra. Chẳng hạn, rất nhiều đặc điểm của tự nhiên tưởng như chỉ đơn giản là những chi tiết có tính kỹ thuật (như số lượng các hạt cơ bản và những tính chất tương ứng của chúng) thì hóa ra lại là hệ quả của một số đặc trưng căn bản và cụ thể là đặc trưng hình học của Vũ trụ. Nếu như lý thuyết dây là đúng, thì cấu trúc vi mô của Vũ trụ chúng ta sẽ là một mê lộ đa chiều đan xen nhau, trong đó các dây của Vũ trụ không ngừng dao động và vặn xoắn nhịp theo những định luật của Vũ trụ. Các tính chất của những viên gạch sơ cấp cấu tạo nên Vũ trụ hoàn toàn không phải là dãy những chi tiết ngẫu nhiên mà gắn bó một cách mật thiết với cấu trúc của không gian và thời gian.

Tuy nhiên, theo những phân tích mới nhất, lý thuyết này vẫn chưa có những tiên đoán có tính chất quyết định có thể kiểm chứng bằng thực nghiệm để xác định dứt khoát nó đã thực sự vén được bức màn bí mật che giấu những chân lý sâu xa nhất của Vũ trụ chúng ta hay chưa. Có lẽ phải cần một thời gian nữa, khi mà sự hiểu biết của chúng ta đạt tới đủ độ sâu cần thiết, chúng ta mới có thể đến được mục tiêu đó. Tuy nhiên, như chúng ta sẽ thấy trong Chương 9, những kiểm chứng thực nghiệm trong vòng chục năm tới vẫn có thể tạo ra được những bằng chứng gián tiếp nhưng vững chắc về sự đúng đắn của một số kết quả do lý thuyết dây tiên đoán. Hơn thế nữa, như chúng ta sẽ thấy trong Chương 13, lý thuyết dây vừa mới giải quyết được một bài toán trung tâm của vật lý các lỗ đen, liên quan tới cái gọi là entropy Bekenstein ? Hawking, mà các phương pháp thông thường đã bất lực trong suốt 25 năm. Nhờ có thành công đó, nhiều người đã tin rằng lý thuyết dây sẽ cho chúng ta một sự hiểu biét sâu sắc nhất về sự hoạt động vủa Vũ trụ.

Edward Witten, một chuyên gia hàng đầu và là nhà vật lý tiên phong trong lĩnh vực này, đã tổng kết tình hình trên trong nhận xét rằng: ?lý thuyết dây là một bộ phận của vật lý thế kỷ XXI đã tình cờ rơi xuống thế kỷ XX? [1] - (một đánh giá được nêu ra đầu tiên bởi nhà vật lý nổi tiếng người Italia ? Daniele Amati). Về một phương diện nào đó, điều này cũng tương tự như chúng ta đặt các nhà bác học của thế kỷ XIX trước một siêu máy tính mà không có tài liệu hướng dẫn sử dụng. Dần dà, bằng những bước đi dò dẫm, rồi họ cũng sẽ hiểu được sức mạnh của chiếc máy đó, nhưng họ sẽ còn phải bỏ ra nhiều sức lực và thời gian mới có thể làm chủ được nó. Những mách bảo về tiềm năng của chiếc máy đó (cũng như chúng ta cảm nhận được sức mạnh giải thích của lý thuyết dây) sẽ mang lại cho họ một động cơ cực kỳ mạnh mẽ để chinh phục hết những tính năng của nó. Ngày hôm nay, một động cơ tương tự cũng đang thôi thúc cả một thế hệ các nhà vật lý hăm hở tìm kiếm một sự hiểu biết đầy đủ và chính xác về lý thuyết dây.

Ý kiến của Witten và của nhiều chuyên gia khác trong lĩnh vực này chỉ ra rằng phải mất hàng chục thậm chí hàng trăm năm nữa chúng ta mới triển khai được đầy đủ và mới thực sự hiểu hết lý thuyết dây. Có lẽ đúng là như vậy. Thực tế, cơ sở toán học của lý thuyết dây phức tạp tới mức, cho tới nay chưa có ai biết được những phương trình chính xác chi phối lý thuyết này là như thế nào. Các nhà nghiên cứu chỉ mới biết một số dạng gần đúng của các phương trình đó, nhưng dù thế chúng cũng đã quá phức tạp và do đó mới chỉ giải được một phần. Tuy nhiên, vào cuối những năm 1900 người ta đã chứng kiến nhiều đột phá lý thuyết quan trọng cho phép trả lời được nhiều câu hỏi cực kỳ khó về mặt lý thuyết. Và điều này khiến người ta nghĩ rằng sự hiểu biết lý thuyết dây một cách đầy đủ về mặt định tính không phải quá xa vời như người ta tưởng. Các nhà vật lý trên khắp thế giới đang phát triển những kỹ thuật mới hòng vượt qua nhiều phương pháp gần đúng đã được dùng cho tới nay. Họ cùng nhau lắp ghép những mảnh rời rạc của câu đố ghép hình là lý thuyết dây của chúng ta với một tốc độ rất đáng khích lệ.

Một điều lạ lùng là, những tiến bộ mới đây đã làm xuất hiện nhiều quan niệm mới cho phép giải thích lại một số khía cạnh kiến trúc của lý thuyết mà người ta tưởng là đã được xác lập. Chẳng hạn, nhìn hình 1.1. bạn có thể nảy ra một câu hỏi rất tự nhiên là: tại sao lại là dây? Tại sao không phải là các đĩa? Hay không phải là những giọt cực nhỏ? Hay thậm chí không là tổ hợp của ba khả năng đó? Như chúng ta sẽ thấy trong Chương 12, những thành tựu mới nhất cho thấy rằng các phần tử khác nhau này thực tế đều đóng một vai trò quan trọng trong lý thuyết dây và đã phát hiện ra rằng lý thuyết dây thực sự chỉ là bộ phận của một sự tổng hợp rộng lớn hơn thường được gọi (một cách bí ẩn) là lý thuyết M. Những phát minh mới nhất đó sẽ là đề tài được đề cập tới trong những chương cuối cùng của cuốn sách này.

Sự tiến bộ của khoa học thường diễn ra theo từng đợt. Một số thời kỳ dồn dập những đột phá ngoạn mục, trong khi những thời kỳ khác đối với các nhà nghiên cứu chỉ là những chặng đường dằng dặc qua sa mạc. Các nhà khoa học đưa ra những kết quả cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm rồi sau đó được cả cộng đồng khoa học thảo luận. Những kết quả đó đôi khi có thể bị từ chối vứt bỏ hoặc được sửa đổi, nhưng đôi khi chúng cũng mang lại một chớp lửa cảm hứng cần thiết để tìm ra một con đường mới và chính xác hơn để hiểu cái vũ trụ vật lý của chúng ta. Nói một cách khác, khoa học luôn đi theo một con đường zig zac tới cái mà chúng ta hy vọng sẽ là chân lý cuối cùng. Con đường đó bắt đầu từ những toan tính thăm dò Vũ trụ đầu tiên của con người nhưng chưa ai đoán được điểm tận cùng của nó. Và cũng không ai có thể nói được, trên con đường dằng dặc đó, lý thuyết dây đơn giản chỉ là một điểm dừng, một điểm mốc quan trọng hay chính là đích cuối cùng. Dẫu sao, những nghiên cứu miệt mài của nhiều nhà vật lý và toán học thuộc nhiều quốc tích khác nhau trong suốt hai chục năm qua đã cho chúng ta một cơ sở để hy vọng rằng chúng ta đang đi theo con đường đúng và có thể cũng là con đường cuối cùng.

Riêng chuyện ở trình độ chưa cao như chúng ta hiện nay mà đã có thể rút ra được những kết luận mới về sự hoạt động của Vũ trụ cũng đã chứng tỏ sự giàu có và tầm vóc của lý thuyết dây. Sợi chỉ trung tâm xuyên suốt trong những phần tiếp sau sẽ là những phát triển nhằm đẩy xa hơn nữa cuộc cách mạng trong quan niệm của chúng ta về không gian và thời gian, một cuộc cách mạng đã được khởi phát bởi các thuyết tương đối hẹp và rộng của Einstein. Chúng ta sẽ thấy rằng, nếu lý thuyết dây là đúng, thì cấu trúc của Vũ trụ chúng ta có những tính chất mà ngay cả Einstein cũng phải kinh ngạc.

[1] Phỏng vấn Edword Witten, 11 tháng 5 năm 1998.

[umivungtau]

Hệ thống quảng cáo SangNhuong.com

Giai điệu dây và bản giao hưởng vũ trụ (4)

... 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...

Phần II

Không gian, thời gian và các lượng tử

Chương 2

Không gian, thời gian và người quan sát

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.

[chyngjeeng]

Giai điệu dây và bản giao hưởng vũ trụ (5)

Nguyên lý tương đối 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.

Nguyên lý tương đối

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.

[thanhhai]

Hệ thống quảng cáo SangNhuong.com

Giai điệu dây và bản giao hưởng vũ trụ (6)

Định nghĩa thời gian một cách trừu tượng là việc không dễ dàng. Những ý định làm điều đó thường rồi cuối cùng lại phải dùng chính từ ?thời gian? hoặc những uốn éo ngôn ngữ để lảng tránh từ đó. Vì vậy, chúng ta sẽ không đi theo con đường đó, mà chọn một quan điểm thực dụng hơn và định nghĩa thời gian là cái được đo bởi các đồng hồ.

Chân lý và những hệ quả

Vận tốc là thước đo độ nhanh chậm chuyển động của một vật trong một khoảng thời gian đã cho. Nếu bạn cho xe chạy với vận tốc 100 km/h thì điều đó có nghĩa là bạn sẽ đi được quãng đường 100 km nếu bạn duy trì được trạng thái chuyển động đó trong một giờ. Với định nghĩa như trên xem ra vận tốc là một khái niệm quá ư bình thường, điều này khiến bạn có thể ngạc nhiên là tại sao chúng ta lại phải quá bận tâm về vận tốc của quả lựu đạn, của tuyết rơi và của các photon đến như vậy. Tuy nhiên, bạn cần lưu ý rằng khoảng cách (hay quãng đường) là một khái niệm về không gian và đặc biệt nó là thước đo khoảng không gian giữa hai điểm. Cũng lại phải lưu ý rằng khoảng thời gian là một khái niệm về thời gian - nó cho biết có bao nhiêu thời gian ngăn cách giữa hai sự kiện. Do đó, vận tốc liên quan một cách mật thiết với những quan niệm của chúng ta về không gian và thời gian. Khi chúng ta diễn giải vận tốc theo cách vừa nêu ở trên, chúng ta thấy rằng bất cứ một sự kiện thực nghiệm nào thách thức quan niệm thông thường của chúng ta về vận tốc, ví dụ như sự không đổi của vận tốc ánh sáng chẳng hạn, thì nó cũng có khả năng thách thức những quan niệm thông thường của chúng ta về không gian và thời gian. Chính vì lý do đó, mà sự thực lạ lùng về vận tốc ánh sáng rất đáng để chúng ta phải xem xét một cách kỹ lưỡng. Đó là điều mà Einstein đã làm và đã đưa ông tới những kết luận đầy kinh ngạc.

Ảnh hưởng của chuyển động đến thời gian (I)

Dùng tính không đổi của vận tốc ánh sáng ta dễ dàng chứng minh được rằng quan niệm thông thường của chúng ta về thời gian là hoàn toàn sai lầm. Ta hãy hình dung lãnh tụ của hai nước đang có chiến tranh, ngồi ở hai đầu đối diện nhau bên bàn đàm phán, vừa mới thoả thuận xong hiệp ước ngừng bắn, nhưng không ai muốn đặt bút ký trước cả. Lúc này Tổng thư ký Liên hiệp quốc đã nảy ra một giải pháp tuyệt vời. Ông đề nghị đặt một bóng đèn được bật, ánh sáng từ bóng đèn sẽ đồng thời tới chỗ ngồi của hai vị tổng thống, vì họ ngồi cách bóng đèn những khoảng bằng nhau. Và mỗi vị tổng thống sẽ ký vào một bản hiệp ước khi nhìn thấy đèn sáng. Kế hoạch này đã được thực hiện và bản hiệp ước đã được ký kết với sự hài lòng của cả hai bên.

Hể hả với thành công đó, ông Tổng thư ký lại dùng chính biện pháp đó với hai quốc gia khác đang giao chiến khác cũng vừa mới đạt được thoả thuận hoà bình. Chỉ có điều khác là hai vị lãnh đạo tham gia trong cuộc đàm phán này lại ngồi đối diện nhau ở hai đầu bàn đặt trong một toa xe lửa chuyển động với vận tốc không đổi. Thật khéo bố trí là tổng thống nước Tiền Hành lại ngồi ở phía đầu bàn nhìn về phía đầu tàu. Vốn am hiểu nguyên lý nói rằng các định luật vật lý là hoàn toàn như nhau bất kể trạng thái chuyển động miễn sao chuyển động này là đều, ông Tổng thư ký đã không bận tâm tới vị trí ngồi khác nhau của hai vị lãnh đạo và cho tiến hành lễ ký kết được khởi phát bởi một bóng đèn như đã làm trong trường hợp trước. Cả hai tổng thống đã ký hiệp ước và cùng với đoàn cố vấn của cả hai bên ăn mừng về sự chấm dứt thù địch giữa hai nước.

Đúng lúc đó có tin trên sân ga đã xảy ra cuộc ẩu đả của dân hai nước đến quan sát lễ ký kết. Tất cả những người tham gia cuộc đàm phán trên tàu đều vô cùng bàng hoàng khi nghe nói rằng nguyên do của sự thù địch mới nổ ra là bởi dân nước Tiền Hành nói rằng họ đã bị lừa bịp vì tổng thống của họ đã đặt bút ký trước đức vua nước Hậu Hành. Vì mọi người trên tàu của cả hai bên đều nhất trí là hiệp ước đã được ký đồng thời, thế thì tại sao những người đứng quan sát bên ngoài trên sân ga lại có thể nghĩ khác?

Chúng ta xem xét kỹ lưỡng hơn quan điểm của người quan sát trên sân ga. Ban đầu, bóng đèn trên tàu chưa bật và sau đó ở một thời điểm đặc biệt nó được bật sáng và phóng chùm sáng về phía cả hai vị tổng thống. Theo quan điểm của người đứng trên sân ga, thì tổng thống của nước Tiền Hành tiến về phía chùm sáng trong khi đó đức vua nước Hậu Hành lùi ra chùm sáng tới. Như vậy, theo người quan sát trên sân ga thì điều này có nghĩa là, chùm sáng tới được tổng thống chỉ phải đi quãng đường ngắn hơn, do tổng thống tiến về phía nó, so với quãng đường đến được tới đức vua vì đức vua lùi ra xa nó. Điều này không đả động gì đến vận tốc ánh sáng vì như chúng ta đã nói bất chấp trạng thái chuyển động của nguồn sáng và người quan sát, vận tốc của ánh sáng đều như nhau. Thay vì thế chúng ta chỉ mô tả khoảng cách mà ánh sáng phải đi cho tới khi đến được tổng thống và đức vua theo quan điểm của người quan sát trên sân ga. Vì khoảng cách này đối với tổng thống là nhỏ hơn so với đức vua và vì vận tốc ánh sáng hướng tới mỗi người là như nhau, nên ánh sáng sẽ tới tổng thống của nước Tiền Hành sớm hơn. Và điều này giải thích tại sao dân nước này tuyên bố rằng họ đã bị lừa.

Khi đài CNN phát đi lý lẽ của những người chứng kiến, ông Tổng thư ký, tổng thống và đức vua hai nước cùng với các cố vấn của họ không thể tin vào tai mình nữa. Tất cả họ đều nhất trí rằng bóng đèn đã được lắp chặt ở chính giữa tổng thống và đức vua do đó dứt khoát là ánh sáng từ bóng đèn phát ra sẽ phải đi cùng một quãng đường đến đức vua và tổng thống. Vì vận tốc của ánh sáng đi sang phải sang trái đều như nhau, nên họ tin rằng ánh sáng đó sẽ đến hai vị lãnh đạo một cách đồng thời. Những quan sát của mỗi nhóm và lời giải thích biện hộ của họ đều không chê vào đâu được. Và câu trả lời là cả hai đều có lý cả. Giống như hai nhà du hành Goerge và Gracie, quan điểm của mỗi người đều có một phần chân lý như nhau. Sự lắt léo duy nhất ở đây là: ?chân lý? tương ứng của hai bên dường như lại mâu thuẫn nhau. Về mặt chính trị, kết cục của cuộc tranh cãi này là rất quan trọng: Liệu tổng thống và đức vua có ký hiệp ước một cách đồng thời hay không? Những quan sát và suy luận nêu ở trên không khỏi dẫn chúng ta tới kết luận rằng theo những người ở trên tàu thì họ đã ký đồng thời còn theo những người ở sân ga thì không phải như vậy. Nói một cách khác, những sự kiện có thể đồng thời đối với người quan sát này sẽ không đồng thời đối với người quan sát khác, nếu như hai người là chuyển động đối với nhau.

Đây là một kết luận gây sửng sốt. Đó là một trong số những phát minh sâu sắc nhất về bản chất của thực tại. Tuy nhiên, nếu như rất lâu sau khi bạn gấp cuốn sách này lại mà bạn chẳng còn nhớ được chút gì trình bày trong chương này trừ sự ngộ nhận về tính đồng thời liên qua tới ví dụ ở trên thì nghĩa là bạn đã nắm được cái căn bản nhất trong phát minh của Einstein rồi. Câu chuyện của chúng ta chứng tỏ rằng không cần tới công cụ toán học hoặc những suy luận lôgíc phức tạp, đặc điểm hoàn toàn bất ngờ nói trên của thời gian vẫn có thể suy ra trực tiếp từ tính không đổi của vận tốc ánh sáng. Cần lưu ý rằng, nếu vận tốc ánh sáng không phải là không đổi mà xử sự theo đúng trực giác của chúng ta dựa trên những quả bóng hoặc khối tuyết chuyển động chậm chạp, thì những người quan sát trên sân ga sẽ nhất trí ngay với những người quan sát trên con tàu. Nhưng người trên sân ga cũng vẫn tuyên bố rằng quãng đường mà các photon phải đi tới tổng thống dài hơn quãng đường mà chúng đi tới đức vua. Tuy nhiên, trực giác thông thường lại cho biết rằng ánh sáng đi về phía đức vua chuyển động nhanh hơn do nhận được cú ?hích? thêm của con tàu chuyển động về phía trước. Tương tự, những người quan sát này cũng thấy rằng ánh sáng đi về phía tổng thống sẽ chuyển động chậm hơn do bị chuyển động của con tàu ?kéo lại?. Khi cả hai hiệu ứng (sai lầm) đó được xét tới, thì những người quan sát này cũng thấy rằng chùm sáng đến với tổng thống và đức vua đồng thời. Tuy nhiên, trong thế giới thực, ánh sáng không chuyển động nhanh lên hay chậm đi, nó không thể bị ?hích? tới vận tốc cao hơn hay bị ?kéo lại? để có vận tốc nhỏ đi. Do đó, những người quan sát trên sân ga kiện rằng ánh sáng tới tổng thống của họ sớm hơn là hoàn toàn có lý.

Sự không đổi của vận tốc ánh sáng đòi hỏi chúng ta phải vứt bỏ quan niệm lỗi thời cho rằng tính đồng thời là một khái niệm tuyệt đối, mà tất cả mọi người đều phải nhất trí bất kể trạng thái chuyển động của họ. Chiếc đồng hồ tuyệt đối theo những giây giống hệt nhau ở Trái Đất chúng ta cũng như trên sao Hỏa, sao Thổ, trong thiên hà Andromeda hay ở bất cứ xó xỉnh nào khác trong Vũ trụ là không tồn tại. Mà trái lại, những người quan sát chuyển động đối với nhau sẽ không nhất trí về tính đồng thời của sự kiện. Lại một lần nữa, nguyên nhân khiến cho kết luận đó ? một đặc tính chân thực của thế giới mà chúng ta sống ? trở nên xa lạ như vậy là do các hiệu ứng là cực kỳ nhỏ do những vận tốc có liên quan chỉ là những vận tốc bình thường mà ta gặp hàng ngày (nghĩa là rất nhỏ so với vận tốc ánh sáng ? ND). Giả sử chiếc bàn đàm phán dài cỡ 30 m đặt trong toa xe lửa chuyển động với vận tốc 15 km/h, thì những người quan sát trên sân ga sẽ ?thấy? chùm ánh sáng tới tổng thống sớm hơn tới đức vua chỉ khoảng một phần triệu tỷ giây. Sự khác biệt đó là có thật, nhưng vì nó quá nhỏ nên mắt người không thể phát hiện trực tiếp được. Nếu xe lửa chuyển động nhanh hơn nhiều, chẳng hạn với vận tốc 1 tỷ km/giờ, thì đối với người quan sát trên sân ga, ánh sáng tới đức vua sẽ mất một khoảng thời gian dài gấp 25 lần thời gian ánh sáng tới tổng thống. Ở những vận tốc cao, những hiệu ứng lạ lùng của thuyết tương đối hẹp sẽ càng thể hiện rõ rệt.

Ảnh hưởng của chuyển động đến thời gian (II)

Định nghĩa thời gian một cách trừu tượng là việc không dễ dàng. Những ý định làm điều đó thường rồi cuối cùng lại phải dùng chính từ ?thời gian? hoặc những uốn éo ngôn ngữ để lảng tránh từ đó. Vì vậy, chúng ta sẽ không đi theo con đường đó, mà chọn một quan điểm thực dụng hơn và định nghĩa thời gian là cái được đo bởi các đồng hồ. Tất nhiên, làm như vậy là ta đã chuyển gánh nặng định nghĩa sang từ ?đồng hồ?. Ở đây ta tạm coi đồng hồ là một dụng cụ thực hiện những chu trình chuyển động cực kỳ đều đặn và ta sẽ đo thời gian bằng cách đếm số chu trình mà đồng hồ đã thực hiện. Những đồng hồ quen thuộc như chiếc đồng hồ đeo tay của chúng ta đều phù hợp với định nghĩa đó, chúng đều có các kim chuyển động theo những chu trình đều đặn và thực tế chúng ta đo khoảng thời gian bằng cách đếm số các chu trình (hay các phần của chu trình) mà các kim đã quét được giữa hai sự kiện đã chọn.

Tất nhiên, ý nghĩa của cụm từ ?những chu trình chuyển động cực kỳ đều đặn? đã ngầm liên quan đến khái niệm thời gian rồi, tính từ ?đều đặn? đã ám chỉ những khoảng thời gian bằng nhau đã trôi qua trong mỗi chu trình. Trên quan điểm thực tiễn, điều này được thể hiện ở chỗ chúng ta đã chế tạo đồng hồ bằng những linh kiện vật lý đơn giản mà không có gì thay đổi từ chu trình này sang chu trình khác. Những đồng hồ của cụ kỵ chúng ta với con lắc đu đưa qua lại và những đồng hồ nguyên tử dựa trên các quá trình tuần hoàn xảy ra trong nguyên tử là những ví dụ quen thuộc.

Mục đích của chúng ta bây giờ là tìm hiểu ảnh hưởng của chuyển động đến sự trôi của thời gian và vì chúng ta đã định nghĩa thời gian nhờ các đồng hồ, nên chúng ta có thể ?phiên? vấn đề đó thành vấn đề tìm hiểu ảnh hưởng của chuyển động đến nhịp ?tíc tắc? của các đồng hồ. Điều quan trọng cần phải nhấn mạnh ngay từ đầu là, cuộc thảo luận của chúng ta không có liên quan gì đến những ảnh hưởng của sự xô lắc do những chuyển động trên các con đường gồ ghề đến sự hoạt động của các cơ cấu bên trong một đồng hồ cụ thể nào đó. Thực tế, chúng ta chỉ xét một loại chuyển động đơn giản và êm đềm nhất, đó là chuyển động thẳng đều và do đó hoàn toàn không có sự xô lắc nào. Và chúng ta sẽ chỉ quan tâm tới câu hỏi có tính tổng quát: chuyển động có ảnh hưởng như thế nào đến sự trôi của thời gian và do đó nó ảnh hưởng một cách cơ bản như thế nào đến nhịp tíc tắc của mọi loại đồng hồ bất kể chúng được thiết kế và chế tạo cụ thể như thế nào?

Để đạt mục đích đó, chúng ta đưa vào một loại đồng hồ đơn giản nhất (và cũng là phi thực tiễn nhất) thế giới, nó được gọi là ?đồng hồ photon?. Đồng hồ này gồm hai gương nhỏ lắp trên giá, quay mặt phản xạ vào nhau và một photon duy nhất nảy qua nảy lại giữa hai gương đó (xem Hình 2.1). Với khoảng cách giữa hai gương bằng 15 cm, photon sẽ mất một phần tỷ giây để thực hiện được một chu trình trọn vẹn (từ một gương nảy tới gương kia rồi nảy về gương ban đầu). Có thể coi những tiếng ?tíc tắc? trong đồng hồ photon sẽ được phát ra mỗi khi photon thực hiện được trọn một chu trình. Như vậy, đồng hồ nói trên trong khoảng thời gian một giây sẽ phát ra một tỷ tiếng ?tíc tắc?.

Hình 2.1. Một đồng hồ photon gồm hai gương đặt song song với một photon nảy qua lại giữa hai gương. Đồng hồ sẽ phát ra tiếng ?tíc tắc? mỗi khi photon thực hiện được một chu trình trọn vẹn.

Chúng ta có thể dùng đồng hồ photon để đo khoảng thời gian giữa hai sự kiện bằng cách chỉ cần đếm số tiếng tíc tắc mà đồng hồ phát ra giữa hai sự kiện đó rồi nhân nó với thời gian tương ứng với tiếng tíc tắc. Ví dụ, nếu chúng ta muốn xác định thời gian đua của một con ngựa và giữa thời điểm xuất phát với thời điểm tới đích ta đếm được 55 tỷ chu trình trọn vẹn của photon, thì ta có thể kết luận được rằng con ngựa chạy hết 55 giây.

Sở dĩ ở đây chúng ta dùng đồng hồ photon là bởi vì đơn giản về mặt cơ cấu của nó sẽ tước bỏ đi được nhiều chi tiết không có liên can và do đó cho phép chúng ta thấy được rõ nhất ảnh hưởng của chuyển động đến sự trôi của thời gian. Để thấy điều đó, hãy tưởng tượng ta đang lơ đãng quan sát sự trôi của thời gian bằng cách nhìn chiếc đồng hồ photon đang tíc tắc ở chiếc bàn bên cạnh. Rồi bất chợt có một chiếc đồng hồ photon thứ hai trượt qua bên cạnh với vận tốc không đổi (xem Hình 2.2). Vấn đề đặt ra là chiếc đồng hồ photon chuyển động có tíc tắc cùng một nhịp với chiếc đồng hồ đứng yên hay không ?

Hình 2.2. Chiếc đồng hồ photon ở phía trước đứng yên, trong khi đó chiếc đồng hồ thứ hai chuyển động thẳng đều.

Để trả lời câu hỏi này, ta hãy xét con đường mà photon trong chiếc đồng hồ chuyển động đã đi trong một chu trình trọn vẹn theo quan điểm của chúng ta. Photon xuất phát từ chiếc gương dưới trong chiếc đồng hồ chuyển động (xem Hình 2.3) và ban đầu đi tới gương trên. Vì theo quan điểm của chúng ta, đồng hồ là chuyển động, nên photon phải đi theo con đường xiên góc như ta thấy trên hình 2.3. Nếu photon không đi theo còn đường đó thì nó không thể tới đập vào gương trên và sẽ bay mất tăm vào không gian. Vì đồng hồ chuyển động hoàn toàn có quyền tuyên bố rằng nó đứng yên và mọi thứ khác đều chuyển động, nên ta biết rằng photon nhất định sẽ đập vào gương trên và do đó con đường mà chúng ta vẽ là đúng. Sau khi đập vào gương trên, photon lại đi theo con đường chéo góc trở về đập vào gương dưới và đồng hồ chuyển động phát ra tiếng tíc tắc. Một điểm đơn giản nhưng rất quan trọng là quãng đường gồm hai đoạn chéo góc nói trên mà ta thấy photon này phải đi đoạn dài hơn quãng đường đi lên đi xuống của photon trong chiếc đồng hồ đứng yên, vì ngoài việc phải đi các đoạn lên và xuống, photon trong chiếc đồng hồ chuyển động còn cần phải chuyển động ngang sang bên phải nữa (tất nhiên là theo quan điểm của chúng ta). Hơn nữa, sự không đổi của vận tốc ánh sáng nói với chúng ta rằng photon trong chiếc đồng hồ chuyển động có vận tốc hoàn toàn giống như vận tốc của photon trong chiếc đồng hồ đứng yên. Nhưng vì phải đi một quãng đường xa hơn mới phát ra được một tiếng tíc tắc, nên nó sẽ phát ra tiếng kêu thưa thớt hơn. Bằng chứng đơn giản đó đã xác lập được rằng đồng hồ photon chuyển động, theo quan điểm của chúng ta, đã tíc tắc chậm hơn chiếc đồng hồ photon đứng yên. Và vì chúng ta đã nhất trí rằng số tiếng tíc tắc trực tiếp cho biết có bao nhiêu thời gian đã trôi qua, nên chúng ta thấy rằng, đối với đồng hồ chuyển động, thời gian trôi chậm chạp hơn.

Hình 2.3. Theo quan điểm của chúng ta, photon trong đồng hồ chuyển động đi theo đường chéo góc.

Có thể bạn còn băn khoăn tự hỏi, điều này biết đâu chỉ đơn giản phản ánh một đặc điểm đặc biệt nào đó của đồng hồ photon và liệu có thể áp dụng cho các đồng hồ quả lắc thời cụ kỵ của chúng ta hoặc những chiếc đồng hồ Rolex hay không? Nghĩa là liệu thời gian được đo bởi các đồng hồ quen thuộc hơn đối với chúng ta có chậm lại như đồng hồ photon nói ở trên không? Câu trả lời là một tiếng có dõng dạc, như bạn có thể thấy bằng cách áp dụng nguyên lý tương đối. Giả sử bạn gắn một chiếc đồng hồ Rolex lên trên mỗi đồng hồ photon và lặp lại thí nghiệm ở trên. Như đã nói, đồng hồ photon đứng yên và chiếc đồng hồ Rolex chỉ cùng các khoảng thời gian, tức là khi đồng hồ Rolex chỉ 1 giây, thì đồng hồ photon phát ra 1 tỷ tiếng tíc tắc. Nhưng còn đồng hồ photon chuyển động và chiếc đồng hồ Rolex gắn với nó thì sao? Liệu chiếc đồng hồ Rolex chuyển động có chạy chậm lại để vẫn còn đồng bộ với chiếc đồng hồ photon mà nó được gắn vào hay không? Để thấy rõ hơn, ta hãy tưởng tượng tổ hợp hai đồng hồ photon và Rolex được gắn chặt vào trần một toa xe không có cửa sổ đang chuyển động trên đường ray thẳng và nhẵn lý tưởng với vận tốc không đổi. Theo nguyên lý tương đối, thì người quan sát trên con tàu không có một cách thức nào để phát hiện được bất cứ một ảnh hưởng nào chuyển động của con tàu. Nhưng nếu chiếc đồng hồ photon và đồng hồ Rolex mất đồng bộ với nhau, thì đây chính là một ảnh hưởng có thể ghi nhận được, tức là trái với nguyên lý tương đối. Như vậy, chiếc đồng hồ photon và đồng hồ Rolex vẫn phải cùng đo được những khoảng thời gian như nhau và chiếc đồng hồ Rolex cũng phải chậm lại theo cách hệt như chiếc đồng hồ photon. Bất chấp nhãn hiệu, kiểu loại và cấu tạo, các đồng hồ chuyển động đối với nhau sẽ ghi lại sự trôi của thời gian với tốc độ khác nhau.

Sự khảo sát ở trên đối với đồng hồ photon cũng cho ta thấy rõ rằng sự sai khác chính xác về thời gian của các đồng hồ đứng yên và chuyển động phụ thuộc vào chỗ: trong một chu trình trọn vẹn, photon trong đồng hồ chuyển động phải đi một quãng đường dài hơn là bao nhiêu. Mà điều này thì lại phụ thuộc vào tốc độ của đồng hồ chuyển động càng nhanh, photon sẽ phải chuyển động ngang về phía bên phải càng dài hơn. Như vậy, chúng ta có thể kết luận rằng, so với đồng hồ đứng yên, nhịp độ phát ra tiếng tíc tắc của đồng hồ chuyển động sẽ càng chậm nếu nó chuyển động càng nhanh [1].

Để có một ý niệm về thang các độ lớn, cần lưu ý rằng thời gian để photon đi hết một chu trình trọn vẹn là một phần tỷ giây. Muốn cho đồng hồ có thể đi được một khoảng cách đáng kể trong thời gian giữa một tiếng tíc tắc này đến một tiếng tíc tắc tiếp sau, thì nó phải chuyển động rất nhanh, tức là phải có vận tốc gần vận tốc ánh sáng. Nếu nó chuyển động với vận tốc thông thường cỡ 15 km/h thì giữa hai lần phát ra tiếng tíc tắc nó sẽ chỉ đi được theo phương ngang về bên phải chừng bốn phần tỷ mét. Khi đó phần quãng đường mà photon chuyển động phải đi thêm là rất nhỏ và vì vậy tác dụng tương ứng của nó đến nhịp độ phát ra tiếng tíc tắc của đồng hồ chuyển động cũng sẽ cực nhỏ. Và lại một lần nữa, do nguyên lý tương đối, điều này đối với mọi đồng hồ và do vậy đúng với chính thời gian. Điều này giải thích tại sao, những sinh vật như chúng ta vốn chỉ chuyển động đối với nhau với vận tốc nhỏ, nói chung, không ý thức được sự giãn nở của thời gian. Những hiệu ứng, mặc dù thực sự hiện hữu, nhưng lại cực kỳ nhỏ bé. Trái lại, nếu chúng ta bám được vào chiếc đồng hồ chuyển động và cùng chu du với nó với vận tốc chẳng hạn bằng 3/4 vận tốc ánh sáng, thì những phương trình của thuyết tương đối hẹp cho thấy rằng những người quan sát đứng yên sẽ thấy chiếc đồng hồ chuyển động của chúng ta phát ra tiếng tíc tắc với nhịp độ chỉ gần bằng 2/3 nhịp độ của chiếc đồng hồ riêng của họ. Quả là một hiệu ứng đáng kể.

[1] Đối với độc giả thiên về toán học, những nhận xét này có thể tính được một cách định lượng. Ví dụ, nếu đồng hồ ánh sáng chuyển động có vận tốc v và photon của nó phải mất một thời gian t mới thực hiện trọn vẹn một chu trình khứ hồi (đo theo đồng hồ ánh sáng đứng yên của chúng ta), thì đồng hồ chuyển động sẽ đi được quãng đường Vũ trụ khi photon của nó về tới gương dưới). Theo định lý Pythagore, thì các đoạn đường chéo góc trên hình 2.3 bằng [căn](vt/2)2 + h2 với h là khoảng cách giữa hai gương. Do đó, tổng hai đoạn đường chéo góc bằng 2[căn](vt/2)2 + h2 . Vì vận tốc của ánh sáng là không đổi và được ký hiệu là c, nên photon phải mất một thời gian 2[căn](vt/2)2 + h2/c giây để thực hiện một chu trình khứ hồi. Nghĩa là chúng ta có phương trình t = 2[căn](vt/2)2 + h2/c . Giải phương trình trên cho t, ta được t = 2h/[căn]c2 - v2. Để tránh nhầm lẫn, ta viết tưcd = 2h/[căn]c2 - v2 trong đó chỉ số dưới chỉ khoảng thời gian chúng ta đo được giữa hai đồng hồ đứng yên của chúng ta là tdy = 2h/c và sau vài ba phép biến đổi ta tìm được tcd = tdy/[căn] 1- v2/c2. Hệ thức vừa tìm được trực tiếp chứng tỏ rằng thời gian giữa hai tiếng tíc tắc của đồng hồ chuyển động dài hơn thời gian giữa hai tiếng tíc tắc của đồng hồ đứng yên. Điều này có nghĩa là giữa hai sự kiện đã chọn, số tiếng tíc tắc phát ra trong đồng hồ chuyển động ít hơn so với đồng hồ đứng yên.

[mtcorp]

Giai điệu dây và bản giao hưởng vũ trụ (7)

Cũng như đối với tất cả những chuyện tưởng như là nghịch lý trong thuyết tương đối hẹp, khi được xem xét một cách thấu đáo, thì những điều phi lôgic bề ngoài đó sẽ được giải quyết, đồng thời hé mở những đặc điểm mới trong sự vận hành của Vũ trụ.

Sống hết tốc lực

Chúng ta đã thấy rằng sự không đổi của vận tốc ánh sáng dẫn tới việc phát ra những tiếng tíc tắc của đồng hồ photon chuyển động chậm hơn so với đồng hồ photon đứng yên. Và lại theo nguyên lý tương đối, điều này cần phải đúng không phải chỉ với đồng hồ photon mà còn đúng với một đồng hồ bất kỳ, nghĩa là nó cần phải đúng đối với chính bản thân thời gian. So với người đang đứng yên, thì thời gian đối với người đang chuyển động trôi chậm hơn. Nhưng nếu những suy luận khá đơn giản đã dẫn chúng ta tới kết luận đó là đúng, thì liệu người đang chuyển động có sống lâu hơn người đứng yên hay không ? Xét cho cùng, nếu thời gian trôi đối với người chuyển động chậm hơn so với người đứng yên, thì sự khác nhau đó sẽ không chỉ áp dụng cho thời gian được đo bởi các đồng hồ mà còn cho cả thời gian được đo bởi nhịp đập của con tim cũng như nhịp độ thoái hóa của các bộ phận của cơ thể. Thực tế, nhiều thực nghiệm (không phải về tuổi thọ của con người mà về tuổi thọ của một số hạt vi mô, như các muon, chẳng hạn) đã trực tiếp khẳng định điều đó. Tuy nhiên, có một điểm thiết yếu cản trở chúng ta tuyên bố rằng chúng ta đã tìm được cách cải lão hoàn đồng.

Khi ngồi yên trong phòng thí nghiệm, các hạt muon phân rã theo một quá trình gần giống như sự phân rã phóng xạ sau một khoảng thời gian trung bình là hai phần triệu giây. Sự phân rã này là một sự kiện thực nghiệm đã được xác nhận nhiều lần. Điều đó tựa như là muon sống cả cuộc đời của mình với khẩu súng dí vào đầu; và khi đạt tới tuổi hai phần triệu giây nó bèn bóp cò và vỡ tan thành các hạt electron và nơtrino. Nhưng nếu các hạt muon này không ngồi yên trong phòng thí nghiệm mà lại muốn chu du trong một thiết bị thí nghiệm tên là máy gia tốc hạt để đưa vận tốc của nó tới gần vận tốc ánh sáng, thì như các nhà khoa học trong phòng thí nghiệm đã đo được, tuổi thọ của nó tăng lên một cách ghê gớm. Và điều này xảy ra một cách thực sự. Với vận tốc 298.000k/s (xấp xỉ 99,5% vận tốc ánh sáng), thời gian sống của muon được quan sát thấy tăng lên 10 lần. Theo thuyết tương đối hẹp, sở dĩ như vậy là do ?đồng hồ? mà hạt muon mang theo chạy chậm hơn nhiều so với đồng hồ trong phòng thí nghiệm, vì thế mà sau khi đồng hồ ở phòng thí nghiệm báo rằng đã đến lúc muon phải bóp cò và nổ tung thì đồng hồ mà muon mang theo còn chưa tới thời điểm định mệnh đó. Đây là một chứng minh trực tiếp và ngoạn mục cho tác dụng của chuyển động đến sự trôi của thời gian. Nếu con người tất bật hằng ngày nhanh như các muon này thì tuổi thọ của họ cũng sẽ tăng lên 10 lần. Nghĩa là tuổi thọ trung bình của chúng ta không phải là 70 nữa mà sẽ là 700 tuổi [1].

Bây giờ sẽ nói về cái điểm thiết yếu cản trở chúng ta. Mặc dù những người quan sát trong phòng thí nghiệm thấy các muon chuyển động nhanh sống lâu hơn nhiều so với bà con của chúng ở trạng thái đứng yên. Điều đó là do đối với các muon chuyển động thời gian trôi chậm hơn. Sự chậm lại này của thời gian không chỉ áp dụng cho các đồng hồ mà những hạt muon đó mang theo mà còn cho tất cả những hành động mà chúng thực hiện. Ví dụ, nếu một muon đứng yên có thể đọc được 100 cuốn sách trong cuộc đời ngắn ngủi của nó, thì người anh em chuyển động nhanh của nó cũng sẽ chỉ đọc được 100 cuốn sách mà thôi, bởi vì mặc dù nó có vẻ sống lâu hơn hạt muon đứng yên, nhưng tốc độ đọc của nó ? cũng như mọi thứ khác trong cuộc sống của nó ? cũng sẽ chậm lại. Theo quan điểm của người quan sát trong phòng thí nghiệm, thì điều đó tựa như muon chuyển động sống cuộc đời của nó theo một nhịp độ chậm, và cũng theo quan điểm này thì hạt muon chuyển động sẽ sống lâu hơn muon đứng yên, nhưng ?tổng số những trải nghiệm cuộc sống? của hạt chuyển động này thì cũng chẳng hơn gì. Dĩ nhiên chính kết luận đó cũng áp dụng được cho những người chuyển động nhanh với tuổi thọ trung bình cỡ hàng thế kỷ. Theo quan điểm của họ, thì đời sống cũng như bình thường. Nhưng theo quan điểm của chúng ta thì họ đã sống một cuộc sống với nhịp độ siêu chậm và do đó một vòng sống bình thường của họ phải chiếm một lượng cực lớn thời gian của chúng ta.

Xét cho cùng thì ai là người chuyển động?

Tính tương đối của chuyển động vừa là chìa khoá để hiểu lý thuyết của Einstein và cũng vừa là nguồn gốc tiềm tàng của những sự hiểu lầm. Bạn chắc có lẽ cũng đã thấy rằng chỉ cần đảo lại điểm nhìn là vai trò của muon chuyển động và muon đứng yên sẽ đổi vai trò cho nhau. Cũng như cả Goerge và Gracie đều có quyền ngang nhau khi tuyên bố rằng mình đứng yên còn người kia chuyển động, các muon mà chúng ta đã mô tả là chuyển động hoàn toàn có quyền tuyên bố như thế, nghĩa là theo quan điểm của chúng, chúng là đứng yên còn những muon ?đứng yên? kia mới là chuyển động theo hướng ngược lại. Những lập luận được trình bày ở trên cũng sẽ được áp dụng cho quan điểm này và sẽ dẫn tới một kết luận ngược hẳn lại, nghĩa là đồng hồ gắn với các muon mà chúng ta xem là đứng yên chạy chậm hơn so với đồng hồ gắn với muon mà ta xem là chuyển động.

Ở trên chúng ta đã xét tình huống tương tự, đó là lễ ký kết với bóng đèn phát tín hiệu, trong đó những quan điểm khác nhau dẫn tới những kết quả dường như hoàn toàn khác nhau. Trong trường hợp đó, bằng những suy luận cơ bản dựa trên thuyết tương đối hẹp, chúng ta đã buộc phải vứt bỏ quan niệm cho rằng mọi người, bất chấp trạng thái chuyển động của mình, đều nhất trí về các sự kiện xảy ra đồng thời. Mặc dù trong tình huống mà ta đang xét ở đây sự bất đồng còn tồi tệ hơn nhiều. Làm sao cả hai người quan sát lại đều có thể tuyên bố rằng đồng hồ của người kia chạy chậm hơn? Bi đát hơn nữa, những quan điểm khác nhau nhưng đều có giá trị như nhau của các muon dường như lại dẫn chúng ta tới kết luận rằng mỗi một nhóm đều buồn bã tuyên bố chắc như đinh đóng cột rằng mình sẽ chết trước nhóm kia. Chúng ta biết rằng thế giới có thể có những đặc điểm kỳ lạ đến bất ngờ, nhưng chúng ta vẫn hy vọng rằng nó không thể vượt qua những giới hạn của sự phi lý. Vậy thì chuyện gì đã xảy ra?

Cũng như đối với tất cả những chuyện tưởng như là nghịch lý trong thuyết tương đối hẹp, khi được xem xét một cách thấu đáo, thì những điều phi lôgic bề ngoài đó sẽ được giải quyết đồng thời hé mở những đặc điểm mới trong sự vận hành của Vũ trụ. Để tránh sự nhân cách hóa quá khiên cưỡng, chúng ta tạm biệt các muon và trở về với Goerge và Gracie, những người mà ngoài chiếc đèn nhấp nháy bây giờ còn có thêm một chiếc đồng hồ số to tướng phát quang. Theo quan điểm của Goerge, thì anh ta đứng yên, còn Gracie với chiếc đèn phát ánh sáng xanh và chiếc đồng hồ lớn xuất hiện từ xa rồi đi qua cạnh anh ta trong bóng đêm bao la của khoảng không vũ trụ. Anh ta nhìn thấy chiếc đồng hồ của Gracie chạy chậm so với đồng hồ của mình (với nhịp độ chậm lại tuỳ thuộc vào vận tốc tương đối của họ). Nếu như anh ta tinh ý một chút chắc cũng sẽ thấy rằng ngoài sự trôi của thời gian theo đồng hồ của Gracie ra, mọi hoạt động của cô ta như vẫy tay khi đi qua cạnh Goerge hay tốc độ chớp mắt của cô ta chẳng hạn đều diễn ra chậm chạp. Trong khi đó, theo quan điểm của Gracie thì tất cả những quan sát đó đều áp dụng được cho Goerge.

Mặc dù điều đó xem ra có vẻ nghịch lý, nhưng chúng ta hãy thử xác định một thí nghiệm chính xác có thể vạch ra sự phi logic đó. Khả năng duy nhất là sắp đặt mọi chuyện sao cho khi Goerge và Gracie gặp nhau họ chỉnh lại đồng hồ về đúng 12 giờ. Rồi khi ở xa nhau cả hai đều tuyên bố rằng đồng hồ của người kia chạy chậm hơn. Để đối chứng sự bất đồng đó, thì Goerge và Gracie cần phải gặp nhau một lần nữa và trực tiếp so sánh khoảng thời gian đã trôi qua giữa hai lần gặp nhau theo đồng hồ của từng người. Nhưng họ có thể làm điều đó bằng cách nào? Theo Goerge thì anh ta có thể dùng chiếc động cơ phản lực đeo trên lưng để đuổi theo Gracie. Nhưng nếu anh ta làm như thế thì sự đối xứng giữa hai quan điểm (của anh ta và của Gracie) vốn là nguyên nhân gây ra nghịch lý này, sẽ bị phá vỡ bởi vì Goerge được gia tốc, tức là chuyển động của anh ta không còn là thẳng đều nữa. Khi họ gặp lại nhau theo cách đó, thì đồng hồ của Goerge thực sự chỉ khoảng thời gian nhỏ hơn vì bây giờ anh ta có thể nói một cách chắc chắn rằng mình chuyển động vì chính anh ta cảm thấy được điều đó. Và như vậy, quan điểm của Goerge và của Gracie không còn bình đẳng như nhau nữa. Vào lúc bật động cơ là Goerge đã ngay lập tức không dám tuyên bố mình đứng yên nữa rồi.

Nếu như Goerge đuổi theo Gracie theo cách đó, thì sự khác biệt về thời gian chỉ bởi đồng hồ của hai người sẽ phụ thuộc vào vận tốc tương đối của họ, cũng như vào các chi tiết của cách thức mà Goerge sử dụng chiếc động cơ phản lực. Như đã biết, nếu các vận tốc có liên quan là nhỏ thì sự khác biệt cũng rất nhỏ. Nhưng nếu các vận tốc đó gần với vận tốc ánh sáng thì sự khác biệt có thể cỡ hàng phút, hàng ngày, hàng năm thậm chí hàng thế kỷ hoặc dài hơn nữa. Để cho một ví dụ cụ thể, hãy tưởng tượng rằng vận tốc tương đối của Goerge và Gracie khi đi qua cạnh nhau bằng 99,5% vận tốc ánh sáng. Hơn nữa, ta cũng giả sử rằng Goerge đợi 3 năm sau (theo đồng hồ của anh ta) mới tức thì bật động cơ đưa anh ta đuổi theo Gracie với cùng vận tốc như lúc họ rời xa nhau, tức là bằng 99,5% vận tốc ánh sáng. Khi họ gặp nhau, thì đồng hồ của Goerge 6 năm đã trôi qua do phải mất 3 năm để đuổi theo. Tuy nhiên, những tính toán theo thuyết tương đối hẹp thì đồng hồ của Gracie đã chỉ 60 năm đã trôi qua. Đó là khoảng thời gian không phải là nhỏ và Gracie phải lục tìm trong ký ức xa xôi, mới nhớ được ra rằng khoảng 60 năm trước Goerge đã từng đi qua cạnh mình trong không gian. Trái lại đối với Goerge, đó mới chỉ là 6 năm trước. Theo ý nghĩa thực thì chuyển động của Goerge đã làm cho anh ta trở thành một lữ hành theo thời gian hay nói theo nghĩa chính xác thì anh ta đã chu du vào tương lai của Gracie.

Việc đưa hai đồng hồ lại gặp nhau để trực tiếp so sánh tưởng như đơn giản chỉ là những rắc rối về mặt ?hậu cần?, nhưng nó thực sự là điểm cốt lõi của vấn đề. Chúng ta có thể nghĩ ra đủ thứ mưu mẹo để lảng tránh cái khe hở trong cái áo giáp nghịch lý đó, nhưng tất cả đều không tránh khỏi thất bại. Chẳng hạn, thay vì đưa các đồng hồ trở lại gặp nhau, Goerge và Gracie có thể thông báo với nhau bằng điện thoại di động thì sao? Nếu như sự liên lạc như vậy là tức thời, thì chúng ta sẽ phải đối mặt với một sự thiếu nhất quán không thể vượt qua: thực vậy, nếu suy luận theo Gracie, đồng hồ của Goerge là chạy chậm hơn, do đó anh ta sẽ thông báo thời gian của mình nhỏ hơn; còn nếu suy luận theo quan điểm của Goerge thì đồng hồ của Gracie chạy chậm hơn và cô ta sẽ lại thông báo thời gian của mình nhỏ hơn. Do họ không thể đúng cả hai, nên chúng ta xem như thất bại. Tất nhiên, điểm then chốt ở đây là ở chỗ, điện thoại di động giống như tất cả các loại thông tin liên lạc khác, không thể truyền tín hiệu một cách tức thời. Điện thoại di động hoạt động bằng các sóng vô tuyến, một dạng của ánh sáng, vì thế tín hiệu mà nó truyền phải có vận tốc bằng vận tốc ánh sáng. Điều này có nghĩa là phải mất một thời gian tín hiệu mới nhận được ? một khoảng thời gian vừa đủ để hai quan điểm trở lại phù hợp với nhau.

Bây giờ chúng ta hãy xét điều này, trước hết theo quan điểm của Goerge. Hãy tưởng tượng cứ mỗi một giờ Goerge lại nói qua điện thoại: ?Bây giờ là 12 giờ, mọi chuyện đều tốt đẹp cả?, ?Bây giờ là 1 giờ, mọi chuyện đều tốt đẹp cả? v.v... Vì theo quan điểm của anh ta, đồng hồ của Gracie là chậm hơn, nên anh ta từ đầu đã tự nhủ rằng Gracie sẽ nhận được tín hiệu này trước khi đồng hồ của cô ta chỉ giờ tương ứng. Theo cách đó, anh ta kết luận rằng Gracie sẽ đồng ý là đồng hồ của cô ta quả thật chạy chậm. Nhưng sau đó, anh ta nghĩ lại: ?Vì Gracie chuyển động ra xa mình, nên tín hiệu mà mình gửi theo điện thoại di động phải đi một khoảng cách xa hơn dự tính mới tới được chỗ cô ta. Có thể thời gian phụ trội thêm này bù trừ cho sự chạy chậm của đồng hồ cô ta cũng nên?. Nhận thấy có hiệu ứng bù trừ đó, Goerge nảy ra cảm hứng ngồi vào bàn thử tính toán một cách chính xác xem sao. Kết quả mà anh ta tìm thấy thật sự đáng ngạc nhiên: thời gian truyền còn vượt quá thời gian chạy chậm của đồng hồ Gracie. Điều này có nghĩa là sau khi đồng hồ của Gracie chỉ một giờ tương ứng, cô ta mới nhận được những tín hiệu của Goerge báo rằng một giờ đã trôi qua theo đồng hồ của anh ta. Thực tế, do biết sự tinh thông vật lý của Gracie, nên Goerge biết rằng cô ta sẽ tính tới thời gian truyền của tín hiệu khi rút ra kết luận về đồng hồ của Goerge dựa trên thông báo điện thoại của anh ta. Chỉ cần thêm một chút tính toán nữa sẽ cho thấy rằng cho dù có tính tới cả thời gian truyền của tín hiêụ đi nữa thì sự phân tích của Gracie đối với các tín hiệu của Goerge cũng sẽ dẫn tới kết luận rằng đồng hồ của Goerge chạy chậm hơn đồng hồ của cô ta.

Chính những lý luận trên cũng áp dụng được khi đứng trên quan điểm của Gracie, khi mỗi giờ cô cũng gửi cho Goerge những tín hiệu qua điện thoại di động. Thoạt đầu, sự chạy chậm của đồng hồ của Goerge, theo quan điểm của Gracie, khiến cô nghĩ rằng anh ta sẽ nhận được tín hiệu của cô trước khi anh ta phát đi tín hiệu. Nhưng khi tính tới tín hiệu của mình phải đi quãng đường xa hơn do Goerge chuyển động ra xa, Gracie thấy rằng Goerge nhận được tín hiệu của cô sau khi anh ta phát tín hiệu. Và lại một lần nữa, cô ta thấy rằng nếu Goerge tính tới thời gian truyền tín hiệu thì anh ta cũng sẽ rút ra kết luận rằng đồng hồ của cô chạy chậm hơn.

Chừng nào mà Goerge hoặc Gracie còn chưa được gia tốc, thì chừng đó quan điểm của họ hoàn toàn bình đẳng với nhau. Thậm chí mặc dù điều đó dường như là nghịch lý đi nữa, thì theo cách ấy, cả hai người đều thấy rằng việc người này nghĩ rằng đồng hồ của người kia là chạy chậm hơn đều hoàn toàn nhất quán.

[1] Trong trường hợp bạn muốn khẳng định bằng một thực nghiệm dễ hiểu hơn là thực nghiệm trong máy gia tốc hạt, hãy xét thí nghiệm sau. Tháng 10 năm 1971, J.C. Hafele, hồi đó thuộc Đại học Washington và Richard Keating thuộc Đài Thiên văn Hải quân Mỹ đã đặt các đồng hồ nguyên tử Cesi bay trên các máy bay hành khách trong khoảng 40 giờ. Sau khi tính tới tất cả những đặc điểm tinh tế có liên quan tới lực hấp dẫn, thuyết tương đối hẹp khẳng định rằng khoảng thời gian đo bởi các đồng hồ chuyển động nhỏ hơn so với số đo tương ứng của đồng hồ gắn với mặt đất vài phần trăm tỷ giây. Và đó cũng chính là điều mà Hafele và Keating đã tìm ra: thời gian thực sự bị chậm lại khi chuyển động.

[furniweb]

Hệ thống quảng cáo SangNhuong.com

Giai điệu dây và bản giao hưởng vũ trụ (8)

Trên quan điểm của những khái niệm mà chúng ta đã nhấn mạnh trong suốt chương này, phương trình Einstein cho chúng ta một cách giải thích cụ thể nhất cho vấn đề trung tâm của chúng ta, đó là không có vật nào có thể chuyển động nhanh hơn vận tốc ánh sáng.

Ảnh hưởng của chuyển động đến không gian

Sự thảo luận ở trên cho ta thấy rằng những người quan sát thấy các đồng hồ chuyển động chạy chậm hơn đồng hồ của mình, tức là chuyển động có ảnh hưởng tới thời gian. Từ đây, chỉ cần một bước nhỏ nữa là chúng ta thấy rằng chuyển động cũng ảnh hưởng mạnh đến không gian. Ta hãy trở lại cuộc chạy thử xe của hai anh em Slim và Jim. Như đã nói ở trên, khi chiếc xe còn đặt ở phòng trưng bày, Slim đã dùng thước dây đo rất cẩn thận chiều dài của chiếc xe mới. Khi Slim cho xe phóng trên đường đua, do không thể dùng cũng cách đó để đo chiều dài chiếc xe được, nên Jim buộc phải dùng một phương pháp gián tiếp. Một trong những cách đó chúng ta đã nói ở trên: Jim bấm đồng hồ khi đầu xe đi qua và dừng đồng hồ khi đuôi xe đi qua. Bằng cách nhân thời gian xác định theo đồng hồ với vận tốc của xe, Jim xác định được chiều dài của nó.

Dùng những điều tinh tế mới phát hiện được về thời gian, chúng ta thấy rằng quan điểm của Slim thì anh ta là đứng yên còn Jim là chuyển động do đó đồng hồ của Jim chạy chậm hơn. Kết quả là Slim thấy rằng phép đo gián tiếp chiều dài chiếc xe mà Jim thực hiện cho kết quả ngắn hơn chiều dài chiếc xe mà Slim đã đo trong phòng trưng bày, vì trong tính toán của Jim (chiều dài bằng tích của vận tốc với thời gian) Jim đã đo thời gian bằng đồng hồ chạy chậm. Mà nếu đồng hồ đã chạy chậm thì khoảng thời gian mà Jim đo được là nhỏ hơn và do đó kết quả mà anh ta tính được sẽ cho chiều dài ngắn hơn.

Như vậy Jim sẽ nhận thấy chiều dài chiếc xe của Slim ngắn hơn chiều dài của nó được đo khi đứng yên. Đây là ví dụ về một hiện tượng chung mà những người quan sát cảm nhận thấy các vật chuyển động bị co ngắn lại dọc theo phương chuyển động. Ví dụ, các phương trình của thuyết tương đối hẹp cho thấy rằng nếu một vật chuyển động với vận tốc bằng 98% vận tốc ánh sáng thì người quan sát đứng yên sẽ thấy nó ngắn hơn so với khi nó đứgn yên 80%. Hiện tượng này được minh họa trên Hình 2.4 [1].

Hình 2.4 Một vật chuyển động bị co ngắn lại theo phương chuyển động.

Chuyển động qua không thời gian

Sự không đổi của vận tốc ánh sáng đã khiến chúng ta phải thay quan niệm truyền thống về không gian và thời gian như những cấu trúc phổ quát và bất đồng bằng một quan niệm mới trong đó không gian và thời gian phụ thuộc một cách mật thiết vào chuyển động tương đối của người quan sát và vật được quan sát. Chúng ta có thể kết thúc cuộc thảo luận ở đây bằng một nhận xét là các vật chuyển động nhanh sẽ lại tiến hóa với nhịp độ chậm và đồng thời bị co ngắn lại. Mặc dù vậy, thuyết tương đối hẹp đã cho chúng ta một khuôn khổ thống nhất sâu sắc hơn, bao quát được tất cả những hiện tượng đó.

Để hiểu được điều này, hãy hình dung một chiếc xe tưởng tượng trong chớp mắt đã đạt tới vận tốc đều 150km/h và duy trì vận tốc đó một cách chính xác cho tới khi tắt máy để xe tự lăn rồi từ từ dừng lại. Giả sử ta cũng tưởng tượng rằng, do vốn nổi tiếng là một lái xe điệu nghệ, Slim được mời lái thử xe trên một đường đua thẳng, rộng và dài nằm giữa một vùng bằng phẳng trong sa mạc. Vì khoảng cách giữa vạch xuất phát và đích dài 15km, nên chiếc xe với vận tốc nói trên sẽ đi hết quãng đường đó trong khoảng thời gian 1/10 giờ, tức là 6 phút. Jim vốn cũng là một kỹ sư ô tô xuất sắc, anh đã kiểm tra kỹ lưỡng các dữ liệu đã được ghi lại từ hàng chục cuộc lái thử và cảm thấy băn khoăn khi thấy rằng mặc dù đa số các cuộc thử đều ghi được thời gian là 6 phút, nhưng một số ít cuộc thử cuối cùng lại thấy ghi dài hơn nhiều: 6,5 rồi 7, thậm chí tới 7,5 phút. Thoạt đầu anh ngờ rằng máy móc có trục trặc gì đó, nhưng số ghi thời gian này dường như báo rằng chiếc xe đã chạy chậm hơn 150km/h trong ba lần thử cuối cùng. Tuy nhiên sau khi kiểm tra một cách kỹ lưỡng và toàn diện, anh khẳng định rằng mọi thứ trên chiếc xe đều rất hoàn hảo. Do không giải thích được tại sao thời gian chạy xe lại dài một cách bất thường như vậy, Jim bèn tới hỏi Slim về mấy lần chạy thử cuối cùng. Slim đưa ra một cách giải thích rất đơn giản. Anh ta nói với Jim rằng do đường đua nằm theo hướng đông ? tây, những lần chạy thử lại diễn ra vào cuối ngày, nên mặt trời làm cho anh ta hơi loá mắt. Trong ba lần thử cuối cùng, tình trạng này tồi tệ tới mức anh không thể chạy được thẳng theo đường đua mà hơi chệch một góc nhỏ. Anh ta còn vẽ phác đường chạy mà anh đã lái trong ba cuộc thử cuối cùng và được minh họa trên Hình 2.5. Sự giải thích cho ba lần chạy cuối cùng bây giờ trở nên hoàn toàn rõ ràng: đường đi từ vạch xuất phát tới đích sẽ dài hơn nếu đi chệch một góc nào đó và do đó với vận tốc vẫn là 15km/h thì thời gian sẽ phải mất nhiều hơn. Nói một cách khác, khi đi chệch một góc nào đó, một phần của vận tốc 15km/h đã dùng để đi theo hướng nam ? bắc khiến cho phần để đi theo hướng đông ? tây trở nên nhỏ hơn so với khi chạy thẳng theo hướng này. Điều này có nghĩa là nó phải mất một thời gian dài hơn.

Hình 2.5. Do bị Mặt trời làm lóa mắt, Slim lái chệch một góc tăng dần trong ba lần thử cuối cùng.

Mặc dù cách giải thích của Slim thật dễ hiểu, nhưng sẽ rất có lợi nếu chúng ta diễn đạt nó hơi khác một chút để chuẩn bị cho một bước nhảy về mặt khái niệm mà chúng ta sắp làm dưới đây. Các hướng bắc ? nam và đông ? tây là hai chiều không gian độc lập nhau theo đó chiếc xe có thể chuyển động. (Tất nhiên, nó có thể chuyển động theo cả phương thẳng đứng khi đi theo đường lên núi chẳng hạn, nhưng ở đây chúng ta không cần xét tới khả năng đó). Cách giải thích của Slim minh họa cho điều là: thậm chí mặc dù chiếc xe chạy với vận tốc 150km/h trong tất cả các lần thử, nhưng trong ba lần thử cuối cùng nó phải chia sẻ vận tốc này cho hai chiều và do đó gây cho ta cảm tưởng nó chạy chậm hơn 150km/h theo hướng đông ? tây. Trong những lần thử trước, vận tốc 150km/h được hoàn toàn dành cho chuyển động chỉ theo hướng đông ? tây; còn trong ba lần thử cuối cùng, một phần vận tốc này đã được dùng cho chuyển động theo hướng bắc ? nam.

Einstein đã phát hiện ra rằng, ý tưởng về sự chia sẻ chuyển động giữa các chiều khác nhau này lại chính là cơ sở cho toàn bộ cái vật lý lạ lùng của thuyết tương đối hẹp, với điều kiện ta phải chấp nhận rằng sự chia sẻ này không chỉ được thực hiện giữa các chiều không gian mà còn với cả chiều thời gian nữa. Thực ra, trong phần lớn các hoàn cảnh, chuyển động của các vật chủ yếu là qua thời gian chứ không phải qua không gian. Ta hãy thử xem điều này có ý nghĩa gì.

Chuyển động qua không gian là một khái niệm mà ta đã biết từ thuở ấu thơ. Mặc dù chúng ta không thường xuyên nghĩ về các vật theo cách như vậy, nhưng chúng ta đều biết rằng, chúng ta, bạn bè và những người thân thuộc của chúng ta... tất cả cũng đều chuyển động qua thời gian. Khi chúng ta xe đồng hồ, thậm chí chúng ta nhàn rỗi ngồi xem TV, các con số chỉ thời gian liên tục thay đổi, liên tục ?chuyển động về phía trước theo thời gian?. Chúng ta và vạn vật xung quanh chúng ta đều già đi, đều không tránh khỏi phải chuyển từ thời điểm này tới thời điểm tiếp sau. Thực tế, nhà toán học Mermann Minkowski, và cuối cùng là cả Einstein nữa, đã cổ vũ cho ý tưởng xem thời gian như một chiều thứ tư của Vũ trụ tương tự như ba chiều không gian mà chúng ta đã quá quen thuộc và chính chúng ta bị chìm ngập trong đó. Mặc dù điều đó nghe có vẻ trừu tượng, nhưng khái niệm thời gian như một chiều là thực sự cụ thể. Khi chúng ta muốn gặp ai đó, chúng ta sẽ nói cho người đó biết ta sẽ chờ gặp anh ta ở đâu ?trong không gian? ? chẳng hạn ở tầng 9, toà nhà nằm ở góc Phố 53 và Đại lộ 7. Như vậy là ở đây có ba thông tin (tầng 9, Phố 53 và Đại lộ 7) cho ta biết một vị trí cụ thể nào đó theo ba chiều của không gian. Tuy nhiên, điều quan trọng không kém còn phải cho biết, đó là ta sẽ đợi gặp người đó khi nào, chẳng hạn vào lúc 3 giờ chiều. Thông tin này cho biết cuộc gặp gỡ của hai người sẽ diễn ra ở đâu theo ?thời gian?. Do đó, các sự kiện được xác định bởi bốn thông tin: ba về không gian và một về thời gian. Những dữ liệu này, như người ta thường nói, xác định vị trí của một sự kiện trong không gian và trong thời gian. Theo ý nghĩa đó thì thời gian đúng là một chiều khác.

Vì quan niệm này nói rằng không gian và thời gian đơn giản chỉ là những ví dụ khác nhau về các chiều, vậy liệu chúng ta có thể nói về vận tốc của một vật qua thời gian theo cách giống như khái niệm vận tốc trong không gian hay không? Có thể.

Một chỉ dẫn quan trọng cho biết làm điều đó như thế nào nằm ngay trong một thông tin rất căn bản mà ta đã từng gặp ở trên. Khi một vật chuyển động qua không gian đối với chúng ta, đồng hồ của nó sẽ chậm lại so với đồng hồ của chúng ta. Điều này có nghĩa là tốc độ chuyển động của nó qua thời gian chậm lại. Và đây là một bước nhảy vọt: Einstein đã tuyên bố rằng mọi vật trong Vũ trụ luôn luôn chuyển động trong không ? thời gian với một vận tốc cố định - đó là vận tốc ánh sáng. Đây là một ý tưởng thật lạ lùng: chúng ta đã quá quen thuộc với quan niệm rằng các vật chuyển động với những vận tốc nhỏ đáng kể so với vận tốc ánh sáng. Chúng ta cũng đã nhắc đi nhắc lại điều đó như là một nguyên nhân giải thích tại sao những hiệu ứng tương đối tính lại quá xa lạ với thế giới hằng ngày của chúng ta. Tất cả những điều đó đúng cả. Nhưng ở đây chúng ta đang nói về một vận tốc tổ hợp của vật qua tất cả bốn chiều ? ba chiều không gian và một chiều thời gian ? và chính cái vận tốc của vật theo nghĩa tổng quát hoá đó mới có giá trị bằng vận tốc ánh sáng. Để hiểu điều này một cách đầy đủ hơn và để thấy rõ tầm quan trọng của nó, ta chú ý rằng, giống như chiếc xe tưởng tượng chỉ chạy với một vận tốc mà ta đã xét ở trên, cái vận tốc cố định này có thể được chia sẻ giữa các chiều khác nhau, tức là giữa ba chiều không gian và một chiều thời gian. Nếu một vật là đứng yên (đối với chúng ta) và do đó hoàn toàn không chuyển động qua không gian, thì khi đó, tương tự như trong những lần chạy thử đầu tiên của chiếc xe tưởng tượng nói trên, toàn bộ chuyển động của vật được dùng để đi theo một chiều, trong ví dụ chiếc xe, đó là chiều đông ? tây, còn trong trường hợp của chúng ta đó là chiều thời gian. Hơn nữa, tất cả các vật đứng yên đối với chúng ta và đối với nhau đều chuyển động theo thời gian (thể hiện là chúng già đi) với một tốc độ như nhau. Tuy nhiên, nếu một vật chuyển động qua không gian thì điều đó có nghĩa là một phần của chuyển động trước đó theo thời gian cần phải bị ?chệch? đi. Giống như chiếc xe chạy lệch đi một góc, sự chia sẻ chuyển động này khiến cho vật sẽ chuyển động chậm lại theo thời gian so với các vật đứng yên, vì một phần chuyển động của nó đã được dùng để đi qua không gian. Đây chính là điều mà chúng ta đã phát hiện ra ở trên. Bây giờ chúng ta thấy rằng thời gian chậm lại khi vật chuyển động đối với chúng ta là bởi vì điều đó làm chia sẻ một phần chuyển động qua thời gian của nó thành chuyển động qua không gian. Vận tốc của vật qua không gian chẳng qua chỉ là phản ánh bao nhiêu phần chuyển động qua thời gian đã được chia sẻ bớt.

Từ những điều vừa nói chúng ta thấy ngay rằng có một giới hạn đối với vận tốc theo không gian của các vật: vận tốc cực đại qua không gian sẽ đạt được nếu như toàn bộ chuyển động của vật qua thời gian được chuyển hết thành chuyển động theo không gian. Điều này xảy ra khi toàn bộ chuyển động với vận tốc ánh sáng theo không gian. Nhưng do đã sử dụng hết chuyển động của mình qua thời gian, nên đó cũng chính là vận tốc lớn nhất qua không gian mà vật đó ? hay một vật bất kỳ ? có thể đạt được. Điều này tương tự với trường hợp chiếc xe ca chạy thử đi ngang theo bắc ? nam. Cũng như chiếc xe không còn một chút vận tốc nào dành cho chuyển động theo chiều đông ? tây nữa, một vật nào đó chuyển động với vận tốc ánh sáng qua không gian sẽ không còn để lại một chút vận tốc nào cho chuyển động theo thời gian. Như vậy ánh sáng không bao giờ già đi: một photon xuất hiện từ Big Bang ngày hôm nay cũng vẫn có tuổi như khi đó. Với vận tốc ánh sáng thời gian sẽ dừng lại.

Còn về E = MC^2 thì sao?

Mặc dù Einstein không tán thành lắm việc gọi lý thuyết của mình là ?tương đối? (ông cũng đã đề nghị gọi nó là ?bất biến? để phản ánh (ngoài những điều khác) tính không thay đổi của vận tốc ánh sáng), nhưng ý nghĩa của nó bây giờ đã hoàn toàn rõ ràng. Công trình của Einstein chứng tỏ rằng những khái niệm như không gian và thời gian mà trước kia được xem là tuyệt đối và tách biệt nhau, thì bây giờ có tính chất tương đối và liên hệ mật thiết với nhau. Tiếp đó, Einstein cũng chứng tỏ được rằng các tính chất vật lý khác của Vũ trụ cũng liên hệ mật thiết với nhau một cách bất ngờ. Một trong số những ví dụ quan trọng nhất là phương trình nổi tiếng nhất của ông. Trong đó, Einstein khẳng định rằng năng lượng (E) của một vật và khối lượng (m) của nó không phải là những khái niệm độc lập; chúng ta có thể xác định được khối lượng khi biết năng lượng (bằng cách chia năng lượng cho bình phương vận tốc ánh sáng). Nói một cách khác, năng lượng và khối lượng ? giống như đồng đôla và đồng frăng ? có thể chuyển đổi lẫn nhau. Nhưng không giống như tiền tệ, tỷ lệ trao đổi ở đây là bình phương của vận tốc ánh sáng ? một con số đã và sẽ mãi mãi cố định. Vì thừa số tỷ lệ trao đổi này là rất lớn (c2 là một số rất lớn) nên một khối lượng nhỏ phải qua một con đường cực dài để tạo ra được năng lượng. Thế giới đã từng biết tới sức mạnh tàn phá ghê gớm từ việc biến 10 gam urani thành năng lượng ở Hiroshima; một ngày nào đó, từ những nguồn nước biển vô tận và các nhà máy điện tổng hợp hạt nhân, chúng ta có thể sẽ khai thác một cách thông minh công thức trên của Einstein để dung cấp đủ năng lượng cho toàn thế giới.

Trên quan điểm của những khái niệm mà chúng ta đã nhấn mạnh trong suốt chương này, phương trình Einstein cho chúng ta một cách giải thích cụ thể nhất cho vấn đề trung tâm của chúng ta, đó là không có vật nào có thể chuyển động nhanh hơn vận tốc ánh sáng. Ví dụ, bạn có thể băn khoăn tự hỏi: tại sao ta không lấy một vật nào đó, như hạt muon chẳng hạn, rồi dùng máy gia tốc đưa vận tốc của nó đạt tới 298.000km/s, tức gần 99,5% và sau đó đẩy thực mạnh để buộc nó phải vượt qua cái tường chắn là vận tốc ánh sáng. Công thức Einstein giải thích được tại sao điều đó không thể thực hiện được. Một vật chuyển động càng nhanh thì năng lượng mà nó càng lớn và theo công thức Einstein ta thấy rằng một vật có năng lượng càng lớn thì khối lượng của nó cũng sẽ càng lớn. Các hạt muon chuyển động với vận tốc bằng 99,9% vận tốc ánh sáng sẽ nặng hơn rất nhiều so với những hạt muon đứng yên. Thực tế, chúng nặng hơn tới 22 lần. (Các giá trị khối lượng cho trong Bảng 1.1 là đối với các hạt đứng yên). Nhưng một vật càng nặng, thì càng khó tăng tốc cho nó. Đẩy một đứa bé ngồi trên xe đạp là một chuyện, còn đẩy một chiếc rơmooc lại là một chuyện hoàn toàn khác. Như vậy, khi các muon chuyển động càng nhanh chúng ta càng khó gia tốc chúng. Với vận tốc bằng 99,999% vận tốc ánh sáng, khối lượng của các muon tăng lên 224 lần, còn ở vận tốc 99,99999999% vận tốc ánh sáng thì khối lượng tăng tới 70.000 lần. Vì khối lượng của muon có thể tăng vô hạn khi vận tốc của nó tiến dần tới vận tốc ánh sáng, nên nó đòi hỏi phải có một năng lượng lớn vô hạn mới có thể đẩy được nó vượt qua bức tường chắn là vận tốc ánh sáng. Tất nhiên, điều này là không thể, nên tuyệt đối không có vật gì có thể chuyển động nhanh hơn vận tốc ánh sáng.

Như chúng ta sẽ thấy ở chương sau, kết luận này đã gieo mầm cho một cuộc xung đột lớn thứ hai mà vật lý học đã phải đối mặt trong suốt một thế kỷ qua và cuối cùng đã dẫn tới sự sụp đổ của một lý thuyết đã từng có uy tín nhất, đó là lý thuyết hấp dẫn của Newton.

[1] Mặc dù Hình 2.4. minh họa đúng sự co của một vật dọc theo phương chuyển động của nó, nhưng lại không minh họa được cái mà chúng ta sẽ thực sự nhìn thấy khi mà vật bằng mọt cách nào đó, có thể phóng với vận tốc ánh sáng (giả thiết rằng thị giác của chúng ta hoặc thiết bị chụp ảnh đủ tinh tường để còn thấy một cái gì đó!). Để nhìn thấy một vật nào đó, mắt ? hoặc máy ảnh ? của chúng ta phải nhận được ánh sáng phản xạ từ bề mặt của vật đó. Nhưng vì ánh sáng phản xạ tới chúng ta từ những vị trí khác nhau trên vật, nên ánh sáng mà chúng ta nhìn thấy ở một thời điểm nào đó đã đi tới chúng ta theo những con đường có chiều dài khác nhau. Và điều này dẫn tới một ảo giác tương đối tính trong đó vật dường như vừa bị co ngắn lại vừa bị quay lại.