Không-thời gian, khối lượng-năng lượng

Thế giới này không có gì cả, ngoài không gian cong trống rỗng. Vật chất, điện tích, điện từ và các loại trường khác đều chỉ là những biểu hiện của sự cong của không gian. Vật lý là hình học.

John Archibald Wheeler

Chúng ta sẽ xoắn cái đuôi của vũ trụ cho đến khi nó phải rít lên.

Oliver Wendlell Holmes

Chương 22: KHÔNG-THỜI GIAN / KHỐI LƯỢNG-NĂNG LƯỢNG

Trong hình mẫu Newton, không gian và thời gian là hai trong số bốn hòn đá tảng của thực tại vật lí. Năng lượng và khối lượng là hai hòn đá tảng còn lại. Trong số bốn yếu tố đó, không gian và thời gian là những chiều kích định vị sự vật và hành động. Trong lời nói, chúng bao gồm các trạng từ, tính từ, giới từ và bổ ngữ - “luôn luôn”, “sớm hơn”, “muộn hơn”, “ở đằng kia”, “ở phía dưới”. Khối lượng và năng lượng là những cái được định vị và thực hiện việc định vị trong không gian và thời gian. Chúng là chủ ngữ và động từ của một câu, là những nhân vật chính và hành động của họ. Cả bốn cùng diễn chung vở kịch của sự tồn tại hằng ngày.

Định luật bảo toàn năng lượng và người bạn song hành của nó, định luật bảo toàn khối lượng, là đôi chân vững chãi, khổng lồ đỡ thân hình Người khổng lồ vật lý cổ điển. Hai chân lý này được coi là bất biến, không thể thay đổi. Lời diễn tả thông tục hay nhất về định luật bảo toàn chính là câu cách ngôn của người Pháp Plus ça change, plus c’est la même chose (“càng thay đổi, thì lại càng y như cũ”). Định luật bảo toàn năng lượng nói rằng năng lượng không tự nhiên sinh ra hay bị mất đi trong bất kì một hệ đã cho nào. Dù nó phải chuyển đối thành bao nhiêu dạng đi chăng nữa, từ động năng sang điện năng tới quang năng, thành nhiệt năng - thì tổng năng lượng có ở lúc ban đầu cũng luôn phải bằng đúng tổng năng lượng có ở lúc cuối cùng.

Cái quy tắc của nhà kế toán cầu toàn ấy cũng được áp dụng đúng như vậy cho định luật bảo toàn khối lượng. Bất kì chất nào cũng có thể chịu sự chuyển hóa sao cho hình dạng và cấu trúc hóa học của nó có thể thay đổi hoàn toàn. Nhưng sau khi bị đập bằng búa, nung bằng lửa, bị ép chặt hay bị nổ tung - hai vế của sổ sách vẫn phải cân bằng. Khối lượng vật chất vẫn sẽ tồn tại, y nguyên như trước khi có bất kì thay đổi nào sớm nhất đã xảy ra.

Trong thực tế, Einstein đã nói vâng, vâng, cái đó đúng hoàn toàn; nhưng hãy giả thiết rằng năng lượng và khối lượng có thể được biểu diễn là tương dương nhau, giả thiết rằng chúng là những thực thể có thể trao đổi lẫn nhau. Theo Einstein, vật chất chỉ là một kho chứa năng lượng được đóng gói một cách gọn gàng. Ông đã làm cho sự tương đương khối lượng-năng lượng này trở nên bất hủ trong công thức đơn giản đến thanh nhã E = mc2. Cái phương trình bé xíu mà hùng vĩ này, một hệ quả trực tiếp từ các phương trình của thuyết tương đối hẹp, đã làm nhòa sự tách biệt giữa một trường năng lượng (động từ) với khối lượng của một vật ở trong trường đó (danh từ). Tương tự như chìa khóa của tính tương đối là sự không đổi của vận tốc ánh sáng, cái sợi dây gắn kết khối lượng và năng lượng cũng chính là tốc độ của ánh sáng. Bình phương của vận tốc ánh sáng là một con số hiển nhiên là khổng lồ.

E = mc2 thực sự chỉ ra rằng năng lượng trữ trong một khối vật chất im lìm nào đó sẽ bằng với 300.000 km/s được bình phương lên. Sức nổ bùng lên khi vật chất đột ngột chuyển hóa thành năng lượng chính là nguồn duy trì sự sống mà mặt trời của chúng ta đang liên tục phát ra.

Cũng tương tự không kém phần kịch tính là khi phương trình này đảo ngược và năng lượng chuyển hóa thành khối lượng; khi ấy chúng ta phải chấp nhận rằng năng lượng thuần túy đã vắt ra được vật chất từ cái trống rỗng của hư không. Các hạt cơ bản có thể thực sự xuất hiện không biết từ dâu đến, một quá trình creatio ex nihilo (“ra đời từ hư không”), thực sự đã làm cho các trường phi vật thể của năng lượng trở thành các bậc thủy tổ của khối lượng. Nguyên lý này, một thứ gì đó ra đời từ không cái gì cả, rất giống với sự xuất hiện không biết từ đâu của cơn mưa sữa mật lộc trời, nhờ nó mà người Do Thái đã sống được khi họ đang lang thang trong sa mạc với Moses, như Kinh Thánh kể. Lộc Chúa từ trên trời rơi xuống và vật chất nảy sinh từ năng lượng là những thứ gần gũi nhất mà ta có thể đạt được cho cái gọi là bữa trưa miễn phí từ vũ trụ. (Các nhà khoa học đã ước tính rằng toàn bộ năng lượng do các nỗ lực cơ bắp của tất cả loài người, cộng với các nhà máy điện hạt nhân, các lò luyện kim dùng than đá trong một năm, khi gộp cả lại, cũng chỉ tương đương với vài tấn vật chất. Còn năng lượng tinh thần dưới dạng các quá trình điện từ và điện hóa trong não của tất cả loài người thì chỉ chiếm chưa đến một phần tỉ gam trong một giây!)

Đến cuối năm 1905, Einstein đã đặt được nền móng cho hai thực thể hoàn toàn mới, đó là continuum không-thời gian và sự tương đương khối lượng-năng lượng. Chỉ trong vòng có mấy tháng, ông đã liên kết được không gian với thời gian và ràng buộc được năng lượng với vật chất. Bằng cách này, bốn hòn đá tảng nguyên thủy của cái pháo đài thực tại vật lý Newton bất khả chinh phục - không gian, thời gian, khối lượng và năng lượng - giờ đây đã được kết hợp thành hai thực thể nhị nguyên Einstein là không-thời gian và khối lượng-năng lượng, mỗi một thực thể này được gắn kết bởi thứ keo đầy nghịch lí, đó là vận tốc của một chùm sáng.

Từ năm 1907, Einstein bắt đầu trăn trở với suy nghĩ về khả năng hai thực thể kép này của ông - không-thời gian và khối lượng-năng lượng - cũng là những khía cạnh có quan hệ tương hỗ với nhau, bổ sung cho nhau. Ông linh cảm thấy rằng continuum không-thời gian và sự tương đương khối lượng-năng lượng có liên quan với nhau như thế nào đó, song ông chưa tìm ra được các phương tiện để diễn tả mối quan hệ ấy bằng ngôn ngữ toán học. Khi đó, ông đã nói:

“Tự nhiên chỉ cho chúng ta thấy mỗi cái đuôi của con sư tử. Nhưng tôi không mảy may nghi ngờ rằng con sư tử đang ở đó, ngay cả khi nó không để lộ toàn bộ thân hình mình ngay một lúc, chỉ vì nó quá khổng lồ”.

Khi Eistein nói với Max Planck về cái mà ông đang cố gắng đạt được, Planck đã đáp:

“Với tư cách là bạn rất lâu của ông, tôi phải khuyên ông chớ nên làm điều đó, trước hết là ông sẽ không thành công; thậm chí nếu ông thành công, thì cũng chẳng có ai tin ông đâu”.

Bỏ qua lời khuyên của Planck, trong gần mười năm, Einstein đã cố liên kết hai thực thể đó, nhưng không thành công. Bứt rứt, ông tìm đến người bạn từ thuở niên thiếu là Grossmann, một nhà toán học thông thái. Trong câu chuyện dài của hai người về chủ đề này, Grossmann kể cho Einstein nghe về một loại hình học phi Euclid kì cục, sản phẩm trí tuệ của Bernhard Riemann. Như đã nói ở Chương 8, Riemann là một người trong cái nhóm nhỏ mấy nhà toán học thế kỉ mười tám đã dám cả gan đặt vấn đề thách thức những giả định của hình học Euclid. Và chuyện gì phải xảy ra thì đã xảy ra: các công thức của Riemann vừa như in với những gì Einstein quan niệm về hình dạng của không thời-gian. Khái niệm trừu tượng, mang tính lý thuyết cao của Riemann về không gian, được tin là không có ứng dụng gì trong thế giới thực, đâm ra lại rất thực.

Năm 1915, sử dụng các phương trình trường tenxơ của Riemann, Einstein đã thành công trong việc diễn tả sự liên kết tương hỗ giữa không thời gian và khối lượng-năng lượng trong lý thuyết mới của ông, thuyết tương đối rộng. Để nhắc lại, xin nói rằng ánh sáng, hay chính xác hơn là vận tốc của ánh sáng, đã trở thành một thứ keo Con Voi[1] kết nối trước hết không gian với thời gian, rồi sau đó là vật chất và năng lượng (Hình 22.1). Sau khi Einstein đã làm được việc gắn được bốn góc này của thực tại thành hai cặp, ông bây giờ đã có thể gắn kết hai cặp này vào thành một mối quan hệ tuyệt vời nhất của ông. Những gì Einstein đưa vào trong thuyết tương đối rộng của ông và sản phẩm của nó - sự chết đi của các ngôi sao, không thời gian cong, các lỗ đen - là sự miêu tả thực tại đẹp đến nhói lòng và có tầm quan trọng hết sức sâu sắc. Nhà văn khoa học Nigel Calder đã nói: “Nếu bạn chưa cảm thấy đất chuyển dưới chân mình khi bạn chiêm nghiệm những ý tưởng ấy của ông, thì bạn chắc chắn đã bỏ lỡ cơn rùng mình của thế kỉ”.

Hinh22.1.jpeg

Hình 22.1. Đồ hình của thuyết tương đối rộng

Mặc dù thuyết tương đối rộng đã làm thay đổi đến tận gốc rễ những quan niệm trước kia về lực hấp dẫn, nhưng nó lại đơn giản đến mức có thể diễn tả nó chỉ trong một phương trình gồm có mỗi một dòng: Không gian thời gian bằng với vật chất năng lượng. Bài thơ haiku súc tích này là một công án Thiền mời gọi sự suy tư và chiêm nghiệm.

Bằng việc kết hợp cả bốn cột trụ của thực tại thành một cặp các bó có quan hệ tương hỗ với nhau, Einstein đã mở toang cánh cửa dẫn đến mật cung linh thiêng chứa đựng bí mật vĩ đại về lực hấp dẫn. Trong quá trình ấy, ông đã giải thích một điều đã dính liền với sự tồn tại của loài người đến mức được coi là đương nhiên. Chúng ta từ trước đến giờ bị gắn chặt trên mặt đất như lũ ruồi bị dính trên mặt giấy bẫy ruồi mà không hề thấy có một loại keo nào, cái sự thật cơ bản ấy là một thứ chân lý tiềm thức đến mức hiếm có ai lại nghĩ đến chuyện để tâm đến vấn đề ấy.

Trong hồi kí của mình, Einstein nói rằng cái giây phút khi tất cả những mối liên hệ ấy đột ngột kết thành một khối trong đầu ông, là “phút giây suy nghĩ hạnh phúc nhất đời tôi”. Trong một bài giảng nhiều năm sau, ông nhớ lại chuyện đã xảy ra như thế nào:

“Tôi đang ngồi trên ghế trong cơ quan cấp bằng sáng chế ở thành phố Bern, thì đột nhiên nảy ra ý nghĩ: nếu như một người bị rơi tự do, thì anh ta sẽ không cảm thấy trọng lượng của chính mình. Tôi sững sờ. Ý nghĩ đơn giản này đã tạo ra một ấn tượng rất sâu sắc trong tôi. Nó buộc tôi phải suy nghĩ tìm ra một lý thuyết về hấp dẫn.”

Trong quá trình vạch ra các mối quan hệ tương hỗ giữa không gian, thời gian, năng lượng và khối lượng, Einstein đã nhìn xuyên qua được cái mặt nạ ảo ảnh muôn mặt đang che khuất sự thống nhất thật sự của vũ trụ. Thuyết tương đối rộng đã miêu tả bằng các chi tiết toán học việc vật chất “bảo” không-thời gian phải cong như thế nào và không-thời gian bị uốn cong “bảo” vật chất phải xử sự ra sao. Mối quan hệ tương hỗ giữa hai thực thể mới này của Einstein có nghĩa rằng mỗi thực thể đã thông báo cho thực thể kia về những tính chất mà chúng cần thể hiện. Nhị nguyên có tính bổ sung này, hay là sự tương tác giữa không-thời gian và khối lượng-năng lượng, tạo thành kết quả là một lực mà chúng ta gọi là lực hấp dẫn trong thế giới ba chiều của chúng ta. Ý tưởng này chính là tâm hồn và trái tim của thuyết tương đối rộng. Abraham Pais, một nhà viết tiểu sử của Einstein, nói: “Nếu như công trình năm 1905 ngang tầm với Mozart, thì công trình 1907-1915 đã gợi ta nhớ đến Beethoven”.

Ví dụ, chúng ta thông thường không cho rằng trọng lượng của một quả táo sẽ phụ thuộc vào không gian và thời gian tồn tại của nó. Nhưng thực sự đó là bí quyết đứng đằng sau màn trình diễn ảo thuật mà ta gọi là thực tại. Ngược lại, mặc dù là vô cùng bé nhỏ, nhưng quả táo đã uốn cong không thời gian ngay sát chung quanh nó.

Sẽ không chính xác nếu ta nói về tác động của khối lượng lên thời gian hay không gian một cách riêng biệt, vì không gian và thời gian chỉ trình hiện như những yếu tố khác nhau, tách biệt trong thế giới ba chiều của chúng ta mà thôi. Trong thế giới bốn chiều của Minkowski, chúng tồn tại ở một dạng khác mà giờ đây chúng ta gọi là không-thời gian. Bởi vì ngôn ngữ của chúng ta bị bó buộc bởi thế giới ba chiều kinh nghiệm của chúng ta, cho nên đến giờ vẫn chưa có một thứ ngôn ngữ thông dụng để nói về thuyết tương đối rộng và thực tại mà nó giải thích. Các hình ảnh của nghệ thuật tiền phong và những hiểu biết sâu sắc của vật lý phần lớn đều vượt quá năng lực của ngôn từ thông thường để diễn đạt các ý tưởng này. Như Henri Bergson đã thốt lên sau khi dự một buổi gặp gỡ trong đó lần đầu tiên ông được nghe nói về thuyết tương đối rộng: “Tôi thấy trong công trình này không phải chỉ có một ngành vật lý mới, mà trên một số phương diện, còn có cả một lối tư duy mới”.

Image68.png
Hình 22.2. (Bên trái) Không (Bên phải) thời gian nở ra ở gian co lại ở gần khối lượng và gần khối lượng và co lại ở xa dãn ra ở xa nó.

Để miêu tả thuyết tương đối rộng, cần phải nói về không gian, thời gian, khối lượng và năng lượng cứ như là chúng tách biệt với nhau, mặc dù thực tế không phải vậy. Trong những điều kiện quy ước như thế, không gian sẽ nén lại ở gần bề mặt khối lượng của bất kì vật thể nào. Điều này cũng tương tự như hiện tượng co làm nén không gian lại đối với những người quan sát di chuyển với các vận tốc gần vận tốc ánh sáng mà ta đã bàn tới ở Chương 9. Tuy nhiên, trong thuyết tương đối rộng, chính là khối lượng của vật thể đã tạo ra sự nén không gian, chứ không phải là vận tốc của người quan sát (như là trong thuyết tương đối hẹp). Không gian càng gần bề mặt của khối lượng đang xét, thì nó càng bị nén một cách đàn hồi và bị cong theo bề mặt của vật thể ấy (Hình 22.2).

Hiệu ứng khối lượng nén không gian quanh nó có một hệ quả kì lạ là thời gian khi ấy nở ra trong vùng gần khối lượng. Một chiếc đồng hồ ở tầng trệt một tòa nhà cao ốc sẽ chạy chậm hơn chiếc khác ở trên nóc tòa nhà ấy, tức là ở xa khối lượng của trái đất (các Hình 22.2 và 22.3).

Hinh22 3.jpeg

Hình 22.2. Đồng hồ đặt ở xa khối lượng của trái đất sẽ chạy nhanh hơn đồng hồ ở gần trái đất hơn.

Thời gian ở cách xa các vật thể có khối lượng sẽ tăng tốc (nén lại), trong khi đó thì không gian lại giãn nở ra. Gần khối lượng của trái đất, thời gian sẽ lại nở ra và không gian thì co lại. Cái ý tưởng lạ lùng này, cốt lõi của thuyết tương đối rộng đã được chứng minh bằng thực nghiệm, người ta đặt một chiếc đồng hồ nguyên tử cực kì chính xác trong một máy bay và cho máy bay bay ở độ cao lớn. Khi máy bay hạ cánh, đồng hồ trên máy bay đã chạy nhanh hơn một chiếc khác giống hệt, đã được chỉnh khớp giờ với nó lúc ban đầu, nhưng được để ở lại trên mặt đất.

Einstein đã sử dụng một biến thể của nghịch lý nổi tiếng của ông về hai anh em sinh đôi để minh họa cho sự dị thường này. Nếu một trong hai người đó lên một con tàu vũ trụ rời khỏi trái đất và tránh xa các vật có khối lượng, thì khi con tàu quay trở về trái đất, đoàn tụ với người anh em ở lại nhà, con người lãng tử này sẽ nhận thấy có một sự khác lạ đến kì cực. Người anh em sinh đôi ở lại trên trái đất sẽ già hơn người đã có thời gian ở trên tàu vũ trụ, trong điều kiện lực hấp dẫn bằng không[2].

Chùm sáng là thứ duy nhất ở trong vũ trụ không bị cong đi, chảy ra hay thay đổi. Sự không đổi cả về phương và tốc độ của nó là một bất biến tuyệt đối, bất biến như sao Bắc đẩu vậy. Trong thế giới ba chiều của chúng ta, vận tốc của ánh sáng trong chân không luôn luôn là 300.000 km/s, đường đi của nó luôn luôn tuyệt đối thẳng như kẻ chì. Tuy nhiên, khi ánh sáng vượt qua một khoảng không-thời gian bị uốn cong, nó dường như cong đi và ngắn lại. Tôi nói “dường như” bởi vì không phải đường đi của ánh sáng đã thay đổi, mà là hình dạng của bản thân không-thời gian. Ánh sáng luôn luôn thẳng và chuyển động đều. Không-thời gian không ở gần nột khối lượng nào thì có thể được miêu tả là phẳng và có tất cả những tính chất của không gian Euclid. Tuy nhiên, không-thời gian nằm gần một vật thể có khối lượng thì sẽ bị biến dạng, bị uốn cong. Theo các phương trình trường của thuyết tương đối rộng, khối lượng sẽ “bảo” không-thời gian phải có hình dạng như thế nào. Không-thời gian được đúc theo sự hiện diện của vật có khối lượng và ngược lại, khối lượng chính là sự thể hiện của không-thời gian bị uốn cong mạnh. Lực mà chúng ta gọi là hấp dẫn trong thế giới ba chiều của chúng ta thực tế là do sự tác động qua lại của không-thời gian ở gần một vật thể trong chiều thứ tư.

Để sử dụng giải thích của Arthur Eddington về việc tại sao các tia sáng có vẻ như bị uốn cong ở gần các vật có khối lượng, hãy tưởng tượng chúng ta đang ở trên một con thuyền có đáy bằng kính đi quan sát hoạt động của lũ cá thái dương đang bơi lượn tung tăng sát đáy hồ. Chúng ta có thể thấy lũ cá nói chung bơi gần như theo đường thẳng, nhưng có một điểm mà chúng lúc nào cũng đổi hướng để tránh. Quan sát thấy như vậy, chúng ta cho rằng phải có một lực đẩy nào đấy đã làm cho các con cá phải lảng ra xa chỗ đó.

Nhưng nghiên cứu kĩ hơn, ta mới phát hiện thấy hóa ra là chả có “lực” nào đẩy cá ra cả, mà là có một đụn cát từ đáy hồ nhô lên ở chính chỗ đó. Đàn cá, luôn luôn bơi sát đáy hồ, chỉ đơn giản là đi theo con đường nào dễ dàng nhất có sẵn cho chúng, đó là con đường vòng quanh đụn cát, chứ không phải vượt lên trên đụn cát. Sự tưởng nhầm của chúng ta là do vị trí quan sát của chúng ta, vị trí nhìn chỉ có hai chiều. Cái “lực” vô hình té ra là một vật thể nhìn thấy được rất rõ trong thế giới ba chiều. Tương tự như vậy, ánh sáng có vẻ như đã cong đi khi vượt qua một vùng không-thời gian bị uốn cong ở gần một vật có khối lượng, nhưng thực ra, giống như đàn cá trong ví dụ trên, nó chỉ đơn thuần đi theo con đường ít cản trở nhất đối với nó mà thôi.

Một hiệu ứng khác thường nữa của thuyết tương đối rộng là khối lượng có ảnh hưởng tới màu sắc. Ánh sáng khi ở gần một vật thể có khối lượng sẽ dịch chuyển về phía đầu màu lam của dải quang phổ; khoảng cách càng xa thì ánh sáng càng dịch chuyển về phía đầu màu đỏ. Nguyên lý này khi được chuyển vị sang nghệ thuật sẽ ngụ ý rằng các vật thể sẽ ảnh hưởng tới màu sắc của không gian bao quanh chúng và màu sắc của không gian ở gần kề các vật thể có khối lượng là một giá trị tương đối.

Trong giai đoạn ở giữa lần công bố thuyết tương đối hẹp của Einstein năm 1905 và những kết nối vĩ đại của ông năm 1915, cộng đồng các nhà vật lý đã trải qua một nỗi sửng sốt đáng kể. Chất ether dẫn sáng ngập tràn mọi nơi giờ đây không còn nữa. Cái chất vô hình này, theo các nhà vật lý thế kỉ mười chín, được coi là choán đầy khoảng không gian giữa các vì sao đồng thời cũng là chất mang các sóng ánh sáng. Giờ đây, nó đã bay hơi mất tăm cùng với sự công bố thuyết tương đối hẹp của Einstein. Bởi vì lực hấp dẫn cũng phụ thuộc vào ether, mà bây giờ ether không còn tồn tại nữa, nên các nhà khoa học hỏi nhau, vậy thì sự tác-dụng-từ xa, khối-lượng-tác-dụng-lên khối-lượng-ở-xa sẽ vận hành dựa trên nguyên lý nào? Điều bí hiểm - một cục vật chất này lại có thể tác dụng lên một cục vật chất khác ở xa nó, mà giữa chúng không có gì hết - vẫn còn là một điều rắc rối, khó hiểu như xưa. Nếu không có ether, các nhà vật lý nghĩ đến nát óc, thì làm sao trái đất có thể tác động lên mặt trăng và quả táo lại có thể rơi từ trên cây xuống.

Câu trả lời cho những câu hỏi này đang đến gần, khi để có được một sự hiểu biết thấu đáo, Einstein trước hết đã chuẩn bị cho mình bằng việc vượt qua nỗi sợ bản năng đối với sự rơi. Trong một thí nghiệm tưởng tượng, ông đã thử hình dung mình sẽ thấy gì nếu bị ngã từ trên đỉnh một tòa nhà cao tầng xuống. Trong khi rơi vùn vụt mà vẫn ung dung, Einstein có đủ thời gian lấy bút và sổ tay ghi vài nhận xét. Nhưng ông để ý thấy rằng nếu ông buông bút và sổ ra, chúng dường như sẽ nằm bất động (với ông!) bởi vì chúng cũng đang rơi vùn vụt với tốc độ - như Galileo đã chứng minh - đúng bằng tốc độ của ông (tất nhiên là bỏ qua sức cản của gió). Nói một cách khác, Einstein chỉ có thể biết được mình đang rơi mỗi lúc một nhanh xuống đất, nếu như so sánh với tòa nhà đang lao ngược lại về phía ông mỗi lúc một nhanh. Ông cần phải thấy một hệ quy chiếu khác để xác định ông đang tăng tốc hay đứng yên trong không gian. Không có tòa nhà bất động dùng làm điểm quy chiếu đối sự tăng tốc của mình, Einstein sẽ không thể có cách nào xác nhận được trạng thái chuyển động của mình cho đến khi chạm đất. Trong cú ngã tưởng tượng của Einstein, sự hiểu biết sâu sắc đầu tiên của ông là gia tốc, giống như vận tốc đều, cũng cần phải có một điểm quy chiếu nằm ở bên ngoài để ông có thể biết được chuyển động của mình.

Hinh22 4.jpeg

Hình 22.4. Hành khách sẽ trôi nổi bồng bềnh trong cái hộp kín mít ở khoảng không vũ trụ cách xa các vật thể có khối lượng.

Tiếp sau đó, Einstein tưởng tượng ra một cái hộp kín mít, to bằng cỡ một buồng thang máy, ở rất xa trong không gian vũ trụ, cách các thiên thể lớn một khoảng cách đủ để các lực hấp dẫn tác dụng lên nó là nhỏ không đáng kể. Một người du hành trong đó sẽ ở trong tình trạng không có lực hấp dẫn, hay là “rơi tự do”, một hình ảnh quen thuộc ở cuối thế kỉ này, chứ không phải là ở đầu thế kỉ, nhờ có nhiều bức ảnh chúng ta đã được xem từ các chương trình thám hiểm không gian vũ trụ. Không có bất kì lực hấp dẫn nào từ bên ngoài tác động lên vị hành khách của chúng ta ở trong hộp, anh ta đơn giản chỉ trôi nổi bồng bềnh quanh quẩn bên trong những bức tường của cái hộp trong khi bản thân nó cũng bồng bềnh trong không gian, bởi vì cả người lẫn hộp đều đang di chuyển với vận tốc đều y hệt nhau, không đổi, không chịu ảnh hưởng của lực hấp dẫn (Hình 22.4).

Hinh22 5.jpeg

Hình 22.5. Nếu có một lực tác dụng lên hộp làm cho nó có gia tốc bằng 9,8m/s”, thì vị hành khách của chúng ta sẽ cảm thấy một thành hộp như là “sàn nhà”.

Sự hiểu biết sâu sắc đơn giản thứ hai của Einstein là nếu cái hộp đột ngột tăng tốc, thì ngay lập tức, người hành khách sẽ “rơi”: anh ta sẽ thấy có một lực ép chặt đôi bàn chân của anh ta xuống một mặt tường nào đó, và anh ta khi đó sẽ cảm thấy mình được định hướng theo hướng “trên”, “dưới” và coi bức tường mà mình đặt chân là “sàn” (Hình 22.5) (Trong thí nghiệm của Einstein, tăng tốc hay giảm tốc đều có hiệu ứng như nhau. Để đơn giản, tôi chỉ nói đến tăng tốc). Đối với người hành khách ở xa ngoài khoảng không vũ trụ, anh ta giờ đây đã “đứng thẳng”. Bất kì ai đứng ở trong thang máy đang tăng tốc nhanh đều trải qua cái cảm giác về cái sức ép tương tự như lực hấp dẫn ấy. Trong vật lí, cái lực này gọi là g. Nhưng nếu như cái hộp thang máy trong ví dụ này tình cờ lại tăng tốc với gia tốc đúng bằng 9,8m/s”, thì hành khách này sẽ không phân biệt được là anh ta đang ở trong hộp đặt đứng im trên mặt đất hay là đang được gia tốc trong hộp ở ngoài không gian vũ trụ. Do thiếu cửa sổ nhìn ra ngoài để kiểm tra hệ quy chiếu của mình, anh ta phát hiện ra hai khả năng hoàn toàn không thể phân biệt được với nhau đó, bởi vì gia tốc 9,8m/s” đúng là gia tốc mà lực hấp dẫn tác dụng lên mỗi chúng ta khi đứng trên mặt đất. (Hình 22.6).

Hinh22 6.jpeg

Hình 22.6. Nếu cũng cái hộp kín mít đó đặt đứng yên trên mặt đất, thì vị hành khách của chúng ta sẽ không thể nào phân biệt được giữa tình huống được gia tốc trên Hình 22.5 và tình huống ở đây, đứng yên trên mặt đất. Anh ta cần phải nhìn qua cửa sổ để so sánh hệ quy chiếu của mình với một hệ quy chiếu khác.

Einstein lại tiếp tục băn khoăn hỏi tại sao chúng ta lại phải phân biệt hấp dẫn với gia tốc, và phải đặt cho chúng một cái tên riêng. Trong thí nghiệm tưởng tượng của ông, khác biệt duy nhất giữa chúng là hấp dẫn xảy ra ở gần các vật thể có khối lượng. Einstein kết luận: lực hấp dẫn không khác gì lực được tác dụng bởi gia tốc. Thế là tương tự như năm 1905, với sự trong sáng ngây thơ của một đứa trẻ, Einstein đã tuyên bố: cái gì vốn thế, chính là thế.

Nhưng nếu hấp dẫn chỉ là gia tốc thôi, thì cái gì đang tăng tốc khi chúng ta đang đứng yên, với hai chân bám chặt lên mặt đất? Einstein cho rằng khối lượng của trái đất cũng làm cong không-thời gian bao quanh nó. Cái không gian bốn chiều bị vò nhàu này đã tạo ra một ảo giác về một lực đặc biệt trong không gian ba chiều mà thực ra vốn không tồn tại trong không-thời gian. Câu trả lời của Einstein cho câu hỏi của Newton về cái gì chính xác đã tạo nên lực hấp dẫn là: hấp dẫn có vẻ như là một lực trong không gian ba chiều, nhưng thực ra nó là gia tốc trong không-thời gian bị cong mạnh tương tác với tương đương khối lượng-năng lượng trong bốn chiều.

Lời tuyên bố năm 1915 của Einstein nói rằng cái bề ngoài có vẻ như là một lực gọi là lực hấp dẫn chỉ là một ảo giác, do không-thời gian bị uốn cong bao quanh một khối vật chất đậm đặc, là ý tưởng mới mẻ đầu tiên về cái thực tế cơ bản mà ai cũng đã trải nghiệm qua hằng ngày kể từ thời Newton. Lí thuyết của Einstein mang tính cách mạng đến mức ông đã lật nhào những giả định thiêng liêng của phương Tây về không gian, thời gian và khối lượng, do Aristotle và Euclid thiết lập, rồi được Galileo, Newton và Kant củng cố. Nằm ngầm trong tất cả tác phẩm của các ông là những ý niệm cho rằng không gian là tách biệt với thời gian, và cả hai chẳng có gì liên quan đến vật chất cả. Bệ đỡ tiên khởi cho tất cả các hệ thống của họ là quan niệm cho rằng không gian cũng chỉ có tính vật chất không khác gì tính vật chất của một cái bóng. Tuy nhiên, khi Einstein chỉ ra rằng không gian có thể bị vật chất vò nhàu và làm biến dạng, hơn thế nữa không gian còn có khả năng tác động sâu xa đến khối vật chất, thì tức là ông đã chứng tỏ không gian là một cái gì đó. Như trong thuyết tương đối hẹp năm 1905, và một lần nữa trong thuyết tương đối rộng, Einstein đã chỉ ra rằng ý niệm về thời gian tuyến tính chỉ là một ý niệm lầm lẫn, nó như con ma bóng poltergeist đang cười sằng sặc ám ảnh cái thế giới ba chiều ảo giác đang tồn tại của chúng ta.

Thực sự, Einstein đã tung ra chiếc găng tay thách đấu, nhưng nó không rơi xuống, mà thay vào đó, lại trôi ngoằn ngoèo trong không-thời gian bị uốn cong. Nếu vật chất đã uốn cong không-thời gian như Einstein nói, thì các chùm sáng cũng sẽ thấy uốn cong khi chúng đi gần các vật thể có khối lượng lớn. Cộng đồng ưa thực tiễn của các nhà vật lý thực nghiệm đã nghĩ ra một thí nghiệm để chứng minh hay phản bác cái lý thuyết độc đáo đến khiêu khích này. Họ chấp nhận lời thách đấu và nghĩ ra một thí nghiệm phải dùng đến toàn bộ hệ mặt trời cùng vũ trụ để làm phòng thí nghiệm.

Năm 1919, Arthur Eddington đã dẫn đầu một đoàn công tác, chất nặng các dụng cụ thiên văn học đi sâu vào đảo Principe ngoài khơi châu Phi, bởi trong một ngày nhất định của năm đó, tại một địa điểm nhất định ở đó, có thể quan sát trọn vẹn được một nhật thực toàn phần. Trong một thoáng chốc, khi vầng mặt trời sáng lòa bị bóng đen của mặt trăng đi qua che phủ hết, bầu trời sẽ tối sầm lại và các vì sao sẽ hiện ra giữa ban ngày.

Theo lý thuyết của Einstein, tia sáng của các ngôi sao đi qua rìa mặt trời sẽ cong đi, bởi chúng phải vượt qua không-thời gian cong bao quanh mặt trời. Nếu ông đúng, thì các ngôi sao sẽ xuất hiện ở một vị trí trên bầu trời ban ngày bị tối lại khi ấy, khác so với vị trí sau đấy vào ban đêm chúng sẽ hiện ra, bởi vì đến đêm, sẽ không còn vật thể nào có khối vật chất lớn như mặt trời để ép không-thời gian giữa ánh sáng sao và con mắt người quan sát (Hình 22.7).

Eddington đã chụp ảnh vị trí của các ngôi sao tại khu vực gần mặt trời trong thời gian nhật thực để so sánh với những vị trí của chúng trong đêm. Trong khi chờ rửa ảnh, ông đã biết rằng các kết quả của ông hoặc sẽ khẳng định hoặc phá tan lý thuyết mang tính cách mạng của Einstein. Cuối cùng, giữa các bầy muỗi và lũ khỉ, ở gần nơi mà thủy tổ của loài người có lẽ lần đầu liên đã từ trên cây trèo xuống mặt đất và chấm dứt việc thách thức với lực hấp dẫn, các số liệu của Eddington hiện ra khẳng định: Einstein đã đúng. Einstein, tất nhiên, đã chẳng mảy may nghi ngờ. Khi một sinh viên của ông hỏi liệu Einstein sẽ cảm thấy như thế nào, nếu các kết quả của Eddington không xác nhận lý thuyết của ông, Einstein đáp: “Tôi sẽ cảm thấy thương thay cho Chúa - bởi lý thuyết đúng”.

Hinh22 7.jpeg

Hình 22.7. Các tia sáng chuyển động qua không-thời gian cong ở gần một vật có khối lượng lớn sẽ bị lệch so với đường đi thẳng quen thuộc của chúng

Việc một người Anh đã khẳng định lý thuyết của một người Đức đã có tác dụng như một niềm an ủi xoa dịu các cộng đồng khoa học bị cô lập, đầy tính dân tộc chủ nghĩa sau chiến tranh. Từ đó trở đi, cái tên Einstein trở nên đồng nghĩa với vinh quang sáng ngời của trí tuệ con người.

Chú thích

  1. Nguyên văn Krazy Glue: Tên thương mại của một loại keo dán đa chức năng do các nhà khoa học của hãng Kodak sáng chế ra vào năm 1942, thông dụng ở Mĩ cho đến ngày nay. - ND
  2. Trong nghịch lý anh em sinh đôi có liên quan đến thuyết tương đối hẹp, thì một người bay khỏi trái đất với vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng, khi trở về từ chuyến du hành siêu tốc ấy, anh ta trẻ hơn người anh em của anh ta ở lại quê nhà, do thời gian đã nở ra ở những vận tốc rất cao.

Tác phẩm, tác giả, nguồn

  • Tác phẩm: Nghệ thuật và vật lý
  • Tác giả: Leonard Shlaintli Bach
  • Biên dịch: Trần Mạnh Hà và Phạm Văn Thiều
  • Nhà xuất bản tri thức
"Like" us to know more!