Anhxtanh chạy song hành cùng với tia sáng

Bạn hãy hình dung cảnh tượng 1 người cảnh sát rượt đuổi 1 người lái xe chạy quá tốc độ. Nếu anh ta chạy đủ nhanh, anh ta biết rằng anh ta có thể tòm được người lái xe đó. Bây giờ ta thử thay người lái xe đó bằng 1 tia sáng. Một quan sát viên ko di chuyển làm chứng cho toàn bộ sự kiện sau đó sẽ nói rằng người cảnh sát chạy rất nhanh vượt lên song hành cùng tia sáng. Còn chúng ta thì tin rằng người cảnh sát cũng biết mình đã chạy song hành cùng tia sáng.
Nhưng khi phỏng vấn anh ta, chúng ta sẽ nghe được 1 câu chuyện khó tin. Anh ta quả quyết rằng, tia sáng nhanh chóng rời xa và bỏ lại anh ta trong gió bụi, bất kể anh ta có tăng tốc lên bao nhiêu. Tóm lại anh ta thề rằng anh ta ko thể nào đưởi kịp được tia sáng.
Đối với Einstein, đây là vấn đề mấu chốt. Có 1 bí mật: Sẽ xảy ra như thế nào đối với 2 người cùng quan sát 1 sự kiện theo 2 cách hoàn toàn khác nhau nếu vân tốc AS là 1 hằng số của tự nhiên? Sau nữa, quan sát viên làm thế nào khẳng định viên cảnh sát chuyển động gần sát với tia sáng, trong lúc người cảnh sát KĐ là ko thể đến gần với nó được?
Einstein sớm nhận ra được mâu thuẫn hoàn toàn giữa bưc tranh của Newton (vận tốc AS có thể cộng và trừ) và bức tranh của Maxwell (vận tốc AS là hằng số). Trong lí thuyết của Newton, giả sử hệ độc lập và đứng yên, nếu chỉ 1 trong các giả định này bị thay đổi thì nó sẽ tháo rời toàn bộ lí thuyết như 1 sợi len tháo rời ra khỏi chiếc áo len. Sợi len đó chính là tư tưởng mà Einstein đang theo đuổi.
Vào 1 ngày tháng 5 năm 1905, Einstein đến chơi nhà 1 người bạn thân là Michele Besso, người cùng làm việc với ông ở Patent Office và đưa ra 1 vấn đề mà ông ko hiểu được trong suốt 10 ngày. Dùng Besso như 1 phương tiện để thể hiện ý tưởng ưa thích nhất của mình, Einstein đưa ra vấn đề: cơ học Newton và các phương trình của Maxwell – các trụ cột của vật lí, đã ko phù hợp nhau. 1 trong 2 là sai, bất cứ lí thuyết nào được chứng minh là chính xác thì cách giải quyết cuối cùng cũng cần đến 1 sự cải tổ trong vật lí. Einstein đã trở đi trở lại những nghịch lí trong sự chạy đua với tia sáng. Sau này ông thường nói đùa: “mầm mống của thuyết tương đối ló ra từ nghịch lí đó”. Họ đã gọi cho nhau hàng giờ, tranh luận mọi khía cạnh của vấn đề, bao gồm cả khái niệm ko gian và thời gian tuyệt đối của Newton (Newton tách rời 2 khái niệm ko gian và thời gian), cái mà xem ra vi phạm với hằng số vận tốc AS của Maxwell. Cuối cùng, hoàn toàn mệt mỏi, Einstein thông báo rằng mình thất bại và đã từ bỏ công việc này.
Thuyết tương đối đặc biệt ra đời
Mặc dầu Einstein thất vọng, nhưng những suy tư của ông vẫn khuấy động trong đầu khi về nhà vào mỗi buổi tối. Ông nhớ lại lúc ông đi xe điện và ngoái lại nhìn tháp đồng hồ cao và nổi tiếng nhất của Bern. Sau đó, ông hình dung, sẽ thế nào nếu xe điện chạy với vẫn tốc AS so với tháp đồng hồ. Ông mau chóng nhận ra sẽ chẳng thấy cái đồng hồ nào cả vì ảnh sáng ko đuổi kịp xe điện. Nhưng đồng hồ đeo tay của ông trên xe điện vẫn đánh nhịp bình thường.
Sau đó, bất thình lình Einstein nhận ra chìa khoá của toàn bộ vấn đề. “A storm broke loose in my mind”. Một câu trả lời thật ngắn gọn: “thời gian có nhịp độ khác nhau trong toàn bộ vũ trụ, tuỳ thuộc vào vẫn tốc di chuyển của bạn”. Hãy hình dung các đồng hồ được đặt rải rác ở khắp nơi trong ko gian. Mỗi cái tick tack cũng có nhịp khác nhau. 1 giây trên trái đất ko có khảng thời gian bằng 1s trên mặt trăng. Thực tế thì chuyển động càng nhanh thì thời gian càng chậm. (1 lần Einstein nói đùa rằng,trong thuyết tương đối của ông, ông đặt cùng 1 loại đồng hồ ở mọi nơi trong vũ trụ đã reo ầm ĩ, nhưng thực tế là ông ko thể mua đủ từng ấy đồng hồ. Điều này có nghĩa là 1 sự kiện xảy ra đồng thời trong hệ này ko nhất thiết phải xảy ra đồng thời trogn hệ khác. Cuối cùng, ông nguỵ biện đổ cho “ý niêm của chúa”. Ông vẫn thường xúc động hồi tưởng lại: “câu trả lời đến với tôi đột ngột cùng với những suy nghĩ rằng những khái niệm và địng luật của chúng ta về ko gian và thời gian chỉ có thể được khẳng định có cơ sở khi chúng ta có 1 mối liên hệ rõ ràng với kinh nghiệm cuả chúng ta…bằng việc xem xét lại những khái niệm về tính đồng thời trong 1 dạng thực dễ thay đổi hơn. Theo cách đó tôi đã nhận thức được thuyết tương đối”

Nhớ lại nghịch lí về câu chuyện của người lái xe vi phạm tốc độ, cảnh sát chuyển động ngang bằng với tia sáng, trong khi chính người cảnh sát khẳng định rằng tia sáng đã rời xa anh ta với vận tốc chính xác bằng vận tốc AS. Chỉ có cách làm tương thích 2 bức tranh này là: trí não của viên cảnh sát đã bị chậm lại, thời gian cũng chậm đối với anh ta.Nếu chúng ta quan sát anh ta ở bên đường thì sẽ thấy đồng hồ anh ta gần như ngừng lại avf vẻ mặt anh ta đóng băng (tương tự như khi quan sát cảnh vật khi có tia chớp loé lên ta cũng sẽ thấy bánh xe như ngừng chạy, đó là do khoảng thời gian quan sát quá ngắn). Như vậy từ quan điểm của chúng ta, chúng ta thấy anh ta di chuyển ngang bằng với tia sáng, nhưng đồng hồ và trí não của anh ta thì gần như ngừng lại. Sau đó, hỏi anh ta, anh lại bảo là tia sáng đi xa mất. Đó là vì não và đồng hồ anh ta chạy quá chậm.


1 ngày sau khi khám phá ra điều đặc biệt này, Einstein quay lại nhà của Besso và ko “chào anh” như bình thường, anh thốt: “Cảm ơn anh, bài toán đã được giải quyết xong rồi.” Anh kiêu hãnh “1 bản phân tích về thời gian là câu trả lời của tôi. Thời gian ko thể được xác định 1 cách tuyệt đối, và có 1 mối liên hệ ko thể tách rời giữa thời gian và vận tốc của tín hiệu.” Trong hkoảng 6 tuần sau, Einstein cáu tiết, kết thúc mọi tính toán chi tiết cho những tư tưởng kì lạ của mình, dẫn đến 1 bài báo mà người ta cho là 1 công trình khoa học quan trọng nhất của mọi thời đại. Theo con trai của Einstein, “ông dã nghỉ ngơi suốt 2 tuần sau khi đã đưa cho mẹ tôi, bà Mileva kiểm tra lại các lỗi về toán học.”Cuối cùng, bản thảo “Điện động lực học về các vật thể chuyển động” gói gọn trong 31 trang viết tay đã làm thay đổi toàn bộ thế giới.
Trong tập bản thảo này, ông đã ko cảm ơn các nhà vật lí khác mà chỉ gửi lứòi cảm ơn đến Besso. Cuối cùng., bài báo được đăng trên Analen der physik volume 17. Người đồng nghiệp Mar Born đã viết: “Vol 17 là 1 trong số các tập quan trọng nhất trong toàn bộ các văn bản khoa học. Nó chưas 3 bài báo của Einstein, mỗi bài chưa 1 chủ đề và mỗi bài được thừa nhận là 1 kiệt tác”.
Bằng những khả năng đáng kinh ngạc, Einstein đã khởi đầu bằng việc công bố những lý thuyết không chỉ cho ánh sáng mà còn cho cả vũ trụ. Một cách xuất sắc, anh nhận được toàn bộ công trình của mình từ 2 tiên đề áp dụng cho các hệ quy chiếu quán tính .
Các địng luật vật lý giống nhau trong tất cả các hệ quy chiếu quán tính .
Vận tốc ánh sáng là bất biến trong các hệ quy chiếu quán tính.
Độ dài cũng như thời gian đều tương đối
E. chứng minh rằng, nếu tốc độ ánh sáng là 1 hằng số của vũ trụ thì giải pháp tổng quát nhất phép biến đổi Lorentz. Ông đã chỉ ra rằng các phương trình Maxwell quả thực có liên hệ vơ các nguyên lý đó. Sau cùng ông cũng cho thấy rằng vận tốc cũng được cộng nhưng theo 1 cách khác thường.
Newton quan sát chuyển động của thuyền buồm và kết luận rằng vận tốc được cộng không bị giới hạn , nhưng E. lại kết luận vận tốc ánh sáng là vận tốc cuối cùng của tự nhiên. Bây giờ bạn tưởng tượng mình đang ngồi trên một phi thuyền bay với vận tốc khoảng 90% vận tốc ánh sáng (90%.c) và bắn ra một viên đạn với cùng một vận tốc 90%.c cùng hướng. Theo quan điểm của Newton viên đạn sẽ bay với vận tốc 180%.c, nghĩa là lớn hơn vận tốc ánh sáng. Nhưng theo E., vì thước đo co ngắn lại và thời gian trôi chậm đi, nên tổng các vận tốc này gần bằng 99% vận tốc ánh sáng. Nói tóm lại, dù bạn cố gắng thử như thế nào bạn cũng không bao giờ làm tăng vận tốc vượt ra ngoài phạm vi này. Vận tốc ánh sáng là một giới hạn sau cùng về tốc độ của vũ trụ.
Chúng ta sẽ không bao giờ thấy được sự co lại thú vị này trong các thí nghiệm của chúng ta, vì rằng chúng ta sẽ không bao giờ chuyển động với vận tốc gần c được.với các vận tốc thông thường thì các định luật của Newton hoàn toàn phù hợp,dây là lí do cơ bản giải thích tại sao phải mất đến hơn 200 năm để tìm ra chỗ hiệu chỉnh đầu tiên cho các định luật của ông.Bây giờ chúng ta giả sử vận tốc của ánh sáng chỉ khoảng 120Km/h, hành khách ngồi trên 1 chiếc xe chạy dọc trên đường cao tốc sẽ bị nén lại theo phương chuyển động giống như sự nén đàn hồi Accordion, chẳng hạn là 1 inch, trong khi đó chiều cao vẫn giữ nguyên. Bởi vì hành khách trong xe sẽ bị nén lại 1 inch nên chúng ta nghĩ rằng họ sẽ la hét và tiếng thét kinh hoàng như là đôi chân của họ bị nhiền nát. Nhưng không, thực tế không thấy có 1 sự tổn hại nào cả vì tất cả mọi thứ trên xe, bao gồm cả các nguyên tử cấu tạo nên chúng cũng bị nén lại đúng 1 cách.
Khi xe chuyển động chậm dần thì mọi thứ lại dần dần nới ra, chậm chạp và thẩn trọng, từ 1 inch cho đến hết hoàn toàn và hành khách bước xuống xe như không có chuyện gì xảy ra cả. Vậy cái gì thực sự bị nén,bạn hay là xe? Theo thuyết tương đối, bạn không thể khẳng định được, vì khái niệm chiều dài không mang ý nghĩa tuyệt đối.
Một hệ quả vĩ đại nhất trong lịch sử.
Einstein tiến xa thêm 1 bước nữa và làm nên cú nhảy vọt quyết định. Cuối năm 1905, ông viết 1 bài báo ngắn, gần như là chú thích ko có tài liệu tham khảo, là 1 suy nghĩ tiếp theo về các hệ quả của lí thuyết tương đối. Nếu thước đo và đồng hồ trở nên sai lệch khi chuyển động nhanh thì mọi thứ mà bạn có thể đo bằng các dụng cụ đó cũng phải thay đổi, kể cả vật chất và năng lượng. Thực tế chúng có thể chuyển đổi qua lại lẫn nhau. Chẳng hạn, Einstein chỉ ra rằng khối lượng của vật chất tăng lên khi nó chuyển động nhanh. Khối lượng của nó sẽ tiến ra vô cùng khi vận tốc bằng vận tốc AS. Điều này ko thể có được, nó chứng minh rằng ko 1 vật thể nào có thể chuyển động đạt tới vận tốc AS. Nghĩa là năng lượng của chuyển động bằng cách này hay cách khác chuyển thành sự ătng khối lượng của hạt. Như vậy, vật chất và năng lượng có thể chuyển hoá cho nhau. Nếu bạn tính toán chính xác thì chỉ cần vài dòng đơn giản, bạn sẽ nhận được biểu thức E=mc^2, 1 phương trình nổi tiếng nhất của mọi thời đại (khắc trên bia mộ Einstein). Theo biểu thức trên thì chỉ cần 1 lượng vật chất nhỏ cũng có thể giải phóng 1 NL lớn đến khó tin, chẳng hạn chỉ cần bằng 1 muỗm uống trà vật chất cũng có thể cho ta NL bằng vài quả bom H hay khi có khối lượng bằng cái nhà thì sức công phá của nó đủ bẻ đôi trái đất.
Công thức Einstein ko đơn giản là 1 công thức vô dụng (!), vì ông cảm thấy chắc chắn rằng có thể dùng nó để giải thích 1 sự kiện lạ lùng trước đó đã được Marie Curi khám phá: 1 lượng nhỏ Radi phóng xạ liên tục, mỗi giờ 4000 Kcal nhiệt. Có vẻ như vi phạm nguyên lí thứ nhất của điện dộng lực học? E khẳng định rắng có sự giảm ko đáng kể về khối lượng trong quá trình Radi phóng xạ liên tục như vậy (kết luận ấy đã được thức nghiệm chứng minh là chính xác trong thời điểm ấy). Einstein đã viết: “ko biết thượng đế có lừa gạt hay cười cợt tôi hay ko?” và KĐ rằng viêcj xác minh hoàn toàn những phỏng đoán của ông vượt ra ngoài khả năng mà thí nghiệm có thể.
Banesh Hoffman- 1 SV xuất sắc viết: “hình dung 1 bước nhaỷ táo bạo này, mọi cục đất, mọi cái lông nhẹ, mọi hạt bụi dều trở thành cái hồ chứa NL khổng lồ chưa được khai thác. Ko có cách nào kiểm chứng được ở thời điểm này. Khả năng đặc biệt của ông ấy là tìm ra được trước tiên và thực tế đã chỉ ra rằng pt của ông ấy ko thể được kiểm chứng cho đến 25 năm sau”.
1 lần nữa lí thuyết tương đối thúc đẩy việc pahỉ xem xét lại toàn bộ vật lí cổ điển> Trước đó, các nhà VL tin vào sự bảo toàn NL. Nguyên lí thứ 1 của điện động lực học nói về trạng thái mà NL toàn phần ko bao giời được tăng hay giảm. Bây giờ các nhà VL đã biết rằng tổng hợp giữa năng lượng và vật chất trong trạng thái đó mới được bảo toàn.