Thuyết tương đối cho mọi người 1

Thuyết tương đối cho mọi người 1

LỜI GIỚITHIỆU
Không mấy ai không biết đến tên tuổi của Albert Einstein, nhưng cũng không mấy ai hiểu được tư duy đầy sáng tạo của ông. Có lẽ cái độc đáo có một không hai của ông cũng còn là ở chỗ đó chăng?
Nhân loại chúng ta đã bước qua năm 2001, năm mở đầu của thế kỷ 21, năm đầu tiên của thiên niên kỷ thứ 3. Vào dịp chuyển giao trọng đại giữa hai thiên niên kỷ. Tạp chí Mỹ Time Magazine đã bầu chọn một tên tuổi sáng chói - Albert Einstein - nhà vật lý học lừng danh thế giới, người có cống hiến vĩ đại đối với loài người - làm danh nhân tiêu biểu số 1 của loài người trong vòng một trăm năm của thế kỷ 20. Chắc hẳn chúng ta đều chia sẻ hoan hỉ đối với sự bầu chọn đầy tính thuyết phục ấy.
Nhưng cũng đáng suy nghĩ biết bao khi một thiên tài kỳ vĩ như vậy của nhân loại dường như vẫn còn như xa lạ với chúng ta, vì ông ít được giới thiệu với đông đảo công chúng nước ta.
Nhà vật lý học người Mỹ Gardner, tác giả cuốn sách mà chúng ta dịch ra đây cũng từng nói rằng, trên thế giới chỉ có chừng mươi mười hai người hiểu được ông, kể cả những nhà vật lý tầm cỡ. Lại nữa, như một chuyện vui về cuộc đối thoại giữa Einstein và vua hề Charles Chaplin kể rằng chính là Chaplin đã thừa nhận mình nổi tiếng vì ai cũng hiểu còn Einstein thừa nhận mình nổi tiếng vì không ai hiểu!
Nhưng may thay trong gần một trăm năm trở lại đây, kể từ khi Einstein công bố phát minh thuyết tương đối hẹp vào năm 1905 và thuyết tương đối tổng quát vào năm 1916, có nhiều nhà khoa học mến mộ ông và tìm cách "diễn nghĩa" tư tưởng của ông với đông đảo bạn đọc, và có những thành công đáng kể như Bectơrăng với cuốn ABC về thuyết tương đối và gần đây Martin Gardner với cuốn Thuyết tương đối cho mọi người (Relativity for the million) v. v...
Với tất cả những bức xúc, trăn trở và cơ hội có được, chúng tôi đã mạo muội đề xuất việc dịch sang tiếng việt cuốn sách của M. Gardner và rất mừng là ngay lập tức ý tưởng này đã được Nhà xuất bản Đại học Quốc gia nhiệt liệt ủng hộ. Nhưng vì trình độ có hạn và thời gian gấp gáp, chắc chắn bản dịch không tránh khỏi những thiếu sót về nội dung cũng như về thuật ngữ. Vượt lên tất cả là mong có sự đóng góp nhỏ bé nào đó để tư tưởng vĩ đại của Einstein được ngày càng đến gần với mọi người hơn, trong đó có cả bản thân người dịch, đồng thời cũng là để hướng đến năm 2005 kỷ niệm 100 năm ngày ra đời của thuyết tương đối và 50 năm ngày mà Anbert Einstein, giống như chàng Atlas huyền thoại để lại trái đất cho nhân loại và bay vào vũ trụ vĩnh hằng trong niềm thương tiếc và biết ơn vô hạn của nhân loại trường sinh.
Xin chân thành cảm ơn Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội và sự chỉ giáo góp ý của đông đảo bạn đọc gần xa.
CHƯƠNG 1: TUYỆT ĐỐI HAY TƯƠNG ĐỐI
Hai chàng thủy thủ là Jo và Mo, sau một tai nạn đâm tàu, đã dạt vào một hoang đảo. Nhiều năm trôi qua, một hôm Jo phát hiện ra một cái chai bị sóng đánh dạt vào bờ. Đó là cái vỏ chai còn đề nhãn bên dưới là "Coca - cola", Jo tái mặt đi.
- Này Mo - Anh ta kêu lên - Chúng ta đã bé đi biết bao nhiêu?
Từ câu nói vui đó có thể rút ra một bài học nghiêm túc, phán đoán về đối tượng bất kỳ không thể nào khác hơn là so sánh nó với kích thước của một đối tượng khác. Người Liliput xem người Gulivơ là khổng lồ. Đối với dân chúng vùng Bropdingơ thì người Gulivơ lại là loại chim chích. Vậy quả cầu là lớn hay nhỏ? Dường như nó là cực lớn so với nguyên tử, nhưng lại cực nhỏ so với trái đất.
Jun Andre Poangcare, nhà toán học nổi tiếng người Pháp thế kỷ XIX, trong khi tiên đoán nhiều luận điểm của thuyết tương đối đã đề cập vấn đề này như sau (các nhà khoa học gọi phương pháp của ông là phương pháp tiếp cận bằng tư duy thực nghiệm. Cũng tức là phép thực nghiệm suy tưởng nhưng không thực hiện được trên thực tế): Chúng ta cứ hình dung rằng, ông nói, vào ban đêm, khi chúng ta ngủ say, mọi thứ trong vũ trụ trở nên lớn gấp hàng ngàn lần trước đó. Ở đây, Poangcare muốn nói mọi thứ hiện hữu như điện tử, nguyên tử, độ dài sóng ánh sáng, bản thân chúng ta, cái giường ta nằm, căn nhà ta ở, trái đất, mặt trời và các vì sao. Bạn có thể sẽ nói rằng khi tỉnh giấc đã có điều gì đó xảy ra chăng? Có thể dẫn ra đây một thí nghiệm tưởng như chứng minh được rằng bạn đã thay đổi về kích thước?
- Không, Poangcare nói, một thí nghiệm như vậy là không thực hiện được. Thực vậy, vũ trụ dường như giống y hệt trước đó, thật là vô lý khi nói rằng vũ trụ đã trở nên lớn hơn. "Lớn hơn" điều đó có nghĩa là khác hơn đối với một vật khác. Trong trường hợp này không hề có vật nào khác cả. Cũng vô lý biết bao khi nói rằng toàn bộ vũ trụ đã co lại về kích thước.
Như vậy, kích thước là tương đối. Không có một phương pháp tuyệt đối xác định kích thước của một đối tượng nào đó và không thể nói rằng nó có một kích thước nào đó, hay một kích thước tuyệt đối nào đó. Có thể xác định kích thước bằng cách sử dụng những thước đo khác, ví như, thước đo độ dài hoặc thước mét. Nhưng thước mét có độ dài là bao nhiêu? Trước ngày 1 tháng giêng năm 1962, đơn vị mét được xác định là độ dài của một thanh platin xác định, được bảo quản ở nhiệt độ không đổi trong hầm ngầm Sevrơ thuộc nước Pháp. Từ ngày 1 tháng giêng năm 1962, tiêu chuẩn mới của mét là 1650763,73 độ dài của sóng ánh sáng màu da cam, kiểu xác định phát ra trong chân không bởi nguyên tử Kripton - 86. Tất nhiên, nếu hết thảy trong vũ trụ, kể cả độ dài sóng bức xạ đó tăng hoặc giảm theo một tỷ lệ nhất định, thì không một phương pháp thực nghiệm nào có thể nhận ra sự thay đổi đó.
Điều đó cũng đúng cả về mặt thời gian. Cần "nhiều" hay "ít" thời gian để trái đất quay một vòng quanh mặt trời? Đối với một em bé, thời gian từ năm mới này sang năm mới khác dường như là vô tận. Còn đối với nhà địa chất quen tính toán thời gian hàng triệu năm thì một năm chỉ giống như một nháy mắt. Khoảng thời gian cũng tính như khoảng cách không thể đo bằng cách nào khác hơn là so sánh nó với một khoảng thời gian khác. Một năm được xác định bằng thời gian trái đất quay xung quanh mặt trời, ngày là thời gian cần thiết để trái đất quay một vòng quanh trục của nó. Giờ là thời gian chiếc kim lớn của đồng hồ quay được một vòng. Luôn có một khoảng thời gian được đo bằng cách so sánh nó với khoảng thời gian khác.
G. Well có viết một truyện khoa học viễn tưởng nổi tiếng có nhan đề là Máy gia tốc mới, trong đó có thể rút ra chỉ một bài học từ một câu nói đùa về hai chàng thuỷ thủ, song bài học không đụng chạm đến không gian, mà là đến thời gian. Một nhà bác học phát minh ra phương pháp tăng tốc mọi quá trình diễn ra trong cơ thể mình. Trái tim anh ta đập nhanh hơn. Bạn thử đoán xem chuyện gì sẽ xảy ra. Mọi thứ trên thế gian đối với anh ta dường như bị chậm lại đến kinh khủng, nếu không nói là dừng lại hoàn toàn. Nhà bác học ra đi dạo và bước thủng thẳng sao cho không khí bị cọ sát không làm cho bốc cháy chiếc quần đang mặc của anh ta. Phố xá chật cứng những người tượng. Đàn ông bị đông cứng vào thời điểm anh ta đảo mắt nhìn hai cô gái đi qua. Trong công viên một dàn nhạc đang chơi phát ra một thứ âm thanh chát chúa. Con ong vo vo trong không trung trong khi di chuyển với tốc độ của loài sên.
Chúng ta dẫn ra đây một thí nghiệm tưởng tượng. Giả sử rằng trong một thời điểm nhất định, mọi vật trong vũ trụ bắt đầu chuyển động chậm hơn hoặc nhanh hơn, hoặc giả hoàn toàn dừng lại một vài triệu năm, sau đó lại chuyển động trở lại, liệu ta có thể nhận thấy những thay đổi đó không? Không thể có một thí nghiệm nào để nhận chân điều ấy. Thời gian, tương tự như khoảng cách trong không gian là tương đối.
Nhiều khái niệm khác mà ta biết từ cuộc sống hàng ngày đều là tương đối. Chúng ta thử xem xét các khái niệm "lên trên" và "xuống dưới".
Nhiều thế kỷ qua loài người đã không dễ dàng hiểu được rằng con người ở phía bên kia của trái đất lại lộn xuống mà toàn bộ máu không bị đổ dồn lên đầu. Bây giờ thì cả trẻ em nhờ đó mà lần đầu tiên hiểu ra rằng trái đất có hình tròn.
Giá như trái đất làm bằng kính trong suốt và bạn có thể nhìn qua kính viễn vọng xuyên suốt, thì hẳn bạn đã nhìn thấy trên thực tế những con người đứng lộn đầu xuống chân chổng ngược lên, tức là trái với chiều đứng của bạn. Trên mặt đất hướng "lên trên" là hướng tính từ tâm của trái đất. Hướng "xuống dưới" là hướng về tâm của trái đất. Trong khoảng không giữa các vì sao tuyệt đối không có khái niệm trên và dưới vì ở đó không có hành tinh để có thể sử dụng "hệ thống đọc số".
Ta hãy hình dung một con tàu vũ trụ dưới dạng một cái trống lớn đang chuyển động trong hệ mặt trời. Nó bị quay tạo ra lực ly tâm làm thành trường trong lúc nhân tạo. Khi ở bên trong con tàu, các nhà du hành vũ trụ có thể đi lại trên thành trong như đi trên nền nhà. Đối với họ "xuống dưới" cũng tức là từ phía tâm con tàu, còn "lên trên" tức là hướng về phía tâm, cũng tức là ngược hẳn với vị trí trên hành tinh đang quay.
Như vậy, các bạn sẽ thấy rằng trong vũ trụ không hề có "phía trên" và "phía dưới" một cách tuyệt đối. Lên trên và xuống dưới chỉ là phương hướng đối với hướng hoạt động của trọng trường. Thật là vô nghĩa khi nói rằng lúc bạn ngủ toàn bộ vũ trụ lộn đầu đuôi, bởi vì làm gì có hệ thống đọc số nào để lý giải vấn đề vũ trụ có vị trí như thế nào.
Một kiểu thay đổi khác cũng có ý nghĩa tương đối, đó là sự thay đổi của đối tượng khi phản chiếu trong gương. Nếu như chữ R hoa in ngược lại ta sẽ được chữ Я, bạn có thể nhận ngay ra rằng đó là chữ phản chiếu trong gương của chữ R. Nhưng nếu toàn bộ vũ trụ (kể cả bạn) bất ngờ được phản chiếu qua gương thì bạn có cơ hội phát hiện những thay đổi tương tự.
Tất nhiên, nếu như chỉ có một người được phản chiếu qua gương (về điều này ) G. Well cũng đã viết một truyện có nhan đề Truyện về Pletttner, còn vũ trụ lại vẫn nguyên như cũ, tức là tưởng như mọi thứ đều đảo lộn. Muốn đọc sách anh ta cần phải đưa nó gần gương, giống như chàng Alice ở trong gương ranh mãnh đọc các chữ in ở trong gương thi phẩm Jabberwocky, trong khi vẫn giữ thi phẩm đó trước gương vậy. Nhưng nếu như tất cả đều đảo lộn thì không một thực nghiệm nào phát hiện sự thay đổi đó. Cũng thật phi lý mà nói rằng có sự biến đổi tương tự xảy ra, giống như khi nói rằng vũ trụ đã đảo lộn và tăng lên gấp đôi về kích thước.
Vậy thì chuyển động có tuyệt đối không? Có loại công cụ nào khả dĩ chứng minh được rằng đối tượng đang chuyển động hay đứng yên? Chuyển động vẫn còn là một phạm trù tương đối, khẳng định về nó chỉ có thể đem so sánh vị trí của một đối tượng này với vị trí của một đối tượng khác? Hoặc giả chuyển động hàm chứa một sự độc đáo nào đó khiến nó khác với các phạm trù liên quan được xem xét ở trên?
Bạn hãy dừng lại và suy nghĩ thêm về vấn đề này chính xác trước khi chuyển sang chương tiếp theo.
Chính là đáp ứng những vấn đề như vậy mà Anhxtanh đã phát triển thuyết tương đối của mình. Thuyết của ông mang tính cách mạng, trái ngược với "tư duy lành mạnh" khiến cho thậm chí đến tận lúc này có hàng trăm nhà khoa học (kể cả các nhà vật lý) vẫn gặp những khó khăn để hiểu những nguyên lý cơ bản của nó giống hệt như trẻ em khi muốn được lý giải tại sao những người ở nam ban cầu không rơi khỏi trái đất.
Nếu như bạn còn trẻ thì đó là lợi thế lớn so với các nhà khoa học này. Trong đầu óc của bạn vẫn còn chưa ăn sâu những tư duy kiểu đường mòn. Nhưng dù tuổi tác bạn như thế nào chăng nữa, nếu như bạn sẵn sàng rèn luyện trí lực của mình thì sẽ không còn lý do nào ngăn cản bạn có được cảm xúc như ở nhà trong thế giới mới mẻ kỳ lạ này của thuyết tương đối.
CHƯƠNG 2: CHUYỂN ĐỘNG PHẢI CHĂNG LÀ TƯƠNG ĐỐI
Sau ít phút suy nghĩ, hẳn bạn sẽ nghiêng về câu trả lời: "Vâng, tất nhiên". Bạn hãy hình dung một tàu hoả chuyển động lên phía bắc với vận tốc 60 km/giờ. Một người trong con tàu đi ngược lên phía nam với vận tốc 3km/giờ. Anh ta đang chuyển động theo hướng nào và vận tốc là bao nhiêu. Hoàn toàn rõ ràng là không thể trả lời câu hỏi này mà không chỉ ra hệ thống tính toán. So với con tàu anh ta chuyển động về phía nam với vận tốc 3 km/giờ. So với trái đất, anh ta chuyển động về phía bắc với vận tốc 60 trừ 3, tức 57km/giờ.
Có thể nói rằng vận tốc của người so với trái đất (57 km/giờ) là vận tốc thực tuyệt đối được không? Không, bởi vì có cả những hệ thống khác có tỉ lệ còn lớn hơn. Bản thân trái đất đang chuyển động. Nó quay xung quanh trục của nó, đồng thời cũng chuyển động xung quanh mặt trời.
Mặt trời cùng các hành tinh khác chuyển động bên trong thiên hà. Thiên hà quay và chuyển động so với các thiên hà khác. Các thiên hà lại tạo thành các đoạn thiên hà chuyển động đối với nhau, không ai biết được các chuỗi chuyển động này trên thực tế có thể tiếp tục đến bao xa, không có một cách thức rõ ràng xác định chuyển động của một đối tượng nào đó; nói khác đi là không có một hệ thống đọc số cố định theo đó có thể đo được mọi chuyển động. Chuyển động và đứng yên, giống như lớn và nhỏ, nhanh và chậm, trên và dưới, trái và phải, như mọi người đã biết, đều là hoàn toàn tương đối. Không có cách nào đo chuyển động bất kì, ngoài việc so sánh chuyển động của nó với chuyển động của một đối tượng khác.
Thật là không đơn giản chút nào! Còn nếu như có thể giới hạn chỉ vào điều đã nói về tính tương đối của chuyển động thì hẳn đã không cần thiết để Anhxtanh sáng lập ra thuyết tương đối.
Nguyên do rắc rối như sau: có hai phương pháp rất đơn giản phát hiện chuyển động tuyệt đối. Một trong những phương pháp đó là sử dụng bản chất của ánh sáng, còn phương pháp khác là các hiện tượng khác nhau của quán tính xuất hiện khi thay đổi bởi đối tượng chuyển động của đường đạn hoặc vận tốc. Thuyết Tương đối hẹp của Anhxtanh có liên quan đến phương pháp đầu tiên, còn thuyết Tương đối tổng quát thì liên quan đến phương pháp thứ hai. Ở chương này và hai chương tiếp theo sẽ đề cập đến phương pháp đầu, ngõ hầu làm chìa khoá để hiểu về chuyển động tuyệt đối, tức là phương pháp vận dụng bản chất của ánh sáng.
Ở thế kỷ XIX, trước cả Anhxtanh, các nhà vật lý đã hình dung ra một không gian chứa đầy một loại chất đặc biệt, không chuyển động và không nhìn thấy, được gọi là ête. Thường người ta gọi nó là ête "mang ánh sáng", ngụ ý rằng nó là vật mang sóng ánh sáng. Ete chất đầy toàn bộ vũ trụ. Nó thẩm thấu vào toàn bộ các thực thể vật chất. Nếu như tất cả không khí đều lúc lắc dưới một quả chuông bằng kính đã bị chất đầy ête, làm sao mà ánh sáng có thể đi qua chân không được? Ánh sáng đó là chuyển động bằng sóng. Như vậy, hẳn là có sự xuất hiện các dao động đây. Bản thân ête cả khi tồn tại dao động hiếm khi (nếu không nói rằng không bao giờ) chuyển động so với các đối tượng vật chất, các vật càng chuyển động nhanh hơn qua nó tương tự như chuyển động của các dây bột trong nước. Chuyển động tuyệt đối của ngôi sao, của hành tinh hoặc của một đối tượng khác bất kỳ được đơn giản hoá (các nhà vật lý thời kỳ này tin tưởng như vậy), nếu chuyển động được xem xét với cả biển ête không chuyển động, không nhìn thấy được.
Nhưng, các bạn sẽ hỏi rằng, nếu như ête là một thực thể phi vật chất không thể nhìn thấy được, không thể nghe thấy được, cảm thấy, ngửi hoặc nếm được vị của nó, thì làm sao có thể nghiên cứu chuyển động, chẳng hạn, của trái đất so với nó? Câu trả lời thật đơn giản. Người ta có thể đo được nhờ so sánh chuyển động của trái đất với chuyển động của chùm ánh sáng.
Muốn hiểu điều đó, ta hãy xem xét thời gian đối với bản chất của ánh sáng. Trên thực tế, ánh sáng chỉ là phần nhỏ bé nhìn thấy được của phổ bức xạ điện từ mà thành phần của nó gồm có sóng vô tuyến, sóng cực ngắn, tia hồng ngoại, tia tử ngoại và các tia gamma. Trong cuốn sách này, chúng ta sử dụng từ "ánh sáng" để chỉ một kiểu bất kỳ của bức xạ điện từ, bởi vì từ đó ngắn hơn từ "bức xạ điện từ". ánh sáng là chuyển động mang tính sóng.
Suy nghĩ về sự chuyển động như vậy mà không suy nghĩ đồng thời về ête vật chất dường như đối với các nhà vật lý thời trước là thật phi lý, giống hệt như suy nghĩ về sóng trong nước mà không suy nghĩ về bản chất nước vậy.
Nếu như được bắn ra từ một máy bay phản lực đang chuyển động theo hướng chuyển động của máy bay, thì vận tốc của viên đạn đối với trái đất sẽ lớn hơn vận tốc của viên đạn bắn ra từ khẩu súng trường trên mặt đất, vận tốc của viên đạn đối với trái đất thu được bằng cách cộng vận tốc của máy bay và vận tốc của viên đạn. Trong trường hợp này, vận tốc của chùm sáng không phụ thuộc vào vật thể mà từ đó ánh sáng được phát ra - thực tế này đã được chứng minh bằng thực nghiệm vào cuối thế kỷ XIX và đầu thế kỷ XX và từ đó với nhiều lần được khẳng định. Lần kiểm tra cuối cùng được tiến hành vào năm 1955 bởi các nhà thiên văn Xô - Viết bằng cách sử dụng ánh sáng từ phía đối lập của mặt trời đang tự quay. Một rìa của Mặt Trời luôn chuyển động về phía chúng ta, còn rìa kia thì về phía đối lập. Đã tìm thấy rằng ánh sáng từ hai rìa đi tới trái đất với một vận tốc như nhau. Các thí nghiệm tương tự được tiến hành cả hàng chục năm trước với ánh sáng của các ngôi sao kép đang chuyển động. Mặc dù có sự chuyển động của nguồn sáng, vận tốc ánh sáng trong khoảng trống luôn như nhau, khoảng 300.000 km/giây.
Thử xem bằng cách nào mà sự kiện này tạo ra phương pháp cho nhà khoa học (chúng ta sẽ gọi họ là nhà quan sát) tính được vận tốc tuyệt đối. Nếu ánh sáng truyền bá qua môi trường ête không chuyển động, không thay đổi với một vận tốc nhất định và nếu vận tốc đó không phụ thuộc vào vận tốc chuyển động của nguồn sáng, thì vận tốc ánh sáng có thể dùng làm tiêu chuẩn để xác định chuyển động tuyệt đối của người quan sát.
Người quan trắc chuyển dịch cùng hướng với chùm sáng hẳn đã phát hiện ra rằng, chùm sáng đi qua anh ta với vận tốc nhỏ hơn c: người quan trắc đang chuyển dịch ngược với chùm sáng hẳn phải nhận thấy rằng chùm sáng đến gần anh ta với vận tốc lớn hơn c. Nói khác đi, kết quả đo vận tốc ánh sáng hẳn phải thay đổi tuỳ thuộc vào sự chuyển dịch của người quan trắc so với chùm sáng. Những thay đổi này hẳn đã phản ánh sự chuyển dịch tuyệt đối thực sự thông qua môi trường ête.
Khi mô tả hiện tượng này, các nhà vật lý thường sử dụng khái niệm "ngọn gió ête". Để hiểu nội dung của thuật ngữ này, ta hãy nghiên cứu lại con tàu đang chuyển động. Chúng ta thấy rằng vận tốc của người đi trên con tàu là 3km/giờ luôn luôn là như nhau so với con tàu và không phụ thuộc vào việc anh ta đi về phía đầu máy hay về phía cuối con tàu.
Điều đó sẽ đúng cả đối với vận tốc của sóng âm thanh bên trong toa tàu đóng kín. Âm thanh là chuyển động mang tính sóng được chuyển tải bởi các phần tử không khí. Bởi vì không khí có bên trong toa tàu, âm thanh ở bên trong toa sẽ truyền bá lên phía bắc cùng với vận tốc (so với toa tàu) như về phía nam.
Tình hình sẽ thay đổi nếu như chúng ta chuyển từ một toa hành khách khép kín sang một sân ga ngoài trời. Không khí trong toa ít bị giam hãm hơn. Nếu như con tàu chuyển động với vận tốc 60km/giờ, do sức cản của gió, vận tốc của âm thanh theo hướng từ cuối đến đầu toa sẽ nhỏ hơn bình thường. Vận tốc của âm thanh theo hướng ngược lại sẽ lớn hơn bình thường.
Các nhà vật lý của thế kỷ XIX đã tin rằng, môi trường ête cũng giống như không khí đang thổi trên sân ga. Vậy có gì khác đi không? Nếu ête không chuyển động thì bất kỳ một vật thể nào chuyển dịch trong đó đều bắt gặp ngọn gió ête thổi theo hướng ngược lại. Ánh sáng là chuyển động mang tính sóng trong môi trường ête không chuyển động. Ngọn gió ête, đương nhiên có ảnh hưởng đến vận tốc ánh sáng đo được từ một vật thể chuyển động.
Trái đất tồn tại trong không gian bằng cách quay xung quanh mặt trời với vận tốc khoảng 30km/giây. Chuyển động này theo các nhà vật lý, phải tạo ra ngọn gió ête thổi ngược chiều với trái đất trong khoảng trống giữa các nguyên tử với vận tốc 30km/giây. Muốn đo chuyển động tuyệt đối của trái đất (chuyển động đối với môi trường ête không di động), chỉ cần đo vận tốc, mà với vận tốc đó, ánh sáng đi qua một khoảng cách nhất định nào đó trên bề mặt trái đất. Nhờ ngọn gió ête, ánh sáng sẽ chuyển động nhanh hơn theo hướng này so với hướng khác. So sánh vận tốc của ánh sáng phát ra theo các hướng khác nhau là có thể tính toán được hướng tuyệt đối với vận tốc chuyển động của trái đất tại một thời điểm đã biết bất kỳ. Thí nghiệm này được đề xuất lần đầu tiên vào năm 1875, 4 năm trước khi Anhxtanh ra đời, bởi nhà vật lý vĩ đại người Scotland tên là J. C Macxoen.
CHƯƠNG 3: THÍ NGHIỆM CỦA MAIKENSON-MOOCLY
Năm 1881, Anbe Abraham Maikenxơn, lúc đó là một sĩ quan trẻ của hải quân Hoa Kỳ, đã đích thân làm cuộc thí nghiệm này. Maikenxơn sinh ở Đức, bố mẹ ông là người Balan. Cha ông di cư sang Mỹ khi Maikenxơn mới được hai tuổi.
Sau khi tốt nghiệp học việc hải quân ở Anapolixơ và phục vụ hai năm trong quân ngũ, Maikenxơn bắt đầu dạy vật lý và hoá học tại học viện này. Sau khi nghỉ phép dài, ông sang châu Âu du học. Tại trường Đại học Berlin, trong phòng thí nghiệm của nhà vật lý học người Đức nổi tiếng German Hemhônxơ, chàng thanh niên trẻ lần đầu tiên có ý định khám phá ngọn gió ête. Điều ngạc nhiên lớn đối với ông là không dựa vào một phương hướng của địa bàn, ông đã phát hiện ra sự khác biệt trong tốc độ khứ hồi của ánh sáng. Điều đó cũng giống như con cá phát hiện rằng nó có thể bơi theo một hướng bất kì trong biển mà không kịp nhận ra chuyển động của nước đối với cơ thể của nó, cũng giống như người phi công bay với cái lồng cabin mở của máy bay mà không nhận ra ngọn gió thổi táp vào mặt.
Nhà vật lý học người Áo nổi tiếng Ernest Makhơ (chúng ta sẽ có dịp nói về ông ở chương 7) khi đó đã có sự phê phán đối với quan niệm về chuyển động tuyệt đối qua môi trường ête.
Sau khi đọc bản báo cáo được công bố của Maikenxơn về thí nghiệm, ông đã kết luận ngay rằng cần phải loại bỏ quan niệm về môi trường ête. Song đa số các nhà vật lý đã từ chối đi một bước táo bạo như vậy. Dụng cụ của Maikenxơn khá thô sơ, chỉ đủ để có cơ sở cho rằng, cuộc thí nghiệm nếu có được những máy móc nhạy bén hơn chắc chắn sẽ cho kết quả khả quan. Bản thân Maikenxơn cũng nghĩ như vậy. Không thấy được sai lầm trong thí nghiệm của mình, ông đã cố gắng lập lại cuộc thí nghiệm.
Maikenxơn đã chối bỏ phục vụ trong hải quân và trở thành giáo sư tại trường khoa học thực nghiệm Câyxơ (bây giờ là đại học Câyxơ) ở Clipland, bang Ohio. Gần đó, tại trường Đại học miền Tây, Moocly dạy môn hoá học. Hai ông trở thành đôi bạn tốt của nhau. "Bên ngoài - Becna Jaffe đã viết trong cuốn sách Maikenxơn và tốc độ ánh sáng - hai nhà bác học này là hình mẫu tương phản. Maikenxơn điển trai, rực rỡ, luôn luôn mày râu nhẵn nhụi. Moocly của đáng tội, cẩu thả trong ăn mặc và điển hình là một giáo sư đãng trí, đầu tóc bù xù khó coi".
Năm 1887, trong căn hầm của phòng thí nghiệm Moocly, hai nhà bác học đã tiến hành cuộc thí nghiệm thứ hai chuẩn xác hơn để tìm ra ngọn gió ête chưa bị nắm bắt. Thí nghiệm của họ nổi tiếng với tên gọi là thí nghiệm Maikenxơn - Moocly, một bước ngoặt vĩ đại của vật lý học hiện đại.
Máy móc được đặt trên một phiến đá hình vuông có cạnh gần một mét rưỡi và bề dày hơn 30 cm. Phiến đá này đặt trôi nổi trong nước thuỷ ngân để loại trừ hiện tượng rung và giữ thăng bằng ngõ hầu cho phép dễ dàng quay nó xung quanh trung tâm. Một hệ thống gương hướng chùm sáng theo hướng nhất định, tấm gương phản xạ chùm sáng tới và lui theo hướng sao cho chùm sáng tạo thành tấm gương gấp khúc. (Điều này nhằm mục đích kéo dài tối đa đoạn đường đồng thời giữ cho kích thước của dụng cụ vừa đủ để nó có thể quay được dễ dàng). Đồng thời, một hệ thống gương khác dẫn nguồn sáng đến tâm theo đường gấp khúc theo hướng tạo thành vuông góc với chùm sáng đầu tiên.
Giả sử rằng khi phiến đá bị quay sao cho một trong các chùm sáng đi tới đi lui song song với ngọn gió ête, thì chùm sáng sẽ tạo ra tia sáng trong thời gian lớn hơn, chùm sáng khác đi qua cũng khoảng cách như vậy.
an đầu đường đi ngược lại mới là đúng. Ta hãy xem xét ánh sáng truyền bá theo chiều gió và ngược chiều gió. Phải chăng gió sẽ tăng tốc trên một đường cùng với giảm tốc trên đường khác? Nếu quả là như vậy thì việc tăng tốc và giảm tốc đã được cân bằng và thời gian chi phí cho đoạn đường đi hẳn cũng bằng với khi không có ngọn gió nào nói chung.
Thực vậy, ngọn gió sẽ tăng tốc theo một hướng đúng bằng với giá trị bị giảm đi ở hướng khác, song điều quan trọng nhất là ngọn gió sẽ giảm tốc trong suốt khoảng thời gian. Các tính chất chỉ ra rằng để khắc phục cả đoạn đường ngược ngọn gió phải mất khoảng thời gian lớn hơn là khi vắng ngọn gió. Ngọn gió sẽ hoạt động chậm lại cả đối với chùm sáng truyền bá vuông góc với nó. Điều này cũng dễ dàng được xác nhận.
Dường như là hoạt động chậm lại giảm thiểu trong trường hợp chùm sáng truyền bá song song với ngọn gió. Nếu như trái đất chuyển động qua biển ête không di động thì hẳn phải xuất hiện ngọn gió ête và dụng cụ của Maikenxơn - Moocly hẳn phải ghi lại được. Trên thực tế cả hai nhà bác học đều tin rằng, họ có thể không chỉ phát hiện ra ngọn gió, mà còn xác định (quay phiến đá cho đến khi tìm được một vị trí mà tại đó khác biệt thời gian đi qua của ánh sáng theo cả hai hướng là cực đại) vào một thời điểm đã cho bất kỳ hướng chính xác chuyển động của trái đất, qua môi trường ête.
Cần phải thấy rằng dụng cụ của Maikenxơn - Moocly đã không đo được vận tốc thực của ánh sáng của từng chùm sáng. Cả hai chùm sáng, sau khi đã hoàn thành số đường gấp khúc đi và đến (khứ hồi), đã được thống nhất thành một chùm sáng duy nhất ngõ hầu có thể quan sát trong kính viễn vọng trung bình. Dụng cụ được quay chậm rãi. Một sự thay đổi bất kỳ của vận tốc tương đối của hai chùm sáng hẳn đã gây ra sự di động của bức tranh giao thoa vì các gian sáng tối đan xen lẫn nhau.
Và một lần nữa, Maikenxơn lại thất bại và buồn chán. Các nhà vật lý học trên thế giới cũng sửng sốt. Mặc dù Maikenxơn và Moocly đã đảo dụng cụ, họ vẫn không nhận ra một dấu vết nào của ngọn gió ête! Chưa bao giờ trước đó trong lịch sử khoa học gặp phải một kết cục bi đát như vậy. Maikenxơn phải thú nhận một lần nữa rằng thí nghiệm của ông đã không thành công. Ông không hề nghĩ rằng "sự không thành công này khiến cho cuộc thí nghiệm của ông trở thành một trong những thí nghiệm tầm cỡ nhất, cách mạng nhất trong lịch sử khoa học".
Ít lâu sau, Maikenxơn và Moocly đã làm lại cuộc thí nghiệm cùng với dụng cụ hoàn thiện hơn. Các nhà vật lý khác cũng làm như vậy. Các cuộc thí nghiệm chính xác nhất đã được thực hiện vào năm 1960 bởi Saclơ Taunxơ ở trường đại học Colombia. Bộ dụng cụ của ông có sử dụng maze (đồng hồ nguyên tử, dựa trên những dao động của các phân tử), nhạy cảm đến mức có thể nhận ra ngọn gió ête, kể cả khi trái đất chuyển động với vận tốc chỉ bằng phần nghìn vận tốc thực. Nhưng dấu vết của một ngọn gió như vậy cũng bặt vô âm tín.
Các nhà vật lý ban đầu ngạc nhiên về kết quả tiêu cực của thí nghiệm Maikenxơn - Moocly đã nghĩ tới một sự giải thích để cứu lý thuyết về ngọn gió ête, tất nhiên nếu như thí nghiệm được tiến hành hàng trăm năm trước đó. Theo nhận xét của G. J. Uitroi trong cuốn sách Sự cấu thành của vũ trụ, việc giải thích rất đơn giản về sự cấu thành của trái đất đã nhanh chóng ăn sâu vào tiềm thức mỗi người. Nhưng điều giải thích đó của thí nghiệm dường như không đúng với sự thật. Lời giải thích tốt nhất là lý thuyết (lâu hơn nhiều so với thí nghiệm Maikenxơn - Moocly) khẳng định rằng ête được hấp dẫn bởi trái đất, giống như không khí ở bên trong toa tàu đóng kín. Cả Maikenxơn cũng suy nghĩ như vậy. Nhưng những thí nghiệm khác, trong đó có thí nghiệm do chính Maikenxơn thực hiện, đã loại bỏ cả lối giải thích đó.
Nhà vật lý học Ailen J.F. Phitxơjeral có sự giải thích độc đáo nhất. Ông nói: Có thể là ngọn gió ête đã áp chế vật thể đang chuyển động buộc nó phải co lại theo hướng của chuyển động. Để xác định độ dài của vật thể đang chuyển động phải lấy độ dài của nó trong trạng thái đứng yên nhân với đại lượng được cho bởi công thức: căn bậc 2 của 1 - v2/c2. Trong đó, v bình phương là bình phương vận tốc của vật thể đang chuyển động, còn c bình phương là bình phương vận tốc ánh sáng.
Từ công thức trên có thể thấy rằng giá trị giảm thiểu nhỏ không đáng kể khi vận tốc vật thể nhỏ, tăng lên khi vận tốc tăng và trở thành lớn khi vận tốc của vận thể tiến gần tới vận tốc ánh sáng. Ví như, một con tàu vũ trụ về hình dạng giống như điếu xì gà dài, khi chuyển động với vận tốc lớn sẽ có hình dạng điếu xì gà ngắn.
Vận tốc ánh sáng là giới hạn không đạt tới được; đối với vật thể chuyển động với vận tốc này, công thức có dạng: căn bậc 2 của 1 - c2/c2, và biểu thức này bằng 0. Nhân độ dài vật thể với số 0, ta sẽ được đáp số bằng 0. Nói cách khác đi, nếu như có một vật thể bất kỳ có thể đạt tới vận tốc ánh sáng, thì nó sẽ không có một độ dài nào theo hướng chuyển động của bản thân nó!
Nhà vật lý Henđri Lorenxơ, người độc lập cũng đi đến giải thích như vậy về hình dạng toán học của lý thuyết Phitxơjeral (về sau Lorenxơ đã trở thành một trong những người bạn gần gũi nhất của Anhxtanh, song thời gian đó hai người vẫn chưa quen nhau). Lý thuyết này cũng nổi tiếng như lý thuyết giảm thiểu của Lorenxơ - Phitxơjeral hay (Phitxơjeral - Lorenxơ).
Dễ dàng hiểu được lý thuyết giảm thiểu đã giải thích sự thất bại của thí nghiệm Maikenxơn - Moocly như thế nào. Nếu như phiến đá hình vuông và toàn bộ dụng cụ trên đó giảm thiểu chút ít theo hướng mà ngọn gió ête thổi thì ánh sáng hẳn đã đi một đoạn đường đầy đủ ngắn hơn. Và mặc dù ngọn gió đã tác động chậm lại đối với chuyển động của chùm sáng theo hướng thuận và nghịch con đường ngắn hơn hẳn đã cho phép chùm sáng kết thúc cuộc hành trình đó đúng trong thời gian như vậy, giống như nếu không có gió, không có sự giảm thiểu. Nói khác đi, sự giảm thiểu đúng là để bảo toàn sự không đổi của vận tốc ánh sáng độc lập với hướng đảo dụng cụ của Maikenxơn - Moocly.
Bạn có thể hỏi tại sao không thể đo một cách đơn giản độ dài của dụng cụ và xem xét có phải trên thực tế có sự rút ngắn theo hướng chuyển động của trái đất? Nhưng chính là thước dài cũng bị rút ngắn theo cùng một tỷ lệ. Việc đó đã cho ta kết quả hệt như khi không có sự rút ngắn. Trên trái đất đang chuyển động, mọi thứ đều bị rút ngắn. Tình hình như vậy giống như trong thí nghiệm thuần lý của Poăngcarê, trong đó vũ trụ đột nhiên lớn lên hàng nghìn lần, nhưng chỉ trong lý thuyết của Lorenxơ - Phitxơjeral việc đó mới xuất phát theo một hướng duy nhất. Bởi vì mọi thứ đều bị thay đổi nên không có phương pháp phát hiện hướng. Bên trong các giới hạn nhất định (các giới hạn được xác định bởi topo học, tức là khoa học về các thuộc tính được bảo toàn khi làm biến dạng đối tượng) hình dạng cũng tương đối như kích thước. Hiện tượng co rút của dụng cụ cũng như co rút mọi thứ trên trái đất phải chăng chỉ được nhận ra đối với những ai đứng bên ngoài trái đất và không chuyển động cùng với nó.
Nhiều nhà văn khi nói về thuyết tương đối đã xem giải thiết co rút Lorenxơ - Phitxơjeral là giả thuyết ad hoc (thành ngữ Latin có nghĩa là "chỉ để cho trường hợp đã biết"), không kiểm tra được bằng bất cứ thí nghiệm nào khác. Adolpho Grunbaun cho rằng điều đó không hoàn toàn đúng. Giả thuyết co rút ad hoc chỉ có nghĩa là không có cách nào kiểm tra nó.
Trên nguyên tắc, nó hoàn toàn không ad hoc và điều đó đã được chứng minh vào năm 1932, khi Kennơđi và Tơcđaicơ bác bỏ bằng thực nghiệm giả thiết này.
Kennơđi và Tơcđaicơ, hai nhà vật lý học Mỹ đã lập lại thí nghiệm Maikenxơn - Moocly. Nhưng thay vì đạt tới hai đường vai bằng nhau, họ lại làm cho độ dài của chúng khác nhau cực lớn. Để phát hiện thời gian hao phí cho ánh sáng đi qua theo hai đường, các ông đã đảo dụng cụ. Phù hợp với lý thuyết rút ngắn chênh lệch thời gian phải thay đổi khi đảo máy. Có thể nhận thấy điều đó (như trong thí nghiệm của Maikenxơn - Moocly) theo sự thay đổi của bức tranh giao thoa xuất hiện khi đan xen hai chùm sáng. Nhưng người ta đã không phát hiện ra sự thay đổi như vậy.

Kiểm tra một cách đơn giản nhất lý thuyết rút ngắn có thể thực hiện được khi đo vận tốc chùm sáng truyền bá theo các hướng đối nghịch: dọc theo hướng chuyển động của trái đất và ngược với nó. Rõ ràng rằng rút ngắn đoạn đường không thể nào phát hiện ngọn gió ête, nếu như nó có tồn tại. Trước khi khám phá không lâu hiệu ứng Mocbacơ (sẽ đề cập ở chướng 8) nhiều khó khăn kỹ thuật ghê gớm đã ngăn trở thực thi thí nghiệm này. Tháng 2 năm 1962, tại hội nghị của Hội Hoàng gia tại London, giáo sư Mulơ của trường đại học Copenhagen đã kể rằng, có thể dễ dàng thực hiện thí nghiệm này khi sử dụng hiệu ứng Mocbacơ.
Muốn vậy, nguồn sáng và hấp thụ dao động điện từ được đặt trên các đầu đổi điện của bàn quay. Mulơ chỉ ra rằng thí nghiệm như vậy có thể đảo lộn lý thuyết rút ngắn ban đầu; có thể là khi đang in cuốn sách này thí nghiệm đó sẽ được thực thi.
Mặc dù các thí nghiệm đại loại như vậy không thể thực hiện được ở thời Lorenxơ, nó tiên liệu khả năng có tính nguyên tắc của chúng và được xem là hoàn toàn phù hợp lý của việc đề xuất rằng những thí nghiệm này, giống như thí nghiệm của Maikenxơn sẽ dẫn đến thất bại. Muốn giải thích điều đó, Lorenxơ đã có bổ xung quan trọng vào lý thuyết rút ngắn ban đầu. Ông nói rằng các đồng hồ hẳn phải chậm lại dưới tác động của ngọn gió ête, đồng thời như vậy là vận tốc đo được của ánh sáng luôn luôn bằng 300.000 km/giây.
Ta hãy xem xét một thí dụ cụ thể. Giả sử chúng ta có những đồng hồ đủ độ chính xác để làm thí nghiệm về đo đạc vận tốc ánh sáng. Cho ánh sáng đi từ điểm A đến điểm B chẳng hạn theo hướng chuyển động của trái đất. Đặt cùng lúc hai đồng hồ tại điểm A và sau đó chuyển một cái sang điểm B. Ta thấy rằng thời gian khi chùm sáng dời khỏi điểm A và (theo đồng hồ khác) thời điểm nó đến tại điểm B. Bởi vì ánh sáng chuyển động lúc đó ngược với ngọn gió ête, vận tốc của nó hẳn phải giảm đi một chút, mà thời gian tia gẫy khúc tăng lên so với trường hợp trái đất đứng yên. Các bạn có thấy điều bất cập trong luận đề này không? Đồng hồ chuyển động từ điểm A sang điểm B, cũng đều là chuyển động ngược gió ête. Điều đó làm chậm đồng hồ tại điểm B, nó sẽ chậm hơn một chút so với đồng hồ tại điểm A. Kết quả vận tốc ánh sáng được là không đổi bằng 300.000 km/giây.
Cũng xảy ra như vậy, (Lorenxơ xác nhận) nếu đo vận tốc ánh sáng truyền bá theo hướng ngược lại, từ điểm B sang A. Hai đồng hồ cũng đặt tại điểm B và sau đó một cái được chuyển sang điểm A. Chùm sáng trong khi truyền bá từ điểm B sang A sẽ chuyển động dọc theo ngọn gió ête. Vận tốc của chùm sáng tăng lên và như vậy thời gian đi qua sẽ giảm đi chút ít so với trường hợp trái đất đứng yên. Song khi chuyển dịch đồng hồ từ điểm B sang A thì ngọn gió ête cũng "bám gót". Việc giảm bớt áp lực của ngọn gió ête cho phép đồng hồ tăng vận tốc, và như vậy vào thời điểm kết thúc thí nghiệm, đồng hồ tại điểm A sẽ chạy nhanh lên so với đồng hồ tại điểm B. Và kết quả là vận tốc ánh sáng vẫn là 300.000 km/giây.
Lý thuyết mới của Lorenxơ không chỉ giải thích kết quả tiêu cực của thí nghiệm Maikenxơn - Moocly; từ đó mà rút ra là về nguyên lý không thể bằng thực nghiệm phát hiện ảnh hưởng của ngọn gió ête đối với vận tốc ánh sáng. Các phương trình của ông để đo độ dài và thời gian cho thấy, với bất kỳ phương pháp có thể nào, việc đo vận tốc ánh sáng theo một kết quả tương tự. Rõ ràng rằng các nhà vật lý đã không thoả mãn lý thuyết đó. Nó là lý thuyết ad hoc (hiển nhiên) theo đầy đủ ý nghĩa của từ đó. Những nỗ lực lấp lỗ hổng xuất hiện trong lý thuyết ête dường như vô vọng. Không thể hình dung các giải pháp khẳng định hoặc phủ định nó. Các nhà vật lý khó mà tin rằng sau khi tạo ra ngọn gió làm sao để không thể phát hiện ra ngọn gió ấy. Nhà triết học kiêm toán học người Anh Betơrăng Rutxen đã dẫn một bài ca của hiệp sĩ Trắng trong cuốn sách của Lui Kerolol Alixơ ở đất nước huyền thoại.
"Tôi muốn nhuộm mái tóc màu xanh. Xoè chiếc quạt để khỏi ai nhìn thấy".
Lý thuyết mới của Lorenxơ, trong đó thay đổi cả thời gian dường như là tức cười, kiểu như kế hoạch của chàng hiệp sĩ nọ vậy. Nhưng mặc dầu dốc mọi nỗ lực, các nhà vật lý đã không thể suy luận điều gì khá hơn.
Trong chương tiếp theo sẽ trình bày rằng, lý thuyết Tương đối hẹp của Anhxtanh đã mở lối ra khỏi tình trạng rối rắm đó một cách dũng cảm tuyệt vời.
CHƯƠNG 4: THUYẾT TƯƠNG ĐỐI HẸP PHẦN I
Năm 1905, khi Anbe Anhxtanh công bố bài báo nổi tiếng của mình mà về sau được gọi là thuyết tương đối hẹp, ông mới chỉ là một chàng trai trẻ đã có vợ ở tuổi 26 và đang làm việc với tư cách một chuyên gia phòng sáng chế Thụy Sĩ.
Con đường của chàng sinh viên vật lý thuộc trường Đại học Bách khoa Duyric không sáng sủa cho lắm. Ông đọc và đọc, suy nghĩ và mơ ước và không hướng suy nghĩ của mình vào các sự kiện không căn bản để giành điểm cao trong các kỳ thi. Một vài lần ông đi dạy vật lý và muốn làm một giáo viên bình thường, song ông buộc phải giã từ nghề.
Trong chuyện này có cả những mặt khác. Khi còn là một cậu bé, Anhxtanh đã suy nghĩ nhiều về các định luật cơ bản của tự nhiên. Về sau, ông đã nhớ về hai điều tuyệt diệu nhất thời niên thiếu của mình: về cái địa bàn mà người cha đã chỉ cho ông hay khi ông mới bốn, năm tuổi và cuốn sách hình học của Ơcơlit mà ông đã đọc lúc mười hai tuổi. Hai kỷ vật này tượng trưng cho hoạt động của Anhxtanh; địa bàn là tượng trưng cho hình học vật thể mà cấu trúc của "thế giới rộng lớn" đó ở bên ngoài chúng ta. Chúng ta không bao giờ có thể nhận biết một cách chính xác tuyệt đối. Cuốn sách là tượng trưng cho cho hình học thuần tuý, của cấu trúc được xác định tuyệt đối nhưng không phản ánh hoàn toàn thế giới thực tại. Đến năm 16 tuổi, Anhxtanh chủ yếu bằng những nỗ lực cá nhân nắm được những kiến thức cơ bản về toán học, bao gồm cả hình học giải tích, các phép tính vi phân và tích phân.
Khi Anhxtanh làm việc tại phòng sáng chế Thụy Sĩ, ông đọc và suy nghĩ về tất cả các vấn đề rối rắm có liên quan đến ánh sáng và chuyển động. Thuyết tương đối hẹp của ông là một thí nghiệm sáng chói, giải thích được nhiều thí nghiệm không giải thích được, trong đó thí nghiệm Maikenxơn - Moocly là hấp dẫn và nổi tiếng nhất. Cần phải nhấn mạnh rằng đã có nhiều thí nghiệm mà kết quả không thoả mãn với lý thuyết về các hiện tượng điện từ. Nếu hai thí nghiệm Maikenxơn - Moocly không xảy ra thì thuyết tương đối hẹp cũng khó mà hình thành. Sau này, bản thân Anhxtanh đã nói về vai trò nhất định của thí nghiệm này trong tư duy sáng tạo của ông. Tất nhiên nếu như Maikenxơn và Moocly ghi nhận ngọn gió ête thì thuyết tương đối hẹp chắc đã bị bác bỏ ngay từ đầu. Song kết quả âm tính của các thí nghiệm của họ chỉ là một trong nhiều yếu tố mà Anhxtanh đưa vào lý thuyết của mình.
Chúng ta thấy rằng Lorenxơ và Phitxơjeral đã mưa toan cứu lý thuyết ngọn gió ête như thế nào sau khi đề xuất rằng áp lực của ngọn gió đó là gì đó còn chưa được hiểu biết đang tác động co rút vật thể chuyển động. Anhxtanh tiếp nối sau Enest Makhơ đã có đề xuất táo bạo hơn. Nguyên nhân mà Maikenxơn và Moocly không thể quan trắc được ngọn gió ête, Anhxtanh nói, đơn giản chỉ là không có ngọn gió ête nào cả. Ông không nói rằng không có môi trường ête, nếu tồn tại cũng không có ý nghĩa gì khi đo chuyển động đều. (Những năm gần đây nhiều nhà vật lý nổi tiếng đã đề nghị khôi phục lại thuật ngữ ête, dù rằng lẽ đương nhiên không mang ý nghĩa cũ của hệ thống đọc số bất động).
Vật lý cổ điển - vật lý học của Isac Niuton đã chỉ ra rằng, nếu như bạn đứng ở bên trong vật thể chuyển động đều, chẳng hạn như trong toa tàu đóng kín mọi phía sao cho không nhìn thấy một cảnh tượng đi qua, nếu không thực hiện được một thí nghiệm cơ học mà nhờ đó bạn chứng minh được rằng bạn đang chuyển động (Đồng thời, tất nhiên giả thiết rằng chuyển động đều xuất hiện hoàn toàn êm dịu, không có va chạm, chồm nhảy của toa ngõ hầu báo hiệu sự chuyển động). Nếu như bạn ném quả cầu ngược lên phía trên, nó sẽ rơi thẳng xuống phía dưới. Tất cả đều xảy ra chính xác giống như ném toa tầu đứng yên. người quan sát đứng trên mặt đất bên ngoài toa tàu đang chuyển động, nếu như anh ta có thể nhìn qua thành tàu thì bản thân anh ta đã nhìn thấy đường đi qua của quả cầu là đường cong. Nhưng đối với bạn ở bên trong toa tàu, quả cầu chuyển động theo đường thẳng lên trên và xuống dưới. Điều khả quan là vật thể đã diễn ra như vậy. Trong trường hợp ngược lại thì đã không thể chơi các trò chơi như tennis hoặc bóng đá. Trong bất kỳ trường hợp nào, khi quả bóng bay lên không trung, trái đất hẳn sẽ chuyển động bên dưới nó với vận tốc 30 km/giây.
Thuyết tương đối hẹp là một bước tiến về phía trước so với thuyết cổ điển của Niutơn. Nó nói rằng, ngoài việc không thể phát hiện chuyển động của con tàu nhờ vào thí nghiệm cơ học cũng không thể phát hiện chuyển động đó nhờ vào thí nghiệm với bức xạ điện từ. Thuyết tương đối hẹp có thể diễn đạt ngắn gọn như sau: Không thể đo chuyển động đều bằng một phương pháp tuyệt đối nào đó. Nếu như chúng ta ở trên một con tàu đang chuyển động đều một cách dịu êm, thì để khẳng định rằng chúng ta đang chuyển động, cần phải nhìn qua cửa sổ vào một đối tượng khác nào đó, nhờ vào một cột điện chẳng hạn, thậm chí lúc đó chúng ta cũng không thể nói chắc chắn rằng con tàu đi qua cột điện hay cột điện đi qua con tàu. Tốt hơn cả chúng ta có thể nói rằng con tàu và trái đất ở trong trạng thái chuyển động đều tương đối.
Chúng ta sẽ nhận thấy có sự lặp lại thường xuyên từ "đều". Chuyển động đều là chuyển động theo một đường thẳng với vận tốc không đổi. Chuyển động không đều hoặc chuyển động có gia tốc là chuyển động nhanh dần hoặc chậm dần (khi chuyển động chậm dần, người ta nói nó có gia tốc âm), hoặc chuyển động không theo đường thẳng. Về chuyển động có gia tốc, thuyết tương đối hẹp không thể nói điều gì mới.
Tính tương đối của chuyển động đều dường như khá thông đồng bén giọt, nhưng trên thực tế nó dễ đưa ta sang một thế giới mới lạ lẫm, mà ban đầu rất giống với một thế giới vô nghĩa đằng sau chiếc gương của Lui Kerol. Bởi vì nếu không có phương pháp đo chuyển động đều đối với hệ thống đọc số tổng hợp bất động tương tự môi trường ête nên khi đó ánh sáng phải thể hiện là hoàn toàn suy tưởng trái với bất kỳ thí nghiệm nào.
Chúng ta hãy xem nhà du hành vũ trụ trên con tàu vũ trụ hay dọc theo chùm sáng. Con tàu chuyển động với vận tốc bằng một nửa vận tốc ánh sáng. Nếu nhà du hành vũ trụ tiến hành đo đạc tương ứng, anh ta sẽ phát hiện rằng tia sáng dù sao cũng đi qua nó với vận tốc thông thường 300.000 km/giây. Bạn hãy suy nghĩ về điều này một chút và bạn sẽ thấy ngay rằng nhất thiết phải như vậy, nếu như khái niệm ngọn gió ête bị bác bỏ. Còn nếu như nhà du hành vũ trụ tìm thấy rằng ánh sáng chuyển động so với nó chậm hơn, anh ta hẳn đã phát hiện ra chính ngọn gió ête mà Maikenxơn và Moocly không phát hiện ra. Bây giờ nếu như còn tàu vũ trụ bay thẳng theo hướng đến nguồn sáng với vận tốc bằng một nửa vận tốc ánh sáng, thì hẳn anh ta đã tìm thấy rằng tia sáng tiến dần lại nhờ anh ra nhanh hơn một lần rưỡi chứ? Không, tia sáng vẫn chuyển động ngược với anh ta với vận tốc 300.000 km/giây.
Dù anh ta chuyển động như thế nào đối với tia sáng, việc đo đạc luôn luôn cho ta cùng một giá trị đối với vận tốc ánh sáng.
Có thể chúng ta thường nghe rằng thuyết tương đối làm cho mọi thứ trong vật lý học là tương đối, rằng nó phá đi mọi cái tuyệt đối. Không có cái gì có thể rời xa sự thật. Nó làm cho nhiều khái niệm trở thành tương đối mà trước đó người ta xem là tuyệt đối nhưng đồng thời cũng chấp nhận những tuyệt đối mới. Trong vật lý học cổ điển, vận tốc ánh sáng là tương đối đối với ý nghĩa là nó sẽ bị thay đổi tùy thuộc và chuyển động của người quan sát. Trong thuyết tương đối hẹp, vận tốc ánh sáng trở nên tuyệt đối mới với ý nghĩa này. Không quan trọng ở chỗ nguồn sáng hoặc nguồn quan sát chuyển động như thế nào, vận tốc ánh sáng đối với người quan sát không bao giờ thay đổi.
Chúng ta hình dung hai con tàu vũ trụ A và B. Giả sử trong vũ trụ không có gì ngoài hai con tàu. Chúng đều chuyển động ngược chiều nhau với vận tốc không đổi. Có phương pháp nào để các nhà du hành trên con tàu bất kỳ có thể giải quyết xem trường hợp nào trong ba trường hợp sau đây là "thực" và "tuyệt đối"?
1. Con tàu A ở trong trạng thái nằm yên, con tàu B chuyển động.
2. Con tàu B ở trong trạng thái nằm yên, con tàu A chuyển động.
3. Cả hai con tàu đều chuyển động.
Anhxtanh trả lời như sau: Không, không có một phương pháp nào như vậy cả. Nhà du hành trên bất kỳ một con tàu nào đều có thể, nếu anh ta muốn, chọn con tàu A làm hệ thống đọc số cố định. Không có một thí nghiệm nào kể cả các thí nghiệm với ánh sáng hoặc với bất kỳ hiện tượng điện và từ nào khác ngõ hầu chứng minh rằng sự lựa chọn đó là không đúng. Cũng đúng như vậy, nếu anh ta chọn con tàu B làm hệ thống đọc số cố định. Nếu như anh ta xem hai con tàu đều chuyển động, anh ta lựa chọn giàn một hệ thống đọc số bất định bên ngoài hai con tàu này, lựa chọn một điểm mà đối với điều đó, cả hai con tàu đều ở trong trạng thái chuyển động. Không cần đặt câu hỏi sự lựa chọn nào là đúng hoặc không đúng. Nói về chuyển động tuyệt đối của bất kỳ con tàu nào có nghĩa là nói về một cái gì đó không có ý nghĩa thực ra chỉ có một: chuyển động tương đối mà kết quả của nó là con tàu tiến gần với vận tốc không đổi.
Trong cuốn sách như vậy không thể đi sâu vào các chi tiết của thuyết tương đối hẹp và đặc biệt là vào các chi tiết có liên quan đến cơ sở toán học của nó. Chúng ta cần nhớ lại một số kết luận mạnh mẽ nhất được rút ra một cách lôgic từ điều mà Anhxtanh gọi là hai "tiền đề cơ bản" của lý thuyết của mình.
1. Không có phương pháp nhằm xác định vật thể nằm ở trạng thái đứng yên hoặc chuyển động đều đối với môi trường ête bất động.
2. Độc lập với chuyển động của nguồn ánh sáng luôn luôn chuyển động qua khoảng không với cùng một vận tốc không đổi.
(Không nên lẫn lộn tiền đề thứ hai như thường thấy là sự không đổi của vận tốc ánh sáng đối với người quan sát chuyển động đều. Điều này rút ra từ các tiền đề).
Tất nhiên các nhà vật lý khác nghiên cứu cả hai tiền đề Lorenxơ có ý định dung hoà chúng trong lý thuyết của mình rằng độ dài tuyệt đối và thời gian thay đổi do áp lực của ngọn gió ête. Đa số các nhà vật lý đều cho điều đó là vi phạm nghiêm trọng đến tư duy lành mạnh. Họ ưa xem rằng các tiền đề không phải là trùng lặp và chí ít một tiền đề phải là không chính xác. Anhxtanh đã xem xét vấn đề này một cách sâu sắc hơn. Các tiền đề không trùng nhau chỉ trong trường hợp, ông nói, khi chúng ta từ bỏ quan điểm cổ điển rằng độ dài và thời gian là tuyệt đối.
Khi Anhxtanh công bố lý thuyết của mình ông không biết rằng Lorenxơ cũng suy nghĩ theo hướng như vậy, nhưng giống như Lorenxơ, ông hiểu ra rằng việc đo độ dài và thời gian phải tuỳ thuộc vào chuyển động tương đối của đối tượng và người quan trắc. Song Lorenxơ chỉ đi được nửa đường. Ông bảo lưu khái niệm độ dài và thời gian tuyệt đối đối với các vật thể đứng yên. Ông cho rằng ngọn gió ête làm biến đổi độ dài và thời gian "thực". Anhxtanh đã đi con đường ấy đến tận cùng. Ông nói không có ngọn gió ête nào cả. Khái niệm độ dài và thời gian tuyệt đối không có ý nghĩa gì. Đó là cái chìa khoá thuyết tương đối hẹp của Anhxtanh. Khi ông tiếp cận với nó, pháo đài bất khả xâm phạm bắt đầu được từ từ mở ra.
Để giải thích trực quan thuyết tương đối hẹp, Anhxtanh đã đề xuất một thí nghiệm lý thuyết nổi tiếng của mình. Ta thử hình dung, ông nói, một người quan trắc M đứng gần nền đường sắt. Tại một khoảng cách nào đó theo hướng chuyển động có một điểm B. Cùng trên một khoảng cách đó ngược hướng chuyển động là điểm A. Giả sử rằng đồng thời tại hai điểm A và B loé lên một tia chớp. Người quan sát cho rằng các sự kiện này là đồng thời, bởi vì anh ta nhìn thấy cả hai tia chớp vào cùng một thời điểm. Bởi vì anh ta đứng ở giữa chúng và vì ánh sáng truyền bá với vận tốc không đổi nên ông kết luận rằng tia chớp loé lên đồng thời tại hai điểm này.
Bây giờ ta giả thiết rằng khi tia chớp léo lên dọc nền đường sắt theo hướng từ A sang B. Một con tàu chuyển động với vận tốc lớn. Vào thời điểm xuất hiện cả hai tia chớp người quan sát bên trong con tàu ta gọi là M đứng gần nền đường. Bởi vì M chuyển động theo hướng một tia chớp và ở xa tia khác, anh ta sẽ nhìn thấy tia chớp tại B trước khi thấy tại A. Biết rằng anh ta đang ở trong trạng thái chuyển động anh ta bắt gặp điểm cuối của vận tốc ánh sáng và cũng rút ra kết luận rằng các tia chớp lóe lên đồng thời.
Tất cả đều trôi chảy. Nhưng theo như hai tiên đề cơ bản của thuyết tương đối hẹp (được khẳng định bởi hai thí nghiệm của Maikenxơn - Moocly) chúng ta có thể có quyền giả thiết rằng con tàu đứng yên trong khi trái đất chạy nhanh ở phía sau theo với các bánh xe lăn của con tàu. Từ điểm ngắm M này người quan sát trên con tàu đi đến kết luận là tia chớp loé tại điểm B trên thực tế đã xảy ra sớm hơn tại điểm A là điểm tiếp nối anh ta quan sát. Anh ta biết rằng đang ở giữa các loé chớp anh ta bắt gặp đầu tiên đã xảy ra trước loé chớp anh ta bắt gặp lần sau. M, người quan sát trên trái đất là tương hợp, thực ra, anh ta nhìn các loé chớp như đồng thời với nhau, nhưng giờ đây anh ta được xem là đang chuyển động, khi anh ta tính đến vận tốc ánh sáng và sự kiện là anh ta chuyển động ngược với loé chớp tại A và cách loé chớp tại B, anh ta đi đến kết luận loé chớp tại B đã xảy ra trước.
Như vậy, chúng ta buộc phải kết luận rằng đối với các vấn đề loé chớp có xảy ra đồng thời không thì không thể trả lời một cách tuyệt đối được. Câu trả lời phụ thuộc vào việc lựa chọn hệ thống tính toán (đọc số). Tất nhiên nếu hai sự kiện xảy ra đồng thời tại cùng một điểm, thì có thể tin tưởng tuyệt đối mà nói rằng chính là đồng thời. Khi hai máy bay đụng nhau trên không, không có hệ thống tính toàn mà theo đó thì các máy bay đã tránh nhau không đồng thời. Nhưng khoảng cách giữa các sự kiện càng lớn thì càng khó giải quyết vấn đề hơn về tính đồng thời của chúng. Vấn đề là ở chỗ chúng ta đơn giản là không dám thừa nhận thực chất của vấn đề. Không có thời gian tuyệt đối đối với vũ trụ để chúng ta có thể đo trạng thái đồng thời tuyệt đối. Tính đồng thời tuyệt đối của các sự kiện xảy ra tại các không gian khác nhau là khái niệm không có ý nghĩa gì.
Có thể hiểu thấu đáo quan điểm đó từ thí nghiệm lý thuyết (suy tưởng) trong đó khoảng cách lớn và vận tốc lớn đều được nghiên cứu. Giả sự có ai đó trên hành tinh X, ở một phần khác của thiên hà chúng ta muốn liên lạc với trái đất. Họ đánh tín hiệu, tín hiệu đó đương nhiên là một sóng điện từ được truyền bá trong không gian với vận tốc ánh sáng. Giả sử trái đất và hành tinh X cách nhau khoảng cách 10 năm ánh sáng. Điều đó có nghĩa là phải mất 10 năm để tín hiệu đến được trái đất. 12 năm trước, khi nhà thiên văn vô tuyến trên trái đất nhận được tín hiệu rằng ông được tặng giải Nobel. Thuyết tương đối hẹp cho phép chúng ta nói một cách thoải mái rằng ông ta đã nhận được giải thưởng này sớm hơn là được tín hiệu từ hành tinh X.
Qua mười phút sau khi nhận được tín hiệu, nhà thiên văn này mất hút, thuyết tương đối hẹp cho phép chúng ta nói, cũng không có hạn chế nào rằng nhà thiên văn đã mất hút sau khi nhận được tín hiệu từ hành tinh X.
Bây giờ giả sử rằng tại một thời điểm nào đó trong khoảng mười năm khi tín hiệu radio (vô tuyến) đang trên đường đến Trái Đất (chẳng hạn là 3 năm trước khi nhận được tín hiệu) nhà thiên văn cùng với kính viễn vọng vô tuyến của mình bị ngã và bị gẫy chân. Thuyết tương đối hẹp không cho phép chúng ta nói thoải mái rằng ông ta gãy chân sớm hơn hay muộn hơn sơ với khi nhận được tín hiệu từ hành tinh X.
Chứng minh điều đó như sau: Người quan sát dời hành tinh X vào thời điểm khi đánh tín hiệu và chuyển động về trái đất với vận tốc tốc nhỏ, nếu đo nó đối với Trái Đất sẽ tìm thấy (theo số đo thời gian) rằng nhà thiên văn bị gẫy chân sau khi tín hiệu được gửi đi. Tất nhiên anh ta sẽ tới trái đất qua nhiều thời gian sau khi được tín hiệu, có thể là, qua hàng trăm năm chẳng hạn. Nhưng khi anh ta tính ngày chuyển tín hiệu theo đồng hồ của mình, nó sẽ sớm hơn ngày mà nhà thiên văn bị gãy chân. Một người quan sát khác cũng dời hành tinh X và thời điểm khi đánh tín hiệu, nhưng lại bay với vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng sẽ thấy rằng nhà thiên văn gẫy chân trước khi tín hiệu được đánh đi. Thay vì có thể mất hàng trăm năm để vượt qua đoạn đường, anh ta có thể mất chừng mười năm nếu đo thời gian trên trái đất. Nhưng do chậm trễ thời gian trong con tàu vũ trụ chuyển động nhanh, nhà du hành vũ trụ trong con tàu này dường như là đã trải qua đoạn đường cả thảy chỉ là một vài tháng. Trên trái đất người ta nói với anh ta rằng nhà thiên văn mới gẫy chân hơn ba năm trước đây thôi. Theo đồng hồ của nhà du hành vũ trụ, tín hiệu mới được chuyển đi vài tháng. Anh ta đi đến kết luận rằng châm mới gãy vài năm trước khi tín hiệu dời khỏi hành tinh X.
Nếu như nhà du hành vũ trụ bay nhanh như vận tốc ánh sáng (đương nhiên, đó chỉ là giả thuyết, trên thực tế thì không thể được), đồng hồ của anh ta hẳn là hoàn toàn dừng lại. Đối với anh ta, dường như là chuyến bay xảy ra trong nháy mắt và cả hai sự kiện chuyển tín hiệu và nhận tín hiệu đều phải diễn ra đồng thời. Tất cả các sự kiện xảy ra trên trái đất trong vòng mười năm dường như đối với anh ta lúc xảy ra sớm hơn so với tín hiệu được đánh đi. Nhưng theo thuyết tương đối hẹp không có hệ thống đọc số (tính toán) tách rời: không có cơ sở nào để hài lòng với quan điểm của người quan sát này, mà không phải là của người kia. Những tính toán tiến hành bởi nhà du hành vũ trụ bay nhanh cũng hợp lý, cũng "chân thực" như cách tính toán tiến hành bởi nhà du hành vũ trụ bay chậm. Không có thời gian vạn năng, tuyệt đối để có thể bằng vào đó mà xác định sai khác giữa chúng với nhau.
Sự phá vỡ khái niệm của tính đồng thời tuyệt đối đó, không nghi ngờ gì nữa, là một quan điểm táo bạo tuyệt diệu của thuyết tương đối hẹp. Niuton tự xem mình là một nhà thông thái, cho rằng có một thời gian toàn năng trôi đi trong toàn bộ vũ trụ. Lorenxơ và Poăngcarê cũng như vậy. Chính điều đó đã ngăn thiên tài của Anhxtanh cho phép ông hiểu rằng lý thuyết không thể thành tựu một cách toàn diện và logic triệt để mà không chối bỏ dứt khoát quan niệm thời gian vũ trụ toàn năng.
Anhxtanh nói chỉ có một thời gian cục bộ. Trên trái đất, chẳng hạn, mỗi vật bay trong không gian với cùng một vận tốc: như vậy các đồng hồ đều chỉ cùng một "thời gian trái đất", thời gian địa phương (cục bộ) kiểu như vậy đối với các đối tượng đang vận động giống như trái đất, được gọi là thời gian đặc thù của đối tượng ấy. Vẫn có những khái niệm tuyệt đối như "trước" và "sau" (hiển nhiên là không có một nhà du hành vũ trụ nào có thể chết trước khi sinh ra) nhưng khi các sự kiện cách rất xa nhau thì có những khoảng thời gian liên tục trong đó không thể nói sự kiện nào xảy ra trước hoặc sau sự kiện nào. Câu trả lời phụ thuộc vào chuyển động của người quan sát đối với hai sự kiện đó, đương nhiên lời giải thích có được bởi một người quan sát cũng "nhận thức" như lời giải khác của người quan sát khác. Toàn bộ điều đó với một lôgic vững chắc suy ra từ hai tiên đề cơ bản của thuyết tương đối hẹp.
Khi khái niệm tính đồng thời mất ý nghĩa thì mất luôn ý nghĩa cả những khái niệm khác. Thời gian trở thành tương đối bời vì người quan sát khác nhau trong việc đánh giá thời gian xảy ra giữa hai sự kiện như nhau. Độ dài cũng trở thành tương đối. Độ dài của con tàu đang chuyển động không thể đo được nếu như không biết chính xác các giới hạn trước và sau của nó ở đâu vào cùng một thời điểm. Nếu có ai đó báo cáo rằng vào 1 giờ 00 phút giới hạn sau cách nó 1 km tại thời điểm nào đó giữa 12 giờ 59 phút và 1 giờ 01 phút, thì rõ ràng là không có phương pháp xác định độ dài thực của con tàu này. Khi thiếu một phương pháp như vậy, độ dài của đối tượng đang chuyển động sẽ phụ thuộc vào việc lựa chọn hệ thống đọc số (tính toán).
Thí dụ, nếu hai con tàu vũ trụ ở trong trạng thái chuyển động tương đối, thì người quan sát tại mỗi con tàu sẽ nhìn thấy con tàu khác co rút lại theo hướng chuyển động của mình. Với vận tốc thông thường,sự co rút đó là cực nhỏ. Trái đất chuyển động xung quanh mặt trời với vận tốc 30 km/giây và đối với người quan sát đứng yên so với mặt trời là cả thảy chỉ vài xăngtimet. Song khi vận tốc tương đối, sự thay đổi trở nên rất lớn. Thật thú vị biết bao khi chính công thức để tính độ co rút của Phitxơjeral - Lorenxơ nhằm giải thích thí nghiệm Maikenxơn - Moocly, có thể được áp dụng ở đây. Trong thuyết tương đối trước đây người ta gọi là sự co rút Lorenxơ - Phitxơjeral, nhưng hẳn là đã dễ hiểu hơn nếu như nó mang một tên khác, bởi Anhxtanh đã cho công thức này một cách giải thích hoàn toàn khác.

Đối với Lorenxơ và Phitxơjeral, co rút là sự thay đổi vật chất gây ra bởi áp lực của ngọn gió ête. Đối với Anhxtanh nó có liên quan tới các kết quả đo đạc. Chẳng hạn, nhà du hành vũ trụ trên một con tàu vũ trụ đo độ dài của một con tàu khác. Người quan sát trên mỗi con tàu không phát hiện ra một sự thay đổi nào về độ dài của con tàu riêng biệt hoặc độ dài của các đối tượng bên trong nó. Song khi đo con tàu khác, họ sẽ tìm thấy rằng nó ngắn hơn. Phitxơjeral vẫn cho rằng các vật thể chuyển động có "các độ dài đứng yên" tuyệt đối. Khi các vật thể bị co rút, chúng không lớn hơn độ dài "thực" của mình. Anhxtanh sau khi chối bỏ trường ête đã hiểu khái niệm độ dài tuyệt đối là vô nghĩa, chỉ còn lại độ dài có được do kết quả đo đạc, và dường như là nó thay đổi tuỳ thuộc vào vận tốc tương đối của đối tượng và người quan sát.
Các bạn sẽ hỏi làm sao có thể mỗi còn tàu lại ngắn hơn con tàu kia? Không đúng. Lý thuyết không nói rằng mỗi con tàu ngắn hơn con tàu kia. Nó nói rằng nhà du hành vũ trụ trên mỗi con tàu khi đó sẽ tìm thấy rằng con tàu khác ngắn hơn. Đó là những việc hoàn toàn khác nhau. Nếu như hai người theo về hai phía khác nhau của một thấu kính lồi - lõm lớn thì mỗi người sẽ nhìn thấy người khác bé hơn mình; nhưng đó không phải là điều muốn nói, điều muốn nói là dường như mỗi người đều nhỏ hơn người khác.
Ngoài những thay đổi kiểu biểu kiến về độ dài có cả những thay đổi biểu kiến về thời gian. Các nhà du hành vũ trụ trên mỗi con tàu sẽ thấy rằng đồng hồ trên con tàu khác chạy chậm hơn. Thí nghiệm suy tưởng đơn giản chỉ ra rằng điều đó thực tế là như vậy. Bạn hãy hình dung rằng bạn nhìn qua một lỗ nhỏ của con tàu vào lỗ hổng của con tàu khác. Cả hai con tàu đều bay gần nhau với vận tốc không đổi gần với vận tốc ánh sáng.
Tại thời điểm chúng bay qua nhau trên con tàu phát ra chùm sáng từ trần xuống nền, ở đó nó đổ vào gương và phản xạ lại trần. Bạn sẽ nhìn thấy đường đi của tia sáng đó dưới dạng chữ V. Nếu như ở bạn có đủ dụng cụ chính xác (tất nhiên những dụng cụ như thế bây giờ không còn), bạn hẳn có thể ghi lại thời gian cần cho tia sáng đi qua con đường hình chữ V. Chia độ dài cho thời gian, hẳn bạn sẽ được vận tốc ánh sáng.
Bây giờ, giả sử rằng khi bạn ghi lại thời gian đi qua bởi tia sáng đoạn đường hình chữ V, nhà du hành ở bên trong con tàu khác cũng làm hệt như vậy. Từ điểm ngắm (quan sát) con tàu của anh ta là hệ thống đọc số cố định và ánh sáng đơn giản đi về phía dưới và về phía trên dọc theo cùng một đường thẳng, rõ ràng là đồng thời đi qua khoảng cách ngắn hơn là dọc theo đoạn đường hình chữ V mà bạn quan sát. Khi anh ta chia khoảng cách đó cho thời gian mà tia sáng cần để đi về phía dưới và về phía trên, anh ta cũng sẽ được vận tốc ánh sáng. Bởi vì vận tốc ánh sáng là không đổi đối với mọi người, anh ta sẽ thu được cùng một kết quả về độ chính xác là 300.000 km/giây. Nhưng nơi anh ta đoạn đường ánh sáng đi qua ngắn hơn. Làm sao kết quả của anh ta cũng như vậy? Chỉ có một cách giải thích: đồng hồ của anh ta chạy chậm hơn. Đương nhiên, tình hình đó hoàn toàn đối xứng. Nếu như bạn cho ánh sáng đi về phía dưới và về phía trên bên trong con tàu của bạn, thì nhà du hành vũ trụ sẽ nhìn thấy con đường của bạn là hình chữ V. Anh ta sẽ đi đến kết luận rằng đồng hồ của bạn bị chậm.
Có điều là sự thay đổi về độ dài và thời gian được gọi là "biểu kiến" không có nghĩa là không có một độ dài "thực" hoặc thời gian "thực" mà người quan sát khác nhau "tưởng như là" khác nhau. Độ dài và thời gian là những khái niệm tương đối. Chúng không có ý nghĩa ngoài sự liên hệ giữa đối tượng và người quan sát. Vấn đề không phải là có một hệ thống đo đạc "thực", còn hệ thống khác là "giả". Mỗi hệ thống đều thực đối với người quan sát tiến hành đo đạc đối với hệ thống đọc số riêng của anh ta. Không thể xem xét một phép đo này là chính xác hơn phép đo kia. Và tất cả những điều này tuyệt nhiên không phải là ảo giác quang học cần được giải thích bởi nhà tâm lý học. Các đo đạc có thể được ghi lại bằng các dụng cụ. Chúng không đòi hỏi sự có mặt của người quan trắc bằng xương bằng thịt.
Khối lượng cũng là một khái niệm tương đối, song chúng ta phải gác lại vấn đề này, vấn đề khác sang chương tiếp theo.
CHƯƠNG 5: THUYẾT TƯƠNG ĐỐI HẸP PHẦN II
... Có thể là vũ trụ dường như bị phản chiếu và biến thành một ảo ảnh trong gương, các ngôi sao đều có khối lượng âm, còn thời gian vũ trụ thì lùi lại. Không một hiện tượng nào trong đó qua mặt các công thức của thuyết tương đối hẹp...
Độ dài và thời gian, như đã trình bày ở chương trước, đều là những khái niệm tương đối. Nếu một con tàu vũ trụ khác với một vận tốc không đổi, thì người quan sát trên mỗi con tàu sẽ thấy rằng các nhà du hành vũ trụ trên con tàu kia gầy nhỏ đi và dịch chuyển chậm hơn. Nếu vận tốc tương đối của chúng đủ lớn để chuyển dịch của các đồng nghiệp của họ giống như chuyển dịch của các diễn viên trên màn ảnh chậm dần. Mọi hiện tượng chuyển động có chu kỳ sẽ như chậm dần: chuyển động của con lắc và vật đối trọng trong đồng hồ, nhịp tim, dao động của nguyên tử v.v... Theo lời của A. X. Edingtơn, nhà thiên văn học người Anh nổi tiếng, người đã trở thành một trong những người nối nghiệp hàng đầu và sáng giá nhất của Anhxtanh. Dường như là thậm chí cả điếu xì gà trên con tàu kia cũng bị teo dần đi. Nhà du hành vũ trụ cao hai mét đứng trong con tàu đang chuyển động ngang sẽ được nhìn thấy giống như trước là hai mét rưỡi, nhưng cơ thể của anh ta như mỏng đi theo hướng chuyển động. Còn khi anh ta nằm trải dài theo hướng chuyển động của con tàu, chiều ngang bình thường của cơ thể anh ta được khôi phục, nhưng giờ đây sẽ có tình hình là tầm vóc anh ta ngắn lại theo hướng từ đầu đến chân!
Nếu như hai con tàu vũ trụ trên thực tế có thể chuyển động tương đối với nhau với vận tốc đủ lớn để những thay đổi tương tự thành hiện thực thì mọi khó khăn có thể mang tính kỹ thuật đã không cho phép người quan sát trên mỗi con tàu nhìn thấy những thay đổi đó. Các nhà văn ưa thích giải thích thuyết tương đối bằng những thí dụ có hiệu quả được đơn giản hoá. Những minh họa màu sắc đó không mô tả những thay đổi mà trên thực tế có thể quan sát được hoặc bằng mắt người hoặc bằng máy móc tân tiến hiện nay. Về sự tồn tại của những thay đổi này, các nhà du hành vũ trụ có thể nhận biết về nguyên tắc trên cơ sở đo đạc, nếu như có dủ những dụng cu đo đạc tốt.
Bổ sung sự thay đổi độ dài và thời gian còn có sự thay đổi tương đối của khối lượng. Khối lượng, nói đại khái, là số đo số lượng vật chất trong cơ thể.
Quả cầu bằng chì hoặc quả cầu bằng gỗ có thể có kích thước như nhau, nhưng quả cầu bằng chì nặng hơn.
Vật chất tập trung trong đó cao hơn.
Có hai phương pháp đo khối lượng vật thể, hoặc là đem cân lên, hoặc là theo cách thức xem lực lớn bao nhiêu để truyền cho vật thể đó một gia tốc nhất định. Phương pháp đầu không tốt lắm, bởi vì kết quả thu được phụ thuộc vào trọng lực tại điểm đã biết.
Quả cầu bằng chì mang lên đỉnh núi cao có trọng lượng nhỏ hơn khi cân nó ở chân núi, mặc dù khối lượng của nó vẫn đúng như vậy. Trên mặt trăng, trọng lượng của nó nhỏ hơn nhiều so với trên Trái Đất. Còn trên Sao Mộc trọng lượng dường như còn lớn hơn.
Phương pháp thứ hai đo khối lượng cho kết quả tương tự độc lập với điều là chúng được tiến hành trên Trái Đất, trên Mặt Trăng hoặc trên Sao Mộc. Song khi sử dụng phương pháp này, ngay lập tức xuất hiện những vấn đề mới lạ. Muốn dùng phương pháp này để xác định khối lượng vật thể đang chuyển động, cần đo lực khả dĩ truyền cho nó một gia tốc nhất định, rõ ràng rằng để lăn một quả đạn pháo cần sức đẩy mạnh hơn là lăn một quả cầu gỗ. Khối lượng đo bằng phương pháp đó gọi là khối lượng quán tính (g) khác với khối lượng trọng trường hoặc trọng lượng. Những đo đạc tương tự không thể thực hiện được nếu không đo thời gian và khoảng cách. Khối lượng quán tính của quả đạn pháo chẳng hạn được biểu thị thông qua đại lượng lực cần thiết để làm tăng vận tốc của nó (khoảng cách trên một đơn vị thời gian) trên một đơn vị thời gian là bao nhiêu đấy. Như chúng ta đã thấy trước đây, việc đo thời gian và khoảng cách thay đổi cùng với sự thay đổi vận tốc tương đối của vật thể và người quan sát, do đó mà thay đổi cả những kết quả đo khối lượng quán tính.
Trong chương 6, chúng ta sẽ trở lại với khái niệm khối lượng trọng trường và cùng với nó là khối lượng quán tính. Còn ở đây chỉ nói về khối lượng quán tính thu được do người quan sát đó. Đối với người quan sát đứng yên so với đối tượng, chẳng hạn đối với các nhà du hành vũ trụ chở voi trong con tàu vũ trụ, khối lượng quán tính của đối tượng vẫn như vậy độc lập với vận tốc con tàu. Khối lượng con voi đo được bởi những người quan sát như nhau, được gọi là khối lượng riêng hoặc khối lượng đứng yên của nó. Khối lượng quán tính của bản thân con voi như vậy đo được bởi người quan sát nào đó đang chuyển đối với con voi đó (chẳng hạn, bởi người quan trắc trên trái đất), được gọi là khối lượng tương đối của con voi. Khối lượng đứng yên của vật thể không bao giờ thay đổi, còn khối lượng tương đối thì thay đổi. Cả hai số đo được là các số đo của khối lượng quán tính. Trong chương này chỉ nói về khối lượng quán tính: khi sử dụng từ "khối lượng", cần hiểu nó theo đúng ý nghĩa này.
Cả ba biến số - độ dài, thời gian, khối lượng đều được gộp vào cùng một biểu thức rút gọn Lorenxơ: căn bậc 2 của 1 - v2/c2.
Độ dài và vận tốc kim đồng hồ thay đổi theo cùng một định luật sao cho công thức cho các đại lượng này vẫn như vậy. Đồng thời khối lượng và độ dài của các khoảng thời gian thay đổi theo các định luật đảo ngược, và điều đó có nghĩa là công thức ở đây cần viết như sau: 1/ căn bậc 2 của (1 - v2/c2).
Khối lượng của bất kỳ vật thể đo được bởi người quan trắc đang chuyển động đều đối với vật thể ấy, thu được bằng cách nhân khối lượng đứng yên của vật thể với biểu thức dẫn ra ở trên (ở đây v là vận tốc tương đối của đối tượng: c là vận tốc ánh sáng).
Thí dụ, nếu vận tốc tương đối của hai con tàu vũ trụ bằng 260.000 km/giây, người quan sát trên mỗi con tàu sẽ cho rằng con tàu khác ngắn đi một nửa, đồng hồ trên đó chạy chậm hơn hai lần, thời gian một giờ dài gấp đôi và khối lượng con tàu cũng lớn gấp đôi. Tất nhiên, những nhà du hành vũ trụ này trên con tàu riêng của mình sẽ thấy mọi thứ đều bình thường, nếu như các con tàu này có thể đạt tới vận tốc tương đối bằng với vận tốc ánh sáng người quan trắc trên mỗi con tàu hẳn đã cho rằng con tàu kia đã co rút độ dài của mình đến số không, còn khối lượng là vô cùng và thời gian trên con tàu kia chậm đủ mức dựng lại hoàn toàn!
Nếu như khối lượng quán tính không thay đổi theo cách thức nói trên thì tác động không ngừng của lực như vậy, chẳng hạn như lực của động cơ tên lửa hẳn có thể duy trì được sự tăng tốc của con tàu cho tới khí vận tốc này không vượt quá vận tốc ánh sáng. Nhưng điều đó sẽ không xảy ra, bởi vì tùy mức độ con tàu chuyển động càng nhanh lên (chẳng hạn, từ điểm ngắm của người quan trắc), khối lượng tương đối của nó ngày càng tăng lên theo một tỷ lệ trong đó độ dài của nó giảm đi và thời gian chậm laị. Khi con tàu co rút lại bằng một phần mười độ dài ban đầu, khối lượng tương đối của nó sẽ tăng lên 10 lần. Nó tạo ra phản lực lớn gấp 10 lần đối với động cơ tên lửa: như vậy đòi hỏi một lực lớn gấp mười lần so với trường hợp con tàu đứng yên, nhằm bảo đảm cùng một sự tăng tốc. Không bao giờ có thể đạt tới được vận tốc ánh sáng. Ví thử có đạt được thì người quan sát bên ngoài đã mục kích con tàu co rút độ dài của nó bằng không, khối lượng sẽ lớn vô cùng, còn động cơ tên lửa sẽ hoạt động với lực đẩy cực lớn. Các nhà du hành vũ trụ trong con tàu sẽ không thể nào phát hiện được điều này thay đổi gì, song dường như họ nhìn thấy tất cả trong vũ trụ đang bị bỏ lại phía sau với vận tốc ánh sáng, thời gian vũ trụ bị dừng lại, mỗi vì sao dẹt như một cái đĩa và khối lượng thì lớn vô cùng.
Chỉ những tác giả của các chuyện khoa học - viễn tưởng mới có đủ dũng cảm suy tưởng về đề tài rằng các nhà du hành vũ trụ có thể bắt gặp bằng cách nào đó hiện tượng xuyên thủng rào cản ánh sáng. Có thể là vũ trụ dường như là bị phản chiếu và biến thành một ảo ảnh trong gương, các ngôi sao đều có khối lượng âm, còn thời gian vũ trụ thì lùi lại. Không một hiện tượng nào trong đó qua mặt các công thức của thuyết tương đối hẹp. Nếu vận tốc ánh sáng vượt trội, các công thức này cho các giá trị độ dài, thời gian và khối lượng, như các nhà toán học thường nói, là những "số ảo" - những số có căn bậc hai của -1, ai biết được?
Phải chăng con tàu đi qua rào cản ánh sáng bay thẳng đến vương quốc của nhà phù thuỷ Gutvin đây!
Dù hiểu ra rằng không cái gì có thể đuổi kịp vận tốc ánh sáng, những sinh viên mới bắt đầu nghiên cứu thuyết tương đối thường đãng trí đề cập đến những vận tốc vượt hơn vận tốc ánh sáng. Để hiểu rõ rằng trong trường hợp này đối với thuyết tương đối tốt hơn cả là nên đưa vào thuật ngữ "hệ thống đọc số quán tính" trước đây các tác giả của các công trình về thuyết tương đối thường gọi nó là "hệ thống quán tính" hay là "hệ thống Galilê". Khi có một vật thể bất kỳ tựa hồ một con tầu vũ trụ chuyển động đều, thì người ta nói rằng vật thể đó và tất cả những đối tượng khác chuyển động cùng với nó theo hướng và vận tốc (ví dụ, các đối tượng bên trong con tàu) liên quan với cùng một hệ thống đọc số quán tính. (Hệ thống đọc số quán tính là hệ thống toạ độ Đêcác mà con tàu vũ trụ đó có liên quan). Ở ngoài sự liên quan với hệ thống đọc số quán tính, thuyết tương đối hẹp không thích dụng nữa và có nhiều khả năng quan sát vận tốc vượt trên vận tốc ánh sáng.
Giả dụ chúng ta xem xét một trường hợp đơn giản như sau. Một con tàu vũ trụ chuyển động với vận tốc bằng 3/4 vận tốc ánh sáng, bay qua bên trên các bạn và theo chính hướng đông. Cũng tại thời điểm này một con tàu vũ trụ khác chuyển động cũng với vận tốc đó bay bên trên các bạn, thẳng hướng tây. Trong hệ thống đọc số của các bạn có liên quan đến hệ thống đọc số quán tính của trái đất, hai con tàu này bay sát bên nhau với vận tốc tương đối bằng một lần rưỡi vận tốc ánh sáng. Chúng tiến gần với vận tốc đó và tách xa nhau cũng với vận tốc đó. Không có điều gì trong thuyết tương đối cấm kỵ điều đó. Song thuyết tương đối hẹp đòi hỏi rằng nếu bạn bay trên một con tàu, thì sau khi tính vận tốc tương đối của những con tàu đó, bạn sẽ thấy được trị số nhỏ hơn vận tốc ánh sáng.
Chúng ta vận dụng các khả năng để tránh phải áp dụng công cụ toán học của thuyết tương đối trong cuốn sách này, nhưng theo công thức rút ngắn Lorenxơ, công thức cho dưới đây quá đơn giản miễm phải nêu ra. Nếu x là vận tốc của một con tàu đối với trái đất, còn y là vận tốc của con tàu khác, đối với trái đất, thì vận tốc của các con tàu này đối với nhau, như nó được hình dung từ trái đất, tất nhiên sẽ bằng x + y. Nhưng tại vị trí của người quan sát trong con tàu nào đó; chúng ta cần phải cộng vận tốc theo công thức sau đây: (x + y)/ (1 + xy/c2)
Trong công thức này c là vận tốc ánh sáng. Dễ dàng thấy rằng khi vận tốc con tàu là nhỏ so với vận tốc ánh sáng, công thức này cho kết quả thu được khi cộng hai vận tốc theo cách thông thường. Nhưng nếu vận tốc của con tàu là rất lớn, công thức này cho một kết quả hoàn toàn khả quan. Ta hãy lấy một trường hợp giới hạn và giả thiết rằng thay vì các con tàu vũ trụ, có hai tia sáng đi qua bên trên chúng ta theo hướng ngược. Người quan sát trên mặt đất sẽ nhìn thấy chúng bay tách nhau với vận tốc 2c, tức là với vận tốc gấp đôi vận tốc ánh sáng. Nhưng nếu như nó chuyển động cùng với một trong những tia đó, thì sau khi tách vận tốc tương đối phù hợp với công thức đã dẫn ở trên nó sẽ thu được: (c + c)/(1 + c2/c2) tất nhiên sẽ đạt tới trị số bằng với c.
Nói khác đi, nó sẽ bắt gặp tia sáng khác chuyển động từ nó với vận tốc ánh sáng.
Giả sử tia sáng đi qua trên đầu chúng ta tại thời điểm con tàu vũ trụ chuyển động theo hướng ngược với vận tốc x.
Trong hệ thống đọc số quan tính của trái đất, con tàu và ánh sáng đi qua sát bên nhau với vận tốc c + x. Bạn đọc có thể hài lòng sau khi tính trị số vận tốc ánh sáng thu được nếu đo nó trong hệ thống đọc số quán tình có liên quan đến con tàu vũ trụ. Tất nhiên kết quả lại thu được là c.
Ngoài phạm vi hoạt động của thuyết tương đối hẹp có liên quan chỉ với hệ thống quán tính, vẫn còn có thể nói về vận tốc ánh sáng như về một giới hạn tuyệt đối nào đó. Song giờ đây cần thể hiện điều đó theo cách khác: không có một phương pháp nào cho phép phát tín hiệu từ một thể vật chất đến một vật thể khác với vận tốc vượt quá vận tốc ánh sáng. Khái niệm "tín hiệu" ở đây được sử dụng theo nghĩa rộng của từ này. Nó bao gồm mọi dạng quan hệ nhân - quả, cho phép truyền thông tin bằng bất kỳ dạng năng lượng nào, ví như năng lượng sóng âm, sóng điện từ, sóng va đập ở dạng thể rắn v.v... Không thể phát thông tin lên Sao Hoả với vận tốc vượt quá vận tốc ánh sáng. Không thể làm được điều là viết một bức thư và gửi vào tên lửa, bởi vì như chúng ta thấy trước đây, vận tốc tương đối của tên lửa luôn luôn nhỏ hơn vận tốc ánh sáng. Nếu thông tin được mã hoá và gửi qua radio hoặc rada, thì nó sẽ đến được với vận tốc ánh sáng. Không có dạng năng lượng nào khác có thể bảo đảm việc chuyển tải nhanh hơn mã này.
Mặc dù các tín hiệu không thể truyền đi với vận tốc vượt qua vận tốc ánh sáng, nhưng có thể quan trắc các dạng chuyển động nhất định có quan hệ với người quan trắc, mà vận tốc lớn hơn vận tốc ánh sáng. Bạn thử tưởng tượng một cái kéo khổng lồ mà lưỡi kéo chạm tới hành tinh Hải Vương. Cái kéo bắt đầu khép với vận tốc không đổi. Theo diễn giải, tại điểm các mép kéo cắt nhau, sẽ có sự chuyển động tới đầu mút kéo với vận tốc tăng dần lên. Bạn hãy tưởng tượng ban đang ngồi tại trục bất động chốt hai lưỡi kéo. So với hệ thống đọc số quán tính của bạn, giao điểm này của hai lưỡi kéo sẽ xa dần bạn với vận tốc lớn hơn vận tốc ánh sáng. Tất nhiên ở đây xuất hiện chuyển động không phải của vật thể vật chất mà là của một điểm hình học.
Có thể trong đầu bạn nảy ra một ý nghĩ như sau: giả sử vòng kéo ở tại trái đất, còn giao điểm của hai lưỡi kéo ở tận sao Hai vương. Nếu như bạn khép nhẹ cái kéo lại, sau đó lại mở ra, lập lại các động tác đó nhiều lần, thì giao điểm sẽ chuyển dịch về phía trước - phía sau. Bây giờ có phải không thể đánh tín hiệu tới sao Hải Vương chỉ trong nháy mắt được không? Không thể, bởi vì sung lượng dẫn đến chuyển động lưỡi kéo cần được truyền lại từ phân tử này đến phân tử khác, còn vận tốc của quá trình này phải nhỏ hơn vận tốc ánh sáng. Trong thuyết tuyệt đối tổng quát không có vật thể cứng tuyệt đối. Trái lại bạn có thể lấy một trục cũng trải dài từ Trái Đất đến sao Hải Vương và truyền thông tin trong nháy mắt trong khi truyền động một đầu. Không có phương pháp cho phép sử dụng cái kéo khổng lồ hoặc bất kỳ một dạng nào khác được gọi là các đối tượng vượt quá vận tốc ánh sáng.
Nếu như hướng tia sáng của chiếc đèn chiếu lên màn ảnh có đủ độ lớn và độ xa, thì có thể trong khi quay đèn chiếu, phải làm sao cho vết dấu trên màn ảnh sẽ chuyển động theo với nó nhanh hơn ánh sáng. Ở đây lại không có một đối tượng vật chất nào chuyển động, thực ra đó là chuyển động ảo. Nếu hướng đèn chiếu vào khoảng không và bắt đầu quay nó, thì các phần tia sáng ở xa sẽ toả vào không gian với vận tốc lớn hơn vận tốc ánh sáng nhiều. Ở chương 5 sẽ trình bày có thể coi trái đất là hệ thống đọc số không quay. Từ điểm ngắm này, vận tốc quay của các ngôi sao quanh trái đất sẽ lớn hơn vận tốc ánh sáng nhiều. Như một nhà thiên văn học đã nhận xét, ngôi sao cách xa chỉ 10 năm ánh sáng có vận tốc vòng đối với trái đất vượt vận tốc ánh sáng 20 ngàn lần. Với phương pháp hình học này để khắc phục rào cản ánh sáng thậm chí không cần theo dõi các ngôi sao. Bằng cách quay cần đà, cậu bé có thể thông báo cho mặt trời vận tốc vòng (theo hệ thống toạ độ liên quan tới cần đà), một vận tốc lớn hơn vận tốc ánh sáng nhiều, tức lớn hơn 300 000 km/giây.
Chương 10 nói rằng theo một thuyết phổ biến về vũ trụ các thiên hà ở xa có thể tách xa trái đất với vận tốc vượt quá vận tốc ánh sáng. Không một thí dụ nào mâu thuẫn với điều khẳng định rằng vận tốc ánh sáng là rào cản khi đánh tín hiệu từ một thể vật chất tới một thể vật chất khác.
Một hệ quả quan trọng của thuyết tương đối hẹp mà chúng ta sơ bộ đề cập, là trong những điều kiện nhất định năng lượng chuyển thành khối lượng, còn trong những điều kiện khác thì khối lượng lại trở thành năng lượng. Trước đây các nhà vật lý học cho rằng số lượng đầy đủ của khối lượng trong vũ trụ không bao giờ thay đổi và rằng số lượng đầy đủ của năng lượng cũng không bao giờ thay đổi. Điều đó được biểu thị bởi các định luật "bảo toàn khối lượng" và "bảo toàn năng lượng". Bây giờ cả hai định luật này đều thống nhất vào một định luật đơn giản là "bảo toàn khối lượng - năng lượng".
Khi các động cơ tên lửa làm tăng tốc con tàu vũ trụ, một phần năng lượng làm tăng khối lượng tuyệt đối của con tàu. Khi năng lượng thông báo cho bình cafe bằng cách khiến nó sôi (đồng thời các phân tử của nó cũng tăng lên) lượng chứa bên trong bình cafe trên thực tế có tăng hơn trước ít nhiều. Khi bình cafe nguội đi, khối lượng của nó giảm đi. Khi vặn đồng hồ chúng ta truyền cho nó một năng lượng. Khi thôi vặn, đồng hồ bị mất đi phần khối lượng này. Sự tăng, giảm khối lượng là nhỏ vô cùng, đến nỗi không hề nhận biết được trong các điều kiện tính toán vật lý thông thường. Nhưng sự biến đổi đó của khối lượng thành năng lượng hoàn toàn không phải nhỏ, xem chuyện nổ bom hạt nhân thì thấy rõ!
Vụ nổ bom chính là sự biến đổi chớp nhoáng một phần khối lượng vật chất của bom thành năng lượng. Năng lượng bức xạ bởi mặt trời cũng có nguồn gốc tương tự. Do trọng lực lớn trên mặt trời, khí Hyđro trong đó bị áp lực cực lớn và bị đốt nóng đến một nhiệt độ cao khiến các nguyên tử Hyđro tổng hợp lại biến thành Heli. Trong quá trình này một phần của khối lượng biến thành năng lượng. Công thức biểu thị tương quan giữa khối lượng và năng lượng, như được biết hiện nay là: e = mc bình phương, trong đó e là năng lượng, m là khối lượng, c bình phương vận tốc ánh sáng. Anhxtanh có được công thức này từ thuyết tương đối hẹp. Từ công thức này, rõ ràng rằng với một khối lượng cực nhỏ có thể giải phóng một năng lượng cực lớn. Cuộc sống trên trái đất không thể tồn tại nếu không có năng lượng mặt trời, nên quả là không có gì là quá đáng khi nói cuộc sống phụ thuôc vào công thức này. Cũng có thể cho rằng sự kết thúc cuộc sống trên trái đất cũng liên quan tới công thức này. Sẽ không phải là phóng đại khi nói rằng biết hiệu chỉnh yếu tố kinh hoàng được biểu thị bởi công thức đơn giản đó là một vấn đề quan trọng bậc nhất trong số những vấn đề đặt ra trước loài người ở mọi thời đại.
Song bom chỉ là một trong nhiều sự kiện gây ấn tượng nhất xác nhận thuyết tương đối hẹp.
Các chứng minh bằng thực nghiệm bắt đầu được tích luỹ khi bài báo của Anhxtanh viết vào năm 1905 vừa ráo mực và bây giờ nó đã trở thành một trong những hoc thuyết vĩ đại nhất của vật lý học hiện đại. Hằng ngày nó vẫn được khẳng định trong các phòng thí nghiệm của các nhà bác học nguyên tử làm việc với các hạt cơ bản chuyển động với các vận tốc gần với vận tốc ánh sáng. Các hạt cơ bản tương tự chuyển động càng nhanh bao nhiêu, lực càng lớn bấy nhiêu, lực càng lớn bấy nhiêu để có thể làm tăng vận tốc của chúng đến một trị số đã cho; nói khác đi là khối lượng tương đối của chúng càng lớn bấy nhiêu. Chính là do nguyên nhân đó mà các nhà vật lý chế tạo những máy móc ngày càng lớn để gia tốc các hạt cơ bản. Cũng cần cả những trường ngày càng mạnh hơn nhằm khắc phục khối lượng các hạt phát triển tuỳ thuộc vào điều là vận tốc của chúng trở thành ngày càng gần với vận tốc ánh sáng. Hiện nay các điện tử có thể gia tốc đến vận tốc 0, 999999999 vận tốc ánh sáng. Đồng thời mỗi điện tử đều có khối lượng (đối với hệ thống đọc số quán tính của trái đất) lớn hơn đối tượng đứng yên của chúng khoảng 40 ngàn lần.
Khi một hạt cơ bản nào đó chạm với một phản hạt (tức loại hạt có cấu trúc hệt như vây, nhưng mang điện tích âm) thì sẽ xuất hiện triệt tiêu hoàn toàn.
Toàn bộ khối lượng của cả hai hạt cơ bản hoàn toàn biến thành năng lượng bức xạ. Trong phòng thí nghiệm quá trình này chỉ diễn ra với những hạt cơ bản đơn lẻ. Nếu đến một lúc nào đó các nhà vật lý tạo ra được phản vật chất (loại chất cấu thành từ các phản hạt), thì họ có thể đạt tới giới hạn trong việc sử dụng năng lượng nguyên tử. Một số lượng không lớn lắm các phản vật chất trên con tàu vũ trụ được duy trì bởi các từ trường trong tình trạng căng lên, có thể thống nhất một chút, bảo đảm cho con tàu lực chuyển động đủ để đưa chúng ta lên tới các vì sao.
Thuyết tương đối hẹp được xác nhận đầy đủ bằng thực nghiệm, khiến giờ đây khó có thể tìm thấy nhà vật lý nào nghi ngờ về tính chính xác của thuyết này.
Chuyển động đều là tương đối. Nhưng trước khi có thể nói rằng bất kỳ chuyển động nào cũng là tương đối, cần phải khắc phục trở ngại cuối cùng: đó là quán tính. Cái gì là trở ngại đây và Anhxtanh đã khắc phục nó như thế nào sẽ được miêu tả ở chương 5.

Martin Gardner

Dịch giả: Đàm Xuân Tảo

Theo https://isach.info/