1
Không gian và Thời gian
Các từ “không gian” và “thời gian” có ý nghĩa gì đối với bạn? Có lẽ bạn hình dung không gian là cái sâu thẳm giữa các vì sao khi bạn hướng mắt nhìn lên trời vào một đêm mùa đông giá rét. Hoặc có lẽ bạn hình dung ra khoảng không giữa Trái đất và Mặt trăng mà phi thuyền vũ trụ xòe lượn đôi cánh dát vàng, lao vút cùng với các ngôi sao và đường sọc, bay vào vùng đất hoang tàn dưới sự điều khiển của những nhà thám hiểm tên tuổi như là Buzz. Thời gian có lẽ là tiếng tích tắc của chiếc đồng hồ của bạn hoặc sự úa tàn của những chiếc lá khi hành trình thường niên của Trái đất xung quanh Mặt trời làm nghiêng những vùng vĩ độ cao phía bắc vào miền bóng râm lần thứ năm tỉ. Mỗi người chúng ta đều có một cảm nhận trực giác cho không gian và thời gian; chúng là bộ phận của kết cấu của cái hiện hữu của chúng ta. Chúng ta chuyển động trong không gian trên bề mặt của địa cầu xanh tươi khi thời gian tích tắc trôi qua.
Vào những năm cuối của thế kỉ mười chín, hàng hoạt đột phá khoa học trong các lĩnh vực tưởng chừng chẳng liên quan gì nhau bắt đầu khiến các nhà vật lí phải xét lại những bức tranh đơn giản và trực giác này của không gian và thời gian. Vào những năm đầu của thế kỉ hai mươi, Hermann Minkowski, người đồng nghiệp và là người hướng dẫn của Albert Einstein, đã hạ bút viết ra dòng cáo phó ngày nay trở nên nổi tiếng cho quan điểm cổ xưa của sự vận hành của các hành tinh và quỹ đạo của chúng: “Từ nay về sau, không gian tự nó, và thời gian tự nó, biến mất vào những cái bóng theo nghĩa đen và chỉ một loại hỗn ghép của cả hai tồn tại tự nó.”
Minkowski có thể muốn nói điều gì với khái niệm hỗn ghép không gian và thời gian? Để hiểu được câu phát biểu nghe hết sức bí ẩn này, ta phải hiểu thuyết tương đối hẹp của Einstein – lí thuyết giới thiệu với thế giới một trong những phương trình nổi tiếng nhất, E = mc2, và mãi mãi đặt vào trọng tâm nền tảng hiểu biết của chúng ta về vũ trụ một đại lượng kí hiệu là c, tốc độ ánh sáng.
Tại trọng tâm của thuyết tương đối hẹp của Einstein là một mô tả của không gian và thời gian. Trái tim của thuyết tương đối hẹp là khái niệm một tốc độ đặc biệt, một tốc độ mà không có cái gì trong vũ trụ, cho dù có mạnh bao nhiêu chăng nữa, có thể gia tốc được. Tốc độ này là tốc độ của ánh sáng; 299.792.458 mét trên giây trong chân không của vũ trụ trống rỗng. Truyền đi ở tốc độ này, một lóe sáng chiếu ra từ Trái đất mất tám phút để đi tới Mặt trời, 100.000 năm để băng qua thiên hà Ngân hà, và hơn hai tỉ năm để đi tới láng giềng thiên hà gần gũi nhất của chúng ta, thiên hà Andromeda. Trong đêm nay, các kính thiên văn lớn nhất trên Trái đất sẽ chăm chú hướng vào bóng đen sâu thẳm của không gian và thu lấy ánh sáng cổ xưa đến từ những ngôi sao xa xôi, đã chết từ lâu, tại rìa của vũ trụ quan sát được. Ánh sáng này đã bắt đầu hành trình của nó từ hơn 10 tỉ năm trước, một vài tỉ năm trước khi Trái đất được hình thành từ một đám mây bụi sao co lại. Tốc độ ánh sáng là nhanh, nhưng vũ trụ chẳng có nơi nào là bờ bến. Khi đối mặt với khoảng cách lớn giữa các sao và các thiên hà thì tốc độ ánh sáng có thể là hết sức chậm; đủ chậm nên chúng ta có thể gia tốc các hạt rất nhỏ đến gần sát tốc độ ánh sáng với những cỗ máy như Máy Va chạm Hadron Lớn 27 km tại Trung tâm Vật lí Hạt châu Âu (CERN) ở Geneva, Thụy Sĩ.
Sự tồn tại của một tốc độ đặc biệt như thế, một giới hạn tốc độ vũ trụ, là một quan niệm lạ. Như chúng ta sẽ khám phá ở phần sau quyển sách này, việc liên kết tốc độ đặc biệt này với tốc độ ánh sáng hóa ra là cái gì đó lạc đề. Nó có một vai trò sâu sắc hơn nhiều trong vũ trụ quan Einstein, và có lí do hợp lí vì sao ánh sáng lại truyền đi ở tốc độ như nó vốn có. Chúng ta để gác vấn đề đó lại cho phần sau. Lúc này, đủ để nói rằng khi các vật tiến tới tốc độ đặc biệt đó, thì có những chuyện kì lạ xảy ra. Làm thế nào một vật bất kì bị ngăn không thể gia tốc vượt quá tốc độ đó? Như thể là có một quy luật vật lí vạn vật ngăn chiếc xe của bạn chạy quá 70 dặm một giờ, cho dù động cơ nổ có lớn bao nhiêu. Tuy nhiên, không giống như luật hạn chế tốc độ, quy luật này chẳng phải là cái ép người ta phải tuân theo bởi lực lượng cảnh sát giao thông. Kết cấu của không gian và thời gian được xây dựng sao cho người ta hoàn toàn không thể phá vỡ quy luật đó, và điều này hóa ra là cái cực kì tốt đẹp, bởi nếu không thì sẽ có những hệ quả không mong muốn. Sau này, chúng ta sẽ thấy rằng nếu có thể vượt quá tốc độ ánh sáng, thì chúng ta có thể xây dựng các cỗ máy thời gian có khả năng vận chuyển chúng ta đi ngược lịch sử về bất kì thời điểm nào trong quá khứ. Chúng ta có thể tưởng tượng ra chuyến đi ngược thời gian đến trước khi chúng ta chào đời và, bởi sự tình cờ hay có dự trù trước, ngăn cản cha mẹ của chúng ta gặp gỡ nhau. Đây là chất liệu tuyệt vời cho truyện khoa học viễn tưởng, nhưng nó chẳng phải cách để xây dựng vũ trụ, và thật vậy Einstein tìm thấy rằng vũ trụ đã không được xây dựng như thế. Không gian và thời gian tinh quyện với nhau theo một kiểu không cho phép những nghịch lí như thế xảy ra. Tuy nhiên, có một cái giá phải trả: chúng ta phải vứt bỏ những quan niệm thâm căn cố đế của chúng ta về không gian và thời gian. Vũ trụ quan Einstein là một vũ trụ trong đó các đồng hồ đang chuyển động chạy chậm lại, các vật đang chuyển động co lại, và chúng ta có thể du hành hàng tỉ năm vào tương lai. Nó là một vũ trụ trong đó một kiếp người có thể kéo dài đến hầu như vô tận. Chúng ta có thể chứng kiến Mặt trời tàn lụi, các đại dương của Trái đất sôi đến cạn, và hệ mặt trời của chúng ta chìm vào bóng đêm vĩnh viễn. Chúng ta có thể quan sát các ngôi sao ra đời từ những đám mây bụi xoáy tít, sự hình thành các hành tinh và có lẽ cả nguồn gốc của sự sống ban sơ ở những thế giới chưa hình thành. Vũ trụ của Einstein cho phép chúng ta du hành vào tương lai xa, trong khi vẫn giữ các cánh cửa mở về quá khứ khóa im ỉm phía sau chúng ta.
Ở cuối quyển sách này, chúng ta sẽ thấy làm thế nào Einstein buộc phải đi tới một bức tranh kì quái như thế của vũ trụ của chúng ta, và làm thế nào bức tranh này được chứng minh là đúng trong nhiều thí nghiệm khoa học và các ứng dụng công nghệ. Hệ thống định vị vệ tinh trong xe hơi của bạn, chẳng hạn, được thiết kế dựa trên thực tế là thời gian gõ tích tắc trên các vệ tinh đang bay vòng quanh Trái đất ở một tốc độ khác với ở trên mặt đất. Bức tranh của Einstein có tính đổi mới triệt để: Không gian và thời gian không phải là cái như chúng vốn trông như thế.
Vì sao E = mc2?
(và vì sao chúng ta lại quan tâm?)
BRIAN COX & JEFF FORSHAW
