Vì sao E = mc2? - Phần 10 | Thư Viện Vật Lý

Độc giả tinh ý có lẽ đã nhận ra một điều khó hiểu ở đây, hay ít nhất là có phần cẩu thả trong phần trình bày của chúng tôi. Ở Chương 1 ta đã nói rằng rõ ràng chẳng có nghĩa lí gì nếu trích dẫn một tốc độ mà không nêu rõ tốc độ đó được xác định tương đối với cái gì, và các phương trình Maxwell thì không hề đề cập tới chuyện này. Tốc độ của các sóng Maxwell – tức là tốc độ của ánh sáng – xuất hiện là một hằng số của tự nhiên, là liên hệ giữa độ lớn tương đối của điện trường và từ trường. Chẳng có chỗ nào trong cấu trúc toán học tao nhã này có chỗ cho tốc độ của nguồn sóng, hay thật ra là máy thu. Tất nhiên, Maxwell và những người đương thời của ông biết rõ điều này, nhưng nó chẳng khiến họ lo lắng gì lắm. Điều này là bởi vì đa số, nếu không nói là tất cả, các nhà khoa học thời ấy đều tin rằng mọi sóng, bao gồm cả ánh sáng, phải lan truyền trong một loại môi trường nào đó; phải có một loại “vật liệu có thật” nào đó đảm đương việc truyền sóng. Chúng là cư dân thực tế trong vương quốc Faraday, và với chúng những thứ không vẫy tay thì không được hậu thuẫn. Sóng nước chỉ có thể tồn tại khi có nước, và sóng âm chỉ có thể truyền đi khi có mặt không khí hoặc một chất liệu nào đó khác, nhưng chắc chắn không lan truyền trong chân không. “Trong không gian, chẳng ai có thể nghe tiếng thét của bạn.”

Vì thế, quan niệm chiếm ưu thế vào cuối thế kỉ mười chín là ánh sáng phải lan truyền trong một môi trường nào đó, và môi trường này được gọi là ether. Tốc độ xuất hiện trong các phương trình Maxwell khi đó có một cách hiểu rất tự nhiên là tốc độ của ánh sáng so với ether. Điều này hoàn toàn tương tự với sự truyền sóng âm trong không khí. Nếu không khí ở một nhiệt độ và áp suất cố định, thì sóng âm sẽ luôn truyền đi ở một tốc độ không đổi, nó chỉ phụ thuộc vào chi tiết của các tương tác giữa các phân tử không khí, và chẳng có liên quan gì với chuyển động của nguồn sóng.

Dẫu vậy, ether phải là một loại vật chất đặc biệt nào đó. Nó phải tràn ngập toàn bộ không gian, vì ánh sáng truyền xuyên qua những khoảng không giữa Mặt trời và Trái đất cùng các ngôi sao và thiên hà ở xa. Khi bạn đi xuống đường, bạn phải băng qua ether, và Trái đất phải chuyển động xuyên qua ether trong hành trình hàng năm của nó xung quanh Mặt trời. Mọi thứ biến dịch trong vũ trụ đều phải biến đổi trong ether, và ether phải ít nhiều hoặc không cản trở chuyển động của các vật rắn, bao gồm những vật to lớn như các hành tinh. Nếu ether thật sự cản trở chuyển động của các vật rắn, thì Trái đất phải chuyển động chậm dần sau mỗi vòng quỹ đạo trong 5 tỉ năm quay xung quanh Mặt trời của nó, giống hệt như một quả cầu chuyển động chậm dần khi thả vào một chai mật đường, và độ dài năm Trái đất của chúng ta sẽ dần dần biến đổi. Giả thuyết duy nhất hợp lí phải là Trái đất và vạn vật chuyển động tự do trong ether. Bạn có thể nghĩ như vậy sẽ khiến việc khám phá ra nó là chuyện không thể, nhưng các nhà thực nghiệm thời Victoria rất tài tình, và trong một loạt thí nghiệm chính xác cao đến tuyệt vời bắt đầu vào năm 1881, Albert Michelson và Edward Morley đã tiến hành tìm kiếm cái tưởng chừng không thể phát hiện đó. Các thí nghiệm đó có ý tưởng đơn giản đến tuyệt vời. Trong quyển giáo trình đặc sắc của Bertrand Russell về thuyết thương đối viết vào năm 1925, ông đã ví chuyển động của Trái đất trong ether với một người đi bộ vòng tròn vào một ngày lộng gió; ở một điểm nào đó bạn sẽ đi ngược chiều gió, còn ở điểm khác thì bạn đi cùng chiều. Theo một kiểu giống như vậy, vì Trái đất chuyển động trong ether khi nó quay xung quanh Mặt trời, và Trái đất và Mặt trời đều nằm trong ether trong hành trình của chúng xung quanh Ngân hà, cho nên ở một điểm nào đó trong năm Trái đất đang chuyển động ngược gió ether, và ở những điểm khác thì chuyển động cùng chiều với nó. Và cho dù xét sự kiện không có khả năng là toàn bộ Hệ Mặt trời đứng yên trong ether, thì chuyển động của Trái đất vẫn sẽ tạo ra gió ether khi nó quay xung quanh Mặt trời, giống hệt như bạn cảm thấy gió thổi vào mặt mình khi bạn thò đầu ra ngoài xe đang chạy vào một ngày hết sức đẹp trời.

Michelson và Morley tự đặt mình vào thử thách đo tốc độ ánh sáng ở những thời điểm khác nhau của năm. Họ và mọi người khác đều đinh ninh rằng tốc độ đó sẽ thay đổi theo tiến trình của năm, dù là một lượng nhỏ thôi, bởi vì Trái đất (và cùng với nó là thí nghiệm của họ) sẽ liên tục thay đổi tốc độ của nó so với ether. Sử dụng một kĩ thuật gọi là giao thoa đạc, các thí nghiệm đó hết sức nhạy, và Michelson và Morley đã tinh chỉnh kĩ thuật trong sáu năm trời trước khi công bố các kết quả của họ vào năm 1887. Kết quả là rõ ràng vô hiệu. Không có sự chênh lệch tốc độ ánh sáng theo bất kì hướng nào và tại bất kì thời điểm nào của năm được quan sát thấy.

Nếu giả thuyết ether là đúng, thì kết quả này rất khó giải thích. Chẳng hạn, hãy tưởng tượng bạn sẽ lặn xuống một dòng sông đang chảy xiết và bơi xuôi dòng. Nếu bạn bơi 5 km/h trong nước, và dòng sông đang chảy 3 km/h, thì bạn sẽ bơi so với bờ sông ở tốc độ 8 km/h. Nếu bạn quay đầu lại và bơi ngược dòng, thì bạn sẽ bơi tương đối so với bờ sông ở tốc độ 2 km/h. Thí nghiệm của Michelson và Morley hoàn toàn tương tự: Bạn, người bơi, là chùm ánh sáng và dòng sông là ether cho ánh sáng truyền đi, còn bờ sông là thiết bị thí nghiệm của Michelson và Morley đặt nằm yên trên mặt đất. Bây giờ bạn có thể thấy tại sao kết quả Michelson-Morley lại bất ngờ như thế. Cứ như thể bạn luôn chuyển động 5 km/h so với bờ sông, bất chấp tốc độ dòng chảy và hướng mà bạn chọn bơi.

Như vậy, Michelson và Morley đã không phát hiện ra sự có mặt của ether chảy qua thiết bị của họ. Đây là thách thức kế tiếp cho trực giác của chúng ta: Với những gì chúng ta đã thấy cho đến đây, việc chắc chắn phải làm là từ bỏ khái niệm ether bởi vì các tác dụng của nó không thể nào quan sát được, giống hệt như ta đã từ bỏ khái niệm không gian tuyệt đối ở Chương 1. Ngoài ra, từ góc nhìn triết lí thì ether luôn luôn là một khái niệm khá kì cục vì nó sẽ vạch ra một mốc chuẩn trong vũ trụ để theo đó chuyển động tuyệt đối có thể được định nghĩa mâu thuẫn với nguyên lí tương đối Galileo. Về mặt lịch sử, hình như đây từng là quan điểm cá nhân của Einstein, vì có vẻ ông chỉ mới ngờ ngợ nhận ra các kết quả thực nghiệm của Michelson và Morley lúc ông tiến một bước chắc nịch là từ bỏ ether trong khi thiết lập thuyết tương đối hẹp của ông vào năm 1905. Tuy nhiên, cái chắc chắn là tính đúng đắn triết lí không phải là một chỉ dẫn đáng tin cậy cho sự vận hành của tự nhiên và, trong phân tích cuối cùng, lí do có giá trị nhất để bác bỏ ether là các kết quả thực nghiệm không cần đến nó.*

* Đã có nhiều nỗ lực, kể từ thời Michelson và Morley, nhằm phát hiện ra ether và tất cả đều mang lại kết quả vô hiệu.