Thiết kế vĩ đại - Stephen Hawking & Leonard Mlodinow (Phần 10)

Chương 5

LÍ THUYẾT CỦA TẤT CẢ

Cái khó hiểu nhất về vũ trụ là nó có thể hiểu được.

- Albert Einstein

Vũ trụ là có thể hiểu được vì nó bị chi phối bởi những định luật khoa học; đó là, nói thí dụ, hành trạng của nó có thể lập mô hình. Nhưng những định luật hay những mô hình này là gì? Lực đầu tiên được mô tả theo ngôn ngữ toán học là lực hấp dẫn. Định luật vạn vật hấp dẫn của Newton, công bố vào năm 1687, phát biểu rằng mỗi vật trong vũ trụ hút lấy mỗi vật khác với một lực tỉ lệ với khối lượng của nó. Nó tạo ra một dấu ấn lớn đối với sự sống thông minh thuộc kỉ nguyên của nó vì nó lần đầu tiên cho thấy rằng ít nhất một phương diện của vũ trụ là có thể lập mô hình chính xác, và nó xác lập cơ sở toán học để làm như thế. Quan điểm là có những định luật tự nhiên mang lại những vấn đề tương tự như những vấn đề mà vì chúng Galileo bị kết án dị giáo hồi 50 năm trước đó. Chẳng hạn, Kinh thánh kể lại câu chuyện Joshua cầu nguyện cho mặt trời và mặt trăng dừng lại trên quỹ đạo của chúng để ông có thêm ánh sáng ban ngày hoàn thành trận đấu với người Amorite ở Canaan. Theo sách vở của Joshua, mặt trời đứng lại trong thời gian khoảng một ngày. Ngày nay, chúng ta biết rằng điều đó sẽ có nghĩa là trái đất ngừng quay. Nếu như trái đất dừng lại, thì theo các định luật Newton, những thứ không gắn liền với mặt đất bên dưới sẽ vẫn chuyển động ở tốc độ ban đầu của trái đất (1100 dặm mỗi giờ tại xích đạo) – một cái giá cao phải trả cho mặt trời lặn muộn. Không có nội dung nào trong số này khiến bản thân Newton lo lắng, vì như chúng ta đã nói, Newton tin rằng Chúa có thể và thật sự đã can thiệp vào sự hoạt động của vũ trụ.

Những phương diện tiếp theo của vũ trụ mà một định luật hay mô hình đã khám phá ra là lực điện và lực từ. Những lực này hành xử giống như lực hấp dẫn, với sự khác biệt quan trọng là hai điện tích cùng dấu hoặc hai nam châm cùng loại thì đẩy lẫn nhau, còn những điện tích trái dấu hoặc nam châm khác loại thì hút nhau. Lực điện và lực từ mạnh hơn lực hấp dẫn nhiều lần, nhưng chúng ta thường không để ý đến chúng trong cuộc sống hàng ngày vì một vật thể vĩ mô chứa số lượng điện tích dương và điện tích âm gần như bằng nhau. Điều này có nghĩa là lực điện và lực từ giữa hai vật vĩ mô gần như triệt tiêu lẫn nhau, không giống như lực hấp dẫn, chúng luôn cộng dồn lại.

Quan niệm hiện nay của chúng ta về điện và từ đã được phát triển trong thời gian khoảng một trăm năm từ giữa thế kỉ 18 đến giữa thế kỉ 19, khi các nhà vật lí ở một số nước đã tiến hành các nghiên cứu thực nghiệm chi tiết về lực điện và lực từ. Một trong những khám phá quan trọng nhất là lực điện và lực từ có liên quan với nhau: Một điện tích đang chuyển động tác dụng một lực lên nam châm, và một nam châm đang chuyển động tác dụng lực lên điện tích. Người đầu tiên nhận ra có một số liên hệ đó là nhà vật lí người Đan Mạch Hans Christian Ørsted. Trong khi chuẩn bị cho một ánh sáng phân cực.

Faraday không được học hành gì nhiều. Ông sinh ra trong một gia đình thợ rèn nghèo khó ở gần London và phải nghỉ học lúc 13 tuổi đi làm cậu bé chạy vặt và thợ đóng sách tại một cửa hàng sách. Theo năm tháng, tại cửa hàng đó ông đã học khoa học bằng cách đọc những quyển sách mà ông gia công, và bằng cách tiến hành những thí nghiệm đơn giản và rẻ tiền trong thời gian rãnh rỗi. Cuối cùng, ông được nhận làm trợ lí trong một phòng thí nghiệm của nhà hóa học vĩ đại, Humphry Davy. Faraday làm việc ở đó trong 40 năm cuộc đời và, sau khi Davy qua đời, nối nghiệp Davy. Faraday gặp khó với toán học và chưa bao giờ học nhiều về toán, nên ông phải vật vã hình thành bức tranh lí thuyết của hiện tượng điện từ kì lạ mà ông quan sát thấy trong phòng thí nghiệm của mình. Tuy nhiên, ông đã làm được.

Một trong những đổi mới tư duy vĩ đại nhất của Faraday là quan niệm các trường lực. Ngày nay, nhờ sách vở và phim ảnh về những người ngoài hành tinh mắt lồi cùng phi thuyền vũ trụ của họ, đa số mọi người đã quen thuộc với thuật ngữ trên, nên có lẽ ông sẽ được tán dương đúng mức. Nhưng vào những thế kỉ lưng chừng giữa Newton và Faraday, một trong những bí ẩn lớn của vật lí học là những định luật của nó dường như cho thấy các lực tác dụng xuyên qua không gian trống rỗng phân cách những vật đang tương tác. Faraday không thích điều đó. Ông tin rằng để di chuyển một vật, phải có cái gì đó đi tới tiếp xúc với nó. Và vì thế ông tưởng tượng không gian giữa các điện tích và nam châm đang chứa đầy những cái ống vô hình làm công việc hút và đẩy. Faraday gọi những cái ống đó là trường lực. Một cách dễ hình dung trường lực là tiến hành một thí nghiệm trình diễn trong lớp học trong đó một tấm thủy tinh được đặt trên một thanh nam châm và rải mạt sắt lên trên tấm thủy tinh. Với vài cái gõ nhẹ để thắng lực ma sát, mạt sắt di chuyển như thế bị thúc bởi một sức mạnh không nhìn thấy và tự sắp xếp lại thành những cung đi từ cực này của nam châm đến cực kia. Hình ảnh đó là một bản đồ của lực từ không nhìn thấy tràn ngập khắp không gian. Ngày nay, chúng ta tin rằng tất cả được được truyền bởi trường lực, cho nên nó là một khái niệm quan trọng trong vật lí hiện đại – cũng như trong truyện khoa học viễn tưởng.

Trường lực

Trường lực. Trường lực của một thanh nam châm, như minh họa bởi tác dụng của mạt sắt.

Trong hàng thập kỉ, kiến thức điện từ học của chúng ta vẫn giậm chân tại chỗ, thực chất không gì hơn ngoài kiến thức về một vài định luật theo lối kinh nghiệm: gợi ý rằng lực điện và lực từ có liên quan gần gũi, nếu không nói là bí ẩn; quan niệm rằng chúng có một liên hệ gì đó với ánh sáng; và những quan điểm sơ khai về khái niệm trường. Ít nhất có đến 11 lí thuyết điện từ học tồn tại, mỗi một trong số chúng đều có kẽ hở. Sau đó, trong thời gian tính theo đơn vị năm trong thập niên 1860, nhà vật lí người Scotland James Clerk Maxwell đã phát triển suy nghĩ của Faraday thành một khuôn khổ toán học giải thích mối liên hệ mật thiết và bí ẩn giữa điện, từ và ánh sáng. Kết quả là một hệ phương trình mô tả lực điện và lực từ dưới dạng những bộ mặt khác nhau của cùng một thực thể vật lí, đó là trường điện từ. Maxwell còn thống nhất lực điện và lực từ thành một lực. Ngoài ra, ông còn chứng minh rằng trường điện từ có thể truyền đi trong không gian dưới dạng sóng. Tốc độ của sóng đó bị chi phối bởi một con số xuất hiện trong những phương trình của ông, cái ông đã tính ra từ số liệu thực nghiệm đã đo trước đó vài năm. Trước sự ngạc nhiên của ông, tốc độ mà ông tính được bằng với tốc độ của ánh sáng, giá trị khi đó đã được biết trên thực nghiệm với sai số 1%. Ông đã phát hiện ra bản thân ánh sáng là một sóng điện từ!

Ngày nay, các phương trình mô tả điện trường và từ trường được gọi là hệ phương trình Maxwell. Một số người đã nghe nói về chúng, nhưng có lẽ chúng là những phương trình thương mại quan trọng nhất mà chúng ta biết. Chúng không những chi phối sự hoạt động của mọi thứ từ đồ điện gia dụng đến máy vi tính, mà chúng còn mô tả những sóng khác ngoài ánh sáng ra, thí dụ như vi sóng, sóng vô tuyến, ánh sáng hồng ngoại, và tia X. Toàn bộ những sóng này chỉ khác với ánh sáng nhìn thấy ở một phương diện – đó là bước sóng của chúng. Sóng vô tuyến có bước sóng một mét trở lên, còn ánh sáng nhìn thấy có bước sóng vài phần chục triệu của một mét, và tia X thì có bước sóng ngắn hơn một phần trăm triệu của một mét. Mặt trời của chúng ta phát ra mọi bước sóng, nhưng bức xạ của nó có cường độ mạnh nhất ở những bước sóng mà chúng ta có thể nhìn thấy. Có lẽ không có gì bất ngờ khi mà những bước sóng mà chúng ta có thể nhìn thấy bằng mắt trần là những bước sóng mà mặt trời phát ra mạnh nhất: Có lẽ mắt của chúng ta đã tiến hóa với khả năng phát hiện ra bức xạ điện từ trong ngưỡng đó một cách chính xác vì đó là vùng bức xạ có dồi dào nhất trước chúng. Nếu chúng ta bắt gặp sinh vật sống trên những hành tinh khác, thì có lẽ chúng sẽ có khả năng “nhìn” bức xạ ở bước sóng mà mặt trời của chúng phát ra mạnh nhất, biến đổi theo những đặc trưng chắn sáng của bụi và chất khí có mặt trong khí quyển của chúng. Vì thế, những người ngoài hành tinh đã tiến hóa trong sự có mặt của tia X có thể có sự khởi nghiệp tốt trong lĩnh vực an ninh hàng không.

Bước sóng

Bước sóng. Vi sóng, sóng vô tuyến, ánh sáng hồng ngoại, tia X – và những màu sắc khác nhau của ánh sáng – chỉ khác nhau ở bước sóng của chúng.

Hệ phương trình Maxwell đòi hỏi sóng điện từ truyền đi ở tốc độ khoảng 300.000 km/s, hay khoảng 670 triệu dặm/giờ. Nhưng nếu bạn nêu ra một giá trị tốc độ thôi thì sẽ là vô nghĩa trừ khi bạn nêu rõ hệ quy chiếu tương đối mà tốc độ đó được đo. Đó không phải là cái bạn thường nghĩ tới trong cuộc sống hàng ngày. Khi biển báo tốc độ giới hạn ghi 60 dặm/giờ, thì người ta hiểu rằng tốc độ của bạn là đo tương đối so với mặt đường, chứ không phải so với lỗ đen tại tâm của Dải Ngân hà. Nhưng ngay cả trong cuộc sống hàng ngày, thỉnh thoảng vẫn có những trường hợp trong đó bạn phải nêu rõ hệ quy chiếu. Thí dụ, nếu bạn mang một tách cà phê lên gian bên của một máy bay phản lực đang bay, thì bạn có thể nói tốc độ của bạn là 2 dặm/giờ. Tuy nhiên, một ai đó ở trên mặt đất có thể nói bạn đang chuyển động ở tốc độ 572 dặm/giờ. Để bạn đừng nghĩ rằng người đó hoặc một người quan sát nào khác có sự khẳng định đúng hơn với thực tại, hãy nhớ trong đầu rằng vì trái đất quay xung quanh mặt trời, nên một người đang nhìn bạn từ bề mặt của thiên thể đó sẽ không tán thành với cả hai và sẽ nói bạn đang chuyển động ở tốc độ chừng 18 dặm/giờ, đó là chưa nói tới sự thèm muốn được hóng mát như bạn. Trong ánh sáng của những bất đồng như thế, khi Maxwell khẳng định phát hiện ra “tốc độ ánh sáng” hiện ra từ những phương trình của ông, câu hỏi tự nhiên xuất hiện là tốc độ của ánh sáng trong hệ phương trình Maxwell đo tương đối so với cái gì?

Có một lí do nữa để tin rằng thông số tốc độ trong hệ phương trình Maxwell là tốc độ đo tương đối so với trái đất. Nói chung, hệ phương trình của ông áp dụng được cho toàn bộ vũ trụ. Một câu trả lời khác từng được xét đến là hệ phương trình của ông xác định tốc độ ánh sáng tương đối so với một môi trường tràn ngập vũ trụ, trước đây chưa phát hiện ra, gọi là ê te truyền sáng, hay gọi cho đơn giản là ê te, đó là tên gọi Aristotle đặt cho chất liệu mà ông tin rằng choán đầy vũ trụ bên ngoài thiên thể. Ê te giả thuyết này sẽ là môi trường qua đó sóng điện từ truyền đi, giống như âm thanh truyền trong không khí. Nếu ê te tồn tại, thì sẽ có một chuẩn đứng yên tuyệt đối (nghĩa là đứng yên so với ê te) và vì thế sẽ có một phương pháp tuyệt đối định nghĩa sự chuyển động. Ê te sẽ cung cấp một hệ quy chiếu ưu tiên trong toàn cõi vũ trụ, dựa trên đó người ta đo tốc độ của mọi vật. Cho nên việc ê te được cho là tồn tại trên khuôn khổ lí thuyết khiến một số nhà khoa học đi tìm cách nghiên cứu nó, hay ít nhất là xác nhận sự tồn tại của nó. Một trong những nhà khoa học đó là bản thân Maxwell.

Nếu bạn chạy trong không khí về phía một sóng âm, thì sóng đó đi tới bạn nhanh hơn, còn nếu bạn chạy ra xa thì nó đi tới bạn chậm hơn. Tương tự như vậy, nếu như có ê te, thì tốc độ của ánh sáng sẽ thay đổi phụ thuộc vào chuyển động tương đối của bạn so với ê te. Thật vậy, nếu ánh sáng hoạt động theo kiểu giống như sóng âm, giống hệt như người ta ở trên máy bay siêu thanh sẽ không bao giờ nghe thấy bất kì âm thanh nào phát ra từ phía sau của máy bay, cho nên một người chạy đủ nhanh trong ê te sẽ có thể bỏ sóng ánh sáng lại đằng sau. Từ những xét đoán như vậy, Maxwell đã đề xuất một thí nghiệm. Nếu như có ê te, thì trái đất phải chuyển động trong nó khi quay xung quanh mặt trời. Và vì trái đất đang chuyển động trong tháng 1 ở hướng khác với hướng chuyển động trong tháng 4 hoặc tháng 7 chẳng hạn, nên người ta có thể quan sát một sự khác biệt nhỏ về tốc độ ánh sáng ở những thời điểm khác nhau của năm – xem hình bên dưới.

Chuyển động trong ê te

Chuyển động trong ê te. Nếu chúng ta đang chuyển động trong ê te, thì chúng ta phải có thể phát hiện ra chuyển động đó bằng cách quan sát sự biến thiên tốc độ ánh sáng theo mùa.

Maxwell đã tranh cãi tới cùng việc công bố ý tưởng của ông trên tập san Biên niên của Hội Hoàng gia với biên tập viên của tạp chí, người không nghĩ rằng thí nghiệm trên sẽ hoạt động. Nhưng vào năm 1879, không bao lâu trước khi qua đời vì chứng bệnh ung thư dạ dày đầy đau đớn, Maxwell có gửi một lá thư nêu vấn đề trên với một người bạn. Lá thư được công bố muộn trên tạp chí Nature, và nó đã được đọc bởi nhiều nhà vật lí, trong đó có một người Mĩ tên là Albert Michelson. Được truyền cảm hứng bởi lập luận của Maxwell, vào năm 1887. Michelson và Edward Morley đã tiến hành một thí nghiệm rất nhạy được thiết kế để đo tốc độ trái đất chuyển động trong ê te. Ý tưởng của họ là so sánh tốc độ của ánh sáng ở hai hướng khác nhau, vuông góc với nhau. Nếu tốc độ ánh sáng là một con số cố định so với ê te, thì phép đo sẽ cho thấy các tốc độ ánh sáng khác nhau phụ thuộc vào hướng của chùm tia. Nhưng Michelson và Morley quan sát không thấy sự khác biệt nào hết.

Kết quả của thí nghiệm Michelson và Morley rõ ràng mâu thuẫn với mô hình sóng điện từ truyền đi trong ê te, và khiến mô hình ê te bị nghi ngờ. Nhưng mục đích của Michelson là đo tốc độ của trái đất so với ê te, chứ không chứng minh hoặc bác bỏ giả thuyết ê te, và cái ông tìm thấy không đưa ông đến kết luận rằng ê te không tồn tại. Cũng chẳng có ai khác đưa ra kết luận đó. Thật vậy, nhà vật lí nổi tiếng William Thomson (huân tước Kelvin) phát biểu vào năm 1884 rằng ê te là “chất liệu duy nhất chúng ta tin tưởng về mặt động lực học. Một cái chúng ta chắc chắn, đó là thực tại và tính thực chất của ê te truyền sáng”.

Thiết kế vĩ đại
Stephen Hawking & Leonard Mlodinow
Trần Nghiêm dịch

Phần tiếp theo >>