Những con số làm nên vũ trụ - Phần 11

Thí nghiệm Michelson – Morley

Theo lí thuyết chiếm ưu thế thuộc thời đại Michelson, Vũ trụ tràn ngập một chất liệu không nhìn thấy, không trọng lượng với tên gọi mĩ miều là “ê te truyền sáng”; những nhiễu loạn của chất liệu này mang lại sóng ánh sáng. Sóng ánh sáng là có thật – chúng đã chứng minh một cách thuyết phục bởi nhà khoa học người Anh Thomas Young trong thí nghiệm hai khe nổi tiếng của ông⁹. Nói ngắn gọn thì người ta tin rằng vai trò của ê te đối với ánh sáng giống như không khí đối với âm thanh – bạn phải có cái trước để cho cái sau truyền đi. Giả thuyết này đưa đến một tiên đoán quan trọng: Nếu tồn tại ê te truyền sáng, thì chuyển động của Trái đất trong quỹ đạo của nó xung quanh Mặt trời sẽ mang lại vận tốc khác nhau đối với những chùm ánh sáng truyền theo những hướng khác nhau, giống hệt như người bơi lội có thể bơi nhanh nhất nếu anh ta bơi xuôi dòng nước (ví dụ này từng được Michelson sử dụng để giải thích quan điểm của ông với trẻ em). Chính vì để đo sự chênh lệch vận tốc này mà Michelson và Edward Morley, một vị giáo sư khi đó đang làm việc tại trường Đại học Case Western Reserve ở Cleveland, đã xây dựng một thí nghiệm đẹp sắc sảo và đơn giản về mặt khái niệm.

Thí nghiệm Michelson-Morley gồm việc tách một chùm ánh sáng theo hai hướng vuông góc nhau đi đến hai cái gương khác nhau đặt cách điểm phân kì của chùm sáng những khoảng cách bằng nhau. Sóng ánh sáng sẽ đi trở lại – và, giả sử ê te là có thật, ở những vận tốc khác nhau – và các sóng sẽ giao thoa với nhau. Dụng cụ của Michelson, gọi là giao thoa kế, có thể dùng để xác định sự chênh lệch tốc độ giữa hai sóng phản hồi, cho phép họ tính ra tốc độ mà Trái đất đang chuyển động trong không gian. Giao thoa kế ấy nhạy đến mức một người giậm chân ở xa 100 foot cũng sẽ được ghi nhận. Giao thoa kế và bộ tách chùm tia được đặt trên một phiến đá cẩm thạch nổi trên một cái hồ thủy ngân – người ta có thể hình dung những người da đỏ đi nhón chân trong một hang động tối tăm để giành lấy một di vật vô giá. Sự sắp xếp như thế này giúp che chắn thiết bị khỏi sự nhiễu loạn và mang thêm lợi thế là phiến đá có thể quay trên hồ thủy ngân để mang lại kết quả ở nhiều sự định hướng khác nhau. Theo Eddington, dụng cụ trên có thể đo sự chênh lệch một chục phần nghìn tỉ của một giây trong thời gian phản hồi của những chùm sáng – một khoảng thời gian trong đó ánh sáng truyền đi hơi dài hơn một phần nghìn của một inch một chút.

Kết quả họ thu được làm cộng đồng vật lí sửng sốt – cho dù họ lặp lại thí nghiệm bao nhiêu lần, các sóng ánh sáng luôn phản hồi cùng lúc. Kết luận khó mà chấp nhận được – tốc độ ánh sáng là như nhau theo mọi hướng. Nó na ná như là tốc độ của một người bơi lội là như nhau cho dù anh ta bơi xuôi dòng hay ngược dòng.

Có một số kết luận có khả năng khác. Kết luận thường được trích dẫn nhất là người ta không phát hiện ra sự chênh lệch tốc độ ánh sáng cho dù các chùm sáng được canh chỉnh như thế nào cho thấy ê te truyền sáng có thể không tồn tại; nếu như nó tồn tại, thì phải có một sự canh chỉnh chùm tia sáng mang lại một sự biến thiên có thể phát hiện ra được của tốc độ của những chùm tia phản hồi. Tuy nhiên, nhà vật lí người Ireland George FitzGerald đã đi tới một sự giải thích bất ngờ của “kết quả vô hiệu” của thí nghiệm Michelson-Morley. Ông nêu ra một giả thuyết có vẻ kì cục là khi một vật chuyển động trong không gian, chiều dài của nó co lại theo hướng nó chuyển động vừa đủ để đảm bảo rằng đường đi của cả hai chùm tia sáng phản hồi ở thời khắc giống nhau. Hiện tượng này, sự co FitzGerald, được mô tả hóm hỉnh trong bài thơ hài hước sau đây.

Xưa có chàng kiếm sĩ tên Fisk,
Gươm của chàng vút nhanh như gió rít,
Chàng tung đòn xoáy tít,
Nhưng sự co FitzGerald,
Khiến gươm chàng thu còn bằng cuống mít.

Nhà vật lí người Hà Lan Hendrik Lorentz đã có thể định lượng hiện tượng này bằng đại số trong những phương trình gọi là phép biến đổi Lorentz. Trong lí thuyết tương đối đặc biệt của ông, Albert Einstein có thể suy luận ra các phép biến đổi Lorentz dưới hai giả thuyết rằng tốc độ ánh sáng là như nhau đối với mọi hệ quy chiếu chuyển động ở tốc độ không đổi (một kết luận khả dĩ khác của thí nghiệm Michelson-Morley) và giả thuyết tương đối rằng các định luật vật lí là như nhau trong mọi hệ quy chiếu như thế.

Mặc dù nghiên cứu của Michelson tập trung về ánh sáng, nhưng có những mảng tối trong đời tư của ông mang lại một điểm nhấn quan trọng. Michelson sống trong một thời đại trong đó các vị giáo sư, đặc biệt là những người nổi tiếng, có thanh danh không được như ý – một hiện tượng tiếp tục diễn ra cho đến đầu thế kỉ thứ 20. Michelson thuê một cô nữ giúp việc có sức thu hút nhưng suy nghĩ tương đối đơn giản muốn moi tiền của ông bằng cách quyến rũ ông, đe dọa và tống tiền. Scandal nổ ra nhưng Michelson được miễn tội. Tuy nhiên, tình hình trở nên tồi tệ sau đó. Michelson, giống như nhiều thiên tài khác trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học, là một kẻ tham công tiếc việc, dẫn tới suy sụp tinh thần và cuối cùng thì hôn nhân đổ vỡ. Mặc dù sau này ông có tái hôn, nhưng sự li dị đó đã ám ảnh ông, và ông không hề nói về người vợ thứ nhất và con cái sau lần kinh nghiệm đó. Sinh viên của ông ngưỡng mộ trí tuệ xuất chúng của ông nhưng e ngại sự ngoan cố của ông, một cảm giác mà những đồng nghiệp của ông cũng thấy như vậy. Ông thích vẽ tranh và soạn nhạc, nhưng không hoạt động nào trong số này làm xoa dịu đi cái diện mạo khắc nghiệt mà ông phô bày trước thế giới. Người trợ lí nghiên cứu của ông trong nhiều năm mô tả gọn về ông như sau, “Ngay cả những thứ cám dỗ đời thường như yêu, ghét, đố kị, ganh đua và tham vọng cũng chẳng mấy tác động đến ông. Ông có một sự lãnh đạm lạ lùng trước mọi người nói chung…”¹⁰ Tuy nhiên, ông hết sức nhiệt tình trong việc theo đuổi tự nhiên và bản chất của ánh sáng. Người con gái của ông kể lại rằng khi có ai đó hỏi ông tại sao ông lại bỏ cả đời mình để nghiên cứu ánh sáng, mặt của ông rạng lên, ông đáp “Vì nó thú vị như thế mà.”¹¹