Lỗ đen, lỗ sâu đục và cỗ máy thời gian (Phần 46)

Tính hai mặt của ánh sáng

Tôi đã trình bày những tính chất kì lạ của ánh sáng lúc bắt đầu Chương 4 để giới thiệu về các lỗ đen. Lúc này tôi cần trở lại với đề tài ánh sáng, không phải chỉ vì nó “hữu ích” mà vì nó là cơ sở của toàn bộ thuyết tương đối đặc biệt.

Vào cuối thế kỉ thứ 19, Thomas Young (người Anh đã chứng minh Newton sai khi nói ánh sáng là gồm những dòng hạt) và James Clerk Maxwell (người Scotland đã khám phá ra ánh sáng là sóng điện từ) đã vượt qua mọi nghi ngờ chứng minh rằng ánh sáng hành xử kiểu sóng. Ngày nay, có vô số thí nghiệm bộc lộ rõ ràng và đẹp đẽ bản chất sóng của ánh sáng. Đúng là cơ học lượng tử đã chứng minh rằng ánh sáng, trong những trường hợp nhất định, cũng có thể hành xử giống như một dòng hạt, trong phần sau đây, chúng ta cần đến bản chất sóng của nó.

Một tính chất quan trọng của sóng là chúng cần một cái gì đó để truyền; một môi trường qua đó các dao động có thể truyền đi. Khi bạn nói chuyện với ai đó đang đứng gần bạn, thì sóng âm đi từ miệng của bạn đến tai của anh ta cần không khí ở giữa để truyền. Tương tự như vậy, sóng nước trên mặt biển cần có nước, và “chỗ lồi” truyền dọc theo chiều dài sợi dây khi nó bị khều nhẹ ở một đầu thì cần có sợi dây. Rõ ràng không có môi trường mang sóng đi thì sẽ không có sóng. Đây là nguyên do thuyết phục các nhà vật lí thế kỉ 19 rằng ánh sáng, đã được chứng minh là sóng, cũng cần một môi trường truyền. Và vì không ai từng nhìn thấy một môi trường như vậy, nên họ phải nghĩ ra một cách chứng minh sự tồn tại của nó.

Môi trường đó được gọi là ether truyền sáng - không nên nhầm lẫn với chất hữu cơ thường dùng làm thuốc tê – và cuộc săn tìm nó bắt đầu. Nếu như nó tồn tại thì nó phải có những tính chất nhất định. Trước tiên, nó phải thấm đẫm toàn bộ không gian để ánh sáng phát ra từ các ngôi sao có thể đi tới chúng ta. Nó phải tồn tại ở mọi nơi, kể cả trong không gian trống rỗng bên trong các nguyên tử. Một tính chất quan trọng của ether là nó không thể tương tác với các đối tượng vật chất và do đó không thể bị kéo theo cùng với chúng khi chúng chuyển động. Điều này đã được xác nhận tận hồi năm 1729 do một tính chất của ánh sáng gọi là quang sai.

Người ta chẳng biết thêm gì khác về ether. Người ta hi vọng mọi thứ sẽ rõ ràng hơn với những tiến bộ đạt được trong lĩnh vực nghiên cứu quang học. Tuy nhiên, chưa ai sẵn sàng cho cái sắp xảy ra cả.

Vào năm 1907, A A Michelson trở thành người Mĩ đầu tiên giành giải Nobel vật lí cho một thí nghiệm ông đã thực hiện hồi thập niên 1880 cùng với E W Morley. Có lẽ đó là thí nghiệm nổi tiếng nhất trong lịch sử vật lí. Michelson đã phát minh ra một dụng cụ gọi là giao thoa kế hoạt động dựa trên bản chất sóng của ánh sáng để đo thời gian cần thiết cho một chùm ánh sáng đi hết một quãng đường nhất định. Bằng cách sử dụng khéo léo giao thoa kế của ông để đo xem những chùm ánh sáng chuyển động nhanh như thế nào, ông đã chứng minh không một chút nghi ngờ rằng ether không hề tồn tại!

Một thực tế trong vật lí học là mọi sóng truyền đi ở một tốc độ không phụ thuộc vào tốc độ của nguồn sóng. Hãy nghĩ tới âm thanh của một chiếc xe hơi đang chạy nhanh đến gần. Sóng âm sẽ đi tới tai bạn trước chiếc xe vì chúng truyền đi nhanh hơn, nhưng tốc độ của chúng liên quan đến các phân tử không khí có thể truyền chúng đang dao động bao nhanh. Chúng không đi tới tai bạn nhanh hơn vì bị chiếc xe đang chuyển động “đẩy tới”. Thay vậy, cái xảy ra là sóng âm bị nén đến tần số cao hơn và bước sóng ngắn hơn ở phía trước xe (hiệu ứng Doppler) nhưng tốc độ của âm thanh thì không thay đổi.¹

Sóng âm truyền trong không khí ở tốc độ 1200 km/h. Tốc độ này độc lập với chuyện chiếc xe đang chuyển động bao nhanh. Nếu chiếc xe đang chạy 100 km/h thì người tài xế sẽ thấy sóng âm (giả sử sóng âm có thể nhìn thấy) ở phía trước anh ta với tốc độ chỉ 1100 km/h (1200 trừ 100). Chiếc xe chạy càng nhanh thì tốc độ tương đối của sóng âm mà người tài xế nhìn thấy sẽ càng nhỏ. Nhưng với một người quan sát đứng yên đang nhìn chiếc xe đang chạy tới, thì sóng âm luôn luôn truyền đi ở tốc độ 1200 km/h cho dù chiếc xe đó đang chạy bao nhanh. Nếu người tài xế và người quan sát đứng yên nêu ra lập luận về tốc độ của âm thanh, thì người tài xế sẽ phải thừa nhận rằng tốc độ mà anh ta thấy sóng âm đang di chuyển không phải là tốc độ thật sự của chúng vì anh ta cũng đang chuyển động so với các phân tử không khí.

Michelson và Morley đã áp dụng nguyên lí này cho sóng ánh sáng. Họ giả sử rằng Trái đất đang chuyển động trong ether khi nó quay xung quanh Mặt trời (với tốc độ khoảng một trăm nghìn km/h). Thí nghiệm của họ hơi khó mô tả nên tôi sẽ không đi sâu vào những chi tiết tinh tế của nó. Nói đại khái thì họ đã đo với độ chính xác rất cao thời gian cần thiết cho ánh sáng trong một phòng thí nghiệm truyền đi theo hai quãng đường bằng nhau, một đường theo hướng chuyển động của Trái đất khi nó quay xung quanh Mặt trời và đường kia thì vuông góc với nó. Ngồi trong phòng thí nghiệm của họ trên mặt đất và quan sát tốc độ ánh sáng, họ giống như người tài xế xe hơi sẽ đo sóng âm rời khỏi xe ở những tốc độ khác nhau phụ thuộc vào anh ta nhìn theo hướng nào. Nói chung, đối với anh ta những sóng âm đang truyền thẳng đứng sẽ vẫn đang chuyển động 1200 km/h.

Nếu ether có tồn tại, và Michelson và Morley biết rằng Trái đất phải chuyển động tự do trong nó, thì ánh sáng đi theo những lộ trình khác nhau sẽ đi hết hai quãng đường bằng nhau trong thời gian khác nhau. Điều này cho thấy, so với Trái đất đang chuyển động, ánh sáng đang chuyển động ở tốc độ khác nhau trong hai chiều đó. Mặc dù tốc độ ánh sáng là ba trăm nghìn kilomet mỗi giây, nhanh gấp mười nghìn lần tốc độ chuyển động của Trái đất, nhưng giao thoa kế của Michelson vẫn đủ chính xác để phát hiện ra bất kì sự chênh lệch nào trong thời gian truyền của hai chùm tia nếu có. Không có sự chênh lệch nào được tìm thấy. Nhiều thí nghiệm chính xác hơn sử dụng các chùm tia laser sau đó cũng xác nhận kết quả của Michelson và Morley.

Thí nghiệm của họ đã chứng minh rằng ánh sáng không giống như những loại sóng khác. Nó truyền đi ở một tốc độ không đổi cho dù bạn đang chuyển động về phía nguồn sáng hay ra xa nguồn sáng. Không có một phông nền cố định để đo tốc độ của nó trên đó. Vì thế rốt cuộc ether là không cần thiết.

Đa số các nhà vật lí lúc ấy không tin vào kết quả này và cố gắng sửa đổi các định luật vật lí để dung hòa kết quả mới nhưng đều không thành công. Họ đã thử cho rằng ánh sáng hành xử giống như một dòng hạt (vì giả thuyết đó cũng giải thích được kết quả trên) nhưng thí nghiệm được lập ra lại chuyên để phát hiện bản chất sóng của ánh sáng. Nó phát hiện ra hệ vân giao thoa giữa các sóng theo kiểu khá giống với bố trí ban đầu của Thomas Young lần đầu tiên phát hiện ra bản chất sóng của ánh sáng. Dù trong trường hợp nào, ánh sáng hành xử giống như hạt cũng sẽ bác bỏ nhu cầu ether vì chúng không cần môi trường để truyền.

¹Tốc độ của sóng bằng tần số của nó nhân với bước sóng của nó. Nếu một đại lượng tăng trong khi đại lượng kia giảm thì chúng sẽ cho tích số không đổi.