Lỗ đen, lỗ sâu đục và cỗ máy thời gian (Phần 47)

Thí nghiệm tưởng tượng và những vấn đề nan giải

Lúc Michelson và Morley thực hiện thí nghiệm của họ thì Einstein vẫn còn là một đứa trẻ. Trong những năm tháng tuổi trẻ của mình, Einstein đã suy ngẫm về những tính chất kì lạ của ánh sáng bằng cách nghĩ ra những thí nghiệm tưởng tượng (cái ông gọi là gedanken, tiếng Đức có nghĩa là thí nghiệm tưởng tượng – ND). Ông tưởng tượng bản thân mình đang bay ở tốc độ ánh sáng đồng thời cầm một cái gương ở phía trước mặt. Ông có nhìn thấy ảnh phản xạ của mình hay không? Làm thế nào ánh sáng từ mặt của ông có thể đi tới gương nếu chính cái gương đang chuyển động ra xa ở tốc độ ánh sáng? Những năm tháng suy tư của ông đã đơm hoa kết trái trong hai phát biểu đơn giản gọi là nguyên lí tương đối. Có thể trình bày chúng như sau:

Không có thí nghiệm nào cho bạn biết được bạn đang đứng yên hay đang chuyển động ở tốc độ không đổi. Mọi chuyển động là có tính tương đối nên không thể nói có cái gì thật sự đứng yên.
Ánh sáng hành xử giống như sóng ở chỗ tốc độ của nó không phụ thuộc vào tốc độ chuyển động của nguồn sáng. Đồng thời, nó không đòi hỏi có một môi trường để truyền giống như những loại sóng khác.

Thật hay, thật tuyệt. Bạn sẽ nghĩ rằng trong hai phát biểu vô thưởng vô phạt ở trên, bạn chẳng có chút khó khăn gì nếu chấp nhận chúng. Nhất định trông chúng quá đơn giản để có thể trả lời hai câu hỏi đã nêu ở đầu chương này về chẳng có cái gì chuyển động nhanh hơn ánh sáng và thời gian trôi chậm đi. Trông chúng có vẻ vô hại nhưng hãy tin tôi đi, nếu chấp nhận chúng có nghĩa là bạn đang bán linh hồn mình cho quỷ dữ đấy.

Trước tiên, tôi cam đoan với bạn rằng cả hai phát biểu trên đều khá đúng và có thể chứng minh dễ dàng. Phát biểu thứ nhất cho rằng nếu bạn tiến hành một thí nghiệm đơn giản như thả rơi một quả bóng trong một khoang máy bay đang bay ở tốc độ không đổi thì, theo bạn, quả bóng sẽ rơi theo phương thẳng đứng giống hệt như nó rơi khi bạn tiến hành thí nghiệm đó trên mặt đất. Vì thế, bạn có quyền khẳng định rằng chiếc máy bay đang đứng yên trong khi Trái đất đang chuyển động bên dưới bạn ở tốc độ vài trăm kilomet mỗi giờ theo chiều ngược lại. Một ví dụ rõ ràng hơn là trường hợp hai tên lửa đang chuyển động ở tốc độ không đổi về phía nhau trong không gian. Nếu cả hai động cơ đã tắt và chúng bay trong chế độ “tiết kiệm xăng” thì không bao giờ chắc chắn được chúng đang tiến về phía nhau hay một tên lửa đang đứng yên còn tên lửa kia đang tiến về phía nó. Cũng chẳng thể viện dẫn một ngôi sao láng giềng nào làm vật mốc thì ai dám nói ngôi sao đó thật sự đứng yên chứ?

Phát biểu thứ hai đã được xác nhận bởi thí nghiệm của Michelson và Morley và vẻ trông như vô hại của nó. Nhưng khi kết hợp hai phát biểu lại thì rắc rối bắt đầu nảy sinh. Tôi biết có lẽ bạn sẽ cho rằng tôi giống bác sĩ quá, nhưng tôi muốn bạn hãy can đảm lên vì vấn đề này có chút đau đớn đấy.

Chúng ta đã biết rằng ánh sáng phát ra từ một nguồn sẽ truyền tới chúng ta ở tốc độ không đổi cho dù nguồn sáng đó đang chuyển động nhanh như thế nào. Nhưng vì nó không có một môi trường để truyền và với môi trường đó chúng ta có thể đo tốc độ của nó nên chúng ta cũng có thể nói rằng không phải nguồn sáng đang chuyển động về phía chúng ta mà là chúng ta đang chuyển động về phía nguồn sáng vì mọi chuyển động đều là tương đối. Đây chính là phát biểu rằng ánh sáng tuân theo nguyên lí tương đối thứ nhất.

Giờ lại xét hai tên lửa đang tiến về phía nhau. Một nhà du hành ngồi bên trong một tên lửa chiếu ra một chùm sáng về phía tên lửa kia và đo tốc độ của ánh sáng khi nó rời khỏi tên lửa của cô ta. Vì cô ta có thể khẳng định khá hợp thức rằng là mình đang đứng yên, và tên lửa kia đang chuyển động, nên cô ta nhìn thấy ánh sáng từ phía mình truyền ra xa ở tốc độ ba trăm nghìn kilomet mỗi giây như bình thường. Đồng thời, nhà du hành trên tên lửa kia cũng có thể khẳng định hợp thức rằng anh ta đang đứng yên. Anh ta sẽ đo thấy tốc độ ánh sáng đi tới anh ta là ba trăm nghìn kilomet mỗi giây và phát biểu rằng điều này chẳng có gì bất ngờ cả vì tốc độ của chùm tia sáng không phụ thuộc vào nguồn phát của nó đang tiến tới nhanh bao nhiêu.

Cả hai đo ánh sáng có tốc độ giống nhau. Kết quả này đáng ngạc nhiên, vì nó hơi trái với ý nghĩa thông thường. Hai nhà du hành đo cùng một chùm ánh sáng đang chuyển động ở một tốc độ giống nhau, bất chấp chuyển động tương đối so với nhau!

Giờ chúng ta có thể trả lời câu hỏi của Einstein liên quan đến cái gương. Cho dù ông đạt tới tốc độ gần tốc độ ánh sáng bao nhiêu chăng nữa – và tôi sẽ giải thích sau tại sao ông không bao giờ có thể chuyển động ở tốc độ ánh sáng – ông sẽ luôn luôn nhìn thấy ảnh phản xạ của mình. Đây là vì bất chấp chuyển động của ông, ông vẫn nhìn thấy ánh sáng chuyển động ở tốc độ như nhau từ mặt của ông đến cái gương và ngược lại.

Một cách dễ hình dung hơn là hãy tưởng tượng thắp một ngọn đuốc, rồi chạy theo chùm tia phát ra từ ngọn đuốc ở tốc độ bằng ba phần tư tốc độ ánh sáng theo người đang cầm giữ ngọn đuốc. Giác quan thông thường cho bạn biết rằng bạn sẽ nhìn thấy ánh sáng vẫn qua mặt bạn nhưng ở tốc độ giảm đi nhiều chỉ bằng một phần tư giá trị ban đầu của nó. Đúng không?

Sai rồi! Bạn sẽ nhìn thấy nó đang chuyển động ở tốc độ bằng với tốc độ mà người giữ ngọn đuốc đo thấy nó đang chuyển động.