Thời gian trôi chậm lại
Chúng ta đã đi tới tình huống kì lạ trên sau một số bước lôgic kết hợp với những kết quả thực nghiệm chắc chắn. Vậy thì chúng ta phạm sai lầm ở đâu? Xét cho cùng, cũng chùm ánh sáng đó; cũng sóng điện từ đó hay những photon hay bất cứ thứ gì mà bạn chọn là cái cấu tạo nên ánh sáng, nó đang rời khỏi ngọn đuốc. Làm thế nào bạn, trong khi đang chuyển động dọc theo nó ở một tốc độ đáng kể so với tốc độ ánh sáng, vẫn nhìn thấy nó đi qua bạn với tốc độ bằng như người cầm đuốc nhìn thấy? Cách duy nhất để xảy ra điều này là nếu thời gian của bạn đang trôi ở một tốc độ chậm hơn thời gian của anh ta. Nếu anh ta có thể nhìn thấy cái đồng hồ bấm giây mà bạn đang cầm, anh ta sẽ thấy nó đếm giây chậm hơn đồng hồ của anh ta. Nếu bằng cách nào đó anh ta có thể đo từ xa nhịp tim của bạn, anh ta sẽ thấy nó đập chậm hơn. Mọi thứ liên quan đến bạn, theo anh ta, đều đang chậm đi. Chưa hết, nếu trong khoảnh khắc bạn quên đi chùm ánh sáng đó, thì nguyên lí tương đối thứ nhất gợi ý rằng bạn cũng có thể xem người bạn của mình đang đứng trên đất là người đang chuyển động ở tốc độ bằng ba phần tư tốc độ ánh sáng, theo chiều ngược lại. Bạn sẽ thấy thời gian của anh ta trôi chậm hơn thời gian của bạn!
Đây không phải là lí thuyết lập dị nào đó được nghĩ ra để làm cho quan niệm lố bịch rằng ánh sáng truyền đi ở tốc độ như nhau đối với mọi người có ý nghĩa. Quan niệm về tốc độ ánh sáng như thế còn lâu mới lố bịch và luôn được xác nhận trong các thí nghiệm trong các máy gia tốc hạt ngày nay. Đây là những phòng thí nghiệm khổng lồ với những đường hầm hình tròn dưới lòng đất, kéo dài vài dặm, gửi những chùm hạt hạ nguyên tử đi vòng quanh đến gần tốc độ ánh sáng, ví dụ như cơ sở CERN nổi tiếng ở Thụy Sĩ. Sự trôi chậm lại (gọi là giãn ra) của thời gian là một hệ quả không thể tránh khỏi của hành trạng của những hạt tốc độ cao.
Trước tiên, tôi muốn đề cập tới những thí nghiệm hạt này. Người ta đã biết rằng một loại hạt hạ nguyên tử nhất định, gọi là pion, phát ra những photon ánh sáng. Khi hạt pion đứng yên thì, tất nhiên, photon đó sẽ xuất hiện ở tốc độ ánh sáng (xét cho cùng thì nó là một hạt ánh sáng). Nhưng tại CERN, người ta có thể làm cho các hạt pion chạy vòng quanh trong một đường hầm vòng tròn lớn ở dưới lòng đất đến rất gần tốc độ ánh sáng. Tuy nhiên, chúng vẫn phát ra những photon của chúng, và những photon xuất hiện theo hướng mà những pion đó đang chuyển động là có thể phát hiện ra và tốc độ của chúng có thể đo được. Người ta tìm thấy tốc độ của chúng truyền đi vẫn bằng tốc độ của chúng khi được phát ra từ một pion đứng yên.
Như vậy, cùng một hạt photon xuất hiện từ pion đang chuyển động được nhìn thấy chuyển động ở tốc độ ánh sáng từ điểm nhìn của chúng ta đứng trong phòng thí nghiệm và từ điểm nhìn của chính pion đó.
Như trường hợp sự trôi chậm đi của thời gian, ta có thể thấy hiện tượng này xảy ra xuất hiện như thế nào bằng cách xét thí nghiệm tưởng tượng sau đây. Hình 6.1 thể hiện một cái hộp chứa một nguồn sáng với một máy dò ở đáy hộp và một cái gương trên đỉnh hộp. Nguồn sáng, hướng thẳng đứng, phát ra một lóe sáng (gọi là một xung sáng) đến phản xạ tại gương trên đỉnh hộp rồi truyền xuống máy dò nơi thu nhận tín hiệu của nó. Theo một người nào đó ở bên trong hộp thì ánh sáng sẽ mất một thời gian nhất định để đi từ nguồn đến gương rồi đi xuống máy dò. Giờ hãy tưởng tượng toàn bộ cái hộp đang chuyển động sang ngang ở gần tốc độ ánh sáng. Đối với một người quan sát đang nhìn từ nó từ ngoài vào (cái hộp có một mặt kính phía trước) thì ánh sáng vạch ra một quỹ đạo dài hơn đường đi thẳng-đứng-lên-xuống mà người bên trong hộp nhìn thấy. Đối với người quan sát nhìn từ bên ngoài, xung sáng phải đi quãng đường dài hơn thể hiện trong hình, nhưng anh ta vẫn nhìn thấy ánh sáng truyền đi ở cùng một tốc độ. Tuy nhiên, vì lúc này nó phải đi một quãng đường dài hơi (đường đứt nét), nên phải có khoảng thời gian trôi qua lâu hơn trước khi nó trở lại máy dò2. Vì thế, theo một đồng hồ trên mặt đất thì thời gian phải trôi qua nhiều hơn so với theo một đồng hồ bên trong hộp. Vì cả hai đồng hồ đang đo khoảng thời gian của cùng một quá trình (thời gian cần thiết cho ánh sáng đi lên và đi xuống trong hộp) nên thời gian bên trong hộp phải trôi chậm hơn để cho đồng hồ của nó ghi nhận một khoảng thời gian ngắn hơn! Những người hâm mộ thuyết tương đối đặc biệt sẽ nhận ra rằng phần giải thích này chưa phải là toàn bộ câu chuyện chặt chẽ vì nói rằng ai đó “nhìn thấy” cái gì đó ngụ ý rằng ánh sáng phải đi từ vật đến mắt người nhìn, và sẽ mất một khoảng thời gian hữu hạn nữa.
Vậy thì những đồng hồ đang chuyển động chạy chậm đi và ví dụ trên cho thấy điều đó xảy ra như thế nào. Thường thì khi người ta lần đầu tiên gặp hiệu ứng này, họ có ấn tượng rằng sự chuyển động nhanh ảnh hưởng đến hoạt động cơ giới của đồng hồ; cái đồng hồ bằng cách nào đó phản ứng với tốc độ mà nó đang chuyển động. Không phải thế đâu. Thật vậy, vì mọi chuyển động là tương đối nên người ở trong hộp trong ví dụ vừa nêu có quyền khẳng định rằng mình không chuyển động gì cả và chính người quan sát ở bên ngoài mới đang chuyển động ở gần tốc độ ánh sáng. Như vậy, thật ra anh ta sẽ nhìn thấy đồng hồ trở trên mặt đất chạy chậm hơn đồng hồ ở bên trong hộp! Điều này thường làm phát sinh cái trông có vẻ như một sự mâu thuẫn lôgic. Làm thế nào cả hai cái đồng hồ có thể chạy chậm hơn nhau cơ chứ? Những người không hiểu thuyết tương đối phỏng đoán rằng hai cái đồng hồ chỉ trông như chạy chậm đi đối với nhau vì ánh sáng mất một thời gian nhất định để truyền từ đồng hồ này đến người quan sát bên kia. Như James A Smith phát biểu trong quyển sách của ông, Giới thiệu Thuyết tương đối Đặc biệt, “không gì phỉ báng thuyết tương đối đặc biệt hơn thế cả”. Chúng ta sẽ thấy trong phần trình bày nghịch lí cặp song sinh ở phần sau làm thế nào ta có thể làm chậm thời gian vĩnh viễn bằng cách làm cho một cái đồng hồ tăng tốc rồi giảm tốc trở lại.
Hình 6.1 (a) Một người quan sát ở bên trong cái hộp đang chuyển động nhìn thấy xung ánh sáng truyền đi quãng đường chừng bằng gấp đôi chiều cao của cái hộp trong hành trình lên-xuống của nó. (b) Đối với một người quan sát ở bên ngoài, ánh sáng đi một quãng đường dài hơn. Ba cái hộp là ảnh chụp nhanh của những khung hình liên tiếp. Ở bên trái là vị trí của cái hộp khi xung sáng phát ra, ở chính giữa là khi xung sáng đi tới gương và ở bên phải là khi xung sáng đi tới máy dò. Nếu hai người quan sát thống nhất về tốc độ ánh sáng (họ phải thống nhất như thế) thì cách duy nhất để ánh sáng có thể đi những quãng đường khác nhau là họ không thống nhất về thời gian để ánh sáng hoàn tất hành trình đi-về của nó.
Tôi cam đoan rằng bạn phải nghĩ xét cho cùng thì đây chỉ là lí thuyết thôi. Nó có thể tuyệt vời đối với các nhà văn khoa học viễn tưởng nhưng chắc chắn nó không có chỗ đứng trong “thế giới thực”. Nếu như tốc độ gõ nhịp của các đồng hồ độc lập với chuyển động tương đối của chúng như thế, thì lí do gì chúng ta lại quan tâm đến những thứ giữ nhịp thời gian chính xác như đồng hồ nguyên tử? Nguyên do là vì hiệu ứng trên chỉ biểu hiện khi các đồng hồ chuyển động đến những tốc độ cực cao so với nhau. Một đồng hồ chuyển động càng gần tốc độ ánh sáng bao nhiêu, thì nó sẽ gõ nhịp chậm đi bấy nhiêu. Nếu nó chuyển động ở tốc độ ánh sáng so với chúng ta thì chúng ta sẽ thấy thời gian của nó hoàn toàn dừng lại.
Sau đây là một ví dụ khác. Xét một vận động viên điền kinh chạy cự li một trăm mét trong đúng mười giây, tính theo đồng hồ chính xác cao và đáng tin cậy của các trọng tài. Nếu anh ta có đeo một đồng hồ bấm giây rất chính xác của riêng mình theo thì, do thời gian trôi chậm đi rất ít đối với anh ta trong khi đang chạy, đồng hồ của anh ta sẽ hiện số 9,999999999999995 giây. Tất nhiên, con số này rất gần với mười giây nên chúng ta không bao giờ biết sự chênh lệch đó. Tuy nhiên, các nhà khoa học thường cần đo thời gian với loại chính xác này. Sự chênh lệch giữa đồng hồ của vận động viên và của trọng tài chỉ là năm “femto giây”. Nguyên do có sự chênh lệch thời gian nhỏ như vậy là vì vận động viên đó chạy chậm hơn ánh sáng rất nhiều. Ngay cả những tên lửa nhanh nhất cũng quá chậm để thể hiện một hiệu ứng thấy rõ.
Vậy chúng ta có thể nào nhìn thấy sự giãn nở thời gian đang hoạt động hay không? Vâng, đây là cái tôi có thể xác nhận với tư cách cá nhân vì, giống như nhiều sinh viên vật lí khác, tôi đã từng làm một thí nghiệm trong phòng lab khi còn là sinh viên ở trường đại học. Thí nghiệm liên quan đến một hạt hạ nguyên tử khác gọi là muon, hạt do các tia vũ trụ sinh ra. Đây là những hạt năng lượng cao đến từ vũ trụ liên tục bắn phá khí quyển Trái đất. Trong tầng cao khí quyển, nhiều loại hạt mới, chủ yếu là muon, được tạo ra theo kiểu này, và truyền xuống mặt đất. Các nhà vật lí đã nghiên cứu tính chất của muon và biết rằng chúng có thời gian sống cực ngắn, bằng một phần triệu của một giây. Tất nhiên, thời gian sống này chỉ có ý nghĩa thống kê, và một số muon có thể sống lâu hơn trong khi số hạt sống ngắn hơn. Nhưng nếu có một nghìn muon được tạo ra cùng lúc thì sau một phần triệu của một giây sẽ còn lại chừng năm trăm muon.
Các muon sinh ra trong tầng cao khí quyển giàu năng lượng tới mức chúng truyền xuống mặt đất ở tốc độ khó tin bằng 99% tốc độ ánh sáng. Tuy nhiên, ngay cả ở tốc độ này, chúng vẫn mất vài thời gian sống mới đi hết quãng đường tới mặt đất (và, quan trọng hơn, đi vào máy dò muon trong phòng thí nghiệm). Vì thế, lẽ ra chúng ta sẽ chỉ quan sát thấy vài ba muon có thời gian sống dài khác thường có khả năng hoàn tất hành trình đó. Thay vậy, chúng ta tìm thấy hầu như toàn bộ muon đều dễ dàng hoàn tất hành trình đó. Nguyên nhân như vậy là vì thời gian của các muon (đồng hồ riêng của chúng đo thời gian sống của chúng) đang trôi chậm hơn nhiều so với thời gian của chúng ta. Cho nên, nhìn từ phía các muon, chỉ một phần nhỏ thời gian sống của chúng đã trôi qua.
Một lập luận khác rằng các muon đang chuyển động nhanh vì lí do gì đó phải sống lâu hơn các muon đứng yên cũng là không ổn. Nhìn kĩ hơn, chúng ta thấy điều này không thể đúng được vì nó sẽ vi phạm nguyên lí tương đối thứ nhất: một photon đang chuyển động chỉ “đang chuyển động” đối với chúng ta mà thôi.
_____
2Thời gian được tính bằng cách lấy quãng đường xung sáng đã đi chia cho tốc độ của nó. Ở đây, tôi hi vọng không phải nhắc nhở bạn rằng cách tính này được suy luận ra đơn giản từ mối liên hệ: tốc độ bằng quãng đường chia cho thời gian. Vì thế, nếu quãng đường phải truyền càng xa thì sẽ mất thời gian càng nhiều.
Lỗ đen, lỗ sâu đục và cỗ máy thời gian
Jim Al-Khalili
Bản dịch của Thuvienvatly.com
Phần tiếp theo >>
