Lỗ đen, lỗ sâu đục và cỗ máy thời gian (Phần 49)

Độ dài co lại

Không những vứt bỏ những quan niệm xưa cũ về thời gian tuyệt đối, Einstein còn mang đến những thứ bất ngờ khác nữa. Hãy xét xem mọi thứ sẽ trông như thế nào nếu bạn đang ngồi trên một muon khi nó đang truyền về phía Trái đất. Bạn sẽ đồng ý với ai đó đứng trên mặt đất đang nhìn bạn rằng bạn đang tiến tới với tốc độ bằng 99% tốc độ ánh sáng. Làm thế nào anh ta trông thấy bạn đi hết quãng đường, nói thí dụ, một dặm trong thời gian bằng năm phần triệu của một giây (năm thời gian sống của hạt muon) theo đồng hồ Trái đất của anh ta, trong khi bạn khẳng định đi hết quãng đường đó chỉ trong một phần mười thời gian đó. Không có chùm ánh sáng nào ở đây cả và bạn sẽ nghĩ rằng chỉ cần có liên hệ toán học thôi: tốc độ bằng quãng đường chia cho thời gian. Làm thế nào cả hai người bạn đều thống nhất về tốc độ mà bạn đang chuyển động nhưng không thể nhất trí về thời gian để bạn đi hết quãng đường giống nhau đó?

Phải có cái gì đó khác, và ở đây là quãng đường. Để thu được cùng một giá trị cho tốc độ của muon trong cả hai trường hợp (bằng cách chia quãng đường cho thời gian), quãng đường đi khi nhìn bởi hạt muon cũng phải bằng một phần mười giá trị của nó khi nhìn từ Trái đất. Nghĩa là hạt muon sẽ nhìn thấy quãng đường đó co lại dưới một dặm nhiều lần. Điều này giải thích làm thế nào nó có thể sống hết quãng đường đó; nó không hề nghĩ nó phải đi quãng đường xa như thế.

Tính chất này của sự chuyển động tốc độ cao được gọi là sự co lại của chiều dài. Nó phát biểu rằng những vật đang chuyển động nhanh trông ngắn hơn chúng khi đứng yên. Trong ví dụ hạt muon, đối tượng trong câu hỏi là bề dày của khí quyển. Một người Ireland và một người Hà Lan đã đề xuất hiệu ứng này lần đầu tiên không bao lâu sau thí nghiệm của Michelson và Morley, và vài năm trước khi có thuyết tương đối đặc biệt. George Fitzgerald và Hendrik Lorentz đã trình bày rằng kết quả của thí nghiệm ether có thể giải thích được nếu như có sự co lại của chiều dài đi cùng với sự chuyển động tốc độ cao. Quan điểm này sẽ cứu lấy quan niệm ether. Lorentz còn tiến xa đến chỗ suy luận ra một bộ phương trình ngày nay mang tên ông. Thật đáng tiếc cho ông, ông đã không thực hiện bước nhảy trực giác cuối cùng là tiên đề thứ hai của thuyết tương đối. Do đó, nói theo cách nào đó thì đã có rất nhiều nền tảng đã được xác lập trước Einstein và người ta thường khẳng định rằng nếu Einstein không khám phá ra thuyết tương đối đặc biệt thì sẽ có người khác khám phá.

Như với sự chậm lại của thời gian, sự co lại của chiều dài biểu hiện càng nhiều khi vật chuyển động càng tiến gần đến tốc độ ánh sáng. Vậy trong thế giới thực tế, chúng ta sẽ quan sát thấy loại hiệu ứng nào? Để cung cấp cho bạn một ví dụ rõ ràng, hãy tưởng tượng chụp một bức ảnh chính xác cao của một chiếc phản lực đang bay gấp hai lần tốc độ âm thanh (hơn hai nghìn kilo mét mỗi giờ). Bạn sẽ thấy nó hơi ngắn một chút so với khi trên mặt đất. Nhưng đối với một máy bay thông thường, thì sự co lại này của chiều dài sẽ là chưa bằng bề rộng của một nguyên tử! Nhưng bạn phải nhớ rằng mặc dù gấp hai lần tốc độ âm thanh trông có vẻ nhanh ấn tượng đối với chúng ta, nhưng nó chẳng là gì so với tốc độ ánh sáng. Nếu chiếc phản lực đang bay nhanh hơn vài trăm nghìn lần, ví dụ hơn ba phần tư tốc độ ánh sáng, thì chúng ta sẽ thấy có sự khác biệt. Chiếc phản lực sẽ trông còn bằng một phần hai chiều dài ban đầu của nó. Nếu nó chuyển động nhanh như các muon tia vũ trụ, nó sẽ bị nén lại bằng phần mười chiều dài của nó.

Thật chẳng thoải mái chút nào cho người phi công tội nghiệp kia, bạn phải nghĩ như thế. Có lẽ đây là một trong những mối nguy hiểm của sự chuyển động tốc độ cao như vậy. Sự thật là người phi công sẽ chẳng cảm thấy có chút gì khác thường hết. Đối với anh ta, kích cỡ của chiếc phản lực (và bản thân anh ta) không thay đổi gì cả. Thật vậy, theo nguyên lí tương đối thứ nhất, anh ta sẽ nhìn thấy thế giới xung quanh mình bị nén lại, theo kiểu giống như các muon vậy (nếu như chúng có thể nhìn thấy!)