Ánh sáng – kỉ lục tốc độ của thế giới
Đối với một người lần đầu tiên làm quen với thuyết tương đối, chẳng có gì bực mình hơn là việc khẳng định rằng không có cái gì có thể chuyển động nhanh hơn ánh sáng. Họ sẵn sàng chấp nhận các đồng hồ chạy chậm đi, chiều dài co lại, thậm chí ánh sáng truyền đi ở cùng một tốc độ đối với mọi nhà quan sát, nhưng tại sao chúng ta không thể quan niệm có cái gì đó chuyển động ở tốc độ cao hơn ba trăm nghìn kilo mét mỗi giây? Đành rằng đây là một tốc độ cao khủng khiếp mà chúng ta biết (trừ những hạt hạ nguyên tử) không có cái gì có thể đạt tới, nhưng thuyết tương đối đặc biệt dường như phát biểu rằng các định luật của tự nhiên cấm bất cứ cái gì đó chuyển động nhanh hơn. Hãy tưởng tượng chế tạo ra một tên lửa có thể tăng tốc mãi mãi. Tất nhiên, một cỗ máy như vậy nằm ngoài khả năng công nghệ hiện nay của chúng ta, nhưng nếu một nền văn minh ngoài hành tinh có thể chế tạo nó thì sao? Điều gì sẽ xảy ra khi nó đạt tới tốc độ ánh sáng? Liệu có một hàng rào tốc độ vũ trụ nào đó bị phá vỡ hay không? Tên lửa có bay lên, rơi vào trong một lỗ đen hoặc đi vào một chỗ cuộn thời gian hay không? Không, không có cái gì kịch tính như thế.
Có một số cách giải thích tại sao tốc độ ánh sáng là giới hạn trên của tốc độ khả dĩ trong Vũ trụ của chúng ta. Một phương pháp là sử dụng đại số. (Ồ vâng, bạn đang nghĩ, điều đó sẽ thật sự thuyết phục tôi đấy.) Tuy nhiên, tôi sẽ không sa vào những chi tiết rườm rà đó. Chỉ cần nói thế này thôi, trong thuyết tương đối đặc biệt, tốc độ cộng lại theo một kiểu rất lạ. Nếu bạn đang ở trên một đoàn tàu đang chuyển động 100 km/h và bạn ném một quả bóng ra ngoài cửa sổ với vận tốc 10 km/h theo hướng đoàn tàu đang chuyển động thì, đối với một người nào đó đang đứng bên ngoài nhìn bạn đi qua, quả bóng sẽ bắt đầu (trước khi gió làm cho nó chậm lại) chuyển động ở tốc độ kết hợp 110 km/h. Vậy nếu bây giờ ta phát biểu lại ví dụ trên nhưng với những tốc độ cao hơn nhiều thì sao? Hãy xét cái người quan sát ở bên ngoài nhìn thấy trong hình 6.2. Tên lửa đang chuyển động ở ba phần tư tốc độ ánh sáng khi nó bắn một hỏa tiễn bay ra với tốc độ bằng một nửa tốc độ ánh sáng khi nhìn bởi người ở trong tên lửa. Người quan sát đó có nhìn thấy hỏa tiễn đang chuyển động với tốc độ bằng 1,25 tốc độ ánh sáng hay không? Anh ta sẽ thấy như vậy nếu như quy tắc cộng vận tốc thông thường là đúng. Nhưng giống như nhiều cơ sở vật lí có giá trị trong những công dụng hàng ngày, định luật này bị phá vỡ ở những tốc độ tương đối tính. Công thức chính xác để sử dụng sẽ nói rằng người quan sát đó nhìn thấy hỏa tiễn chuyển động với vận tốc bằng chín phần mười tốc độ ánh sáng. Cho dù tên lửa và hỏa tiễn chuyển động ở gần tốc độ ánh sáng bao nhiêu, thì tốc độ kết hợp của chúng theo nhà quan sát đứng yên sẽ luôn luôn lớn hơn tốc độ riêng lẻ của chúng nhưng nhỏ hơn tốc độ ánh sáng.
Cách dễ nhất giải thích hàng rào tốc độ ánh sáng cũng là một cách giải thích phương trình nổi tiếng của Einstein (E = mc2) có nguồn gốc từ đâu. Một khi Einstein đã hiểu không gian và thời gian bị ảnh hưởng như thế nào ở gần tốc độ ánh sáng, ông tiếp tục xét những cái khác cũng phải đúng. Một số định luật quan trọng và cơ bản nhất trong vật lí học được gọi là các định luật bảo toàn, chúng phát biểu rằng những đại lượng nhất định sẽ giữ nguyên không đổi cho dù là những đại lượng khác có biến thiên. Một trong số này là định luật bảo toàn động lượng. Hãy nhớ rằng động lượng của một vật bằng khối lượng của nó nhân với vận tốc của nó, cho nên một quả đạn đại bác đang lăn từ từ trên mặt đất có thể bị dừng lại nếu bắn một viên đạn trực diện lên nó. Điều này sẽ xảy ra khi hai vật có động lượng bằng nhau nhưng ngược chiều và triệt tiêu lẫn nhau. Quả đạn đại bác có khối lượng lớn nhưng vận tốc nhỏ, trong khi viên đạn có khối lượng nhỏ nhưng vận tốc cao. Trong cả hai trường hợp, tích của khối lượng và vận tốc có thể cho cùng một giá trị (động lượng). Khi hai vật bất kì va chạm nhau, chúng ta trông đợi tổng động lượng của chúng trước và sau va chạm là bằng nhau. Chúng không phải hủy nhau – đó là một trường hợp đặc biệt – mà thường thì một vật sẽ truyền một phần động lượng của nó cho vật kia. Einstein tìm thấy rằng khi các vật chuyển động ở gần tốc độ ánh sáng, tổng động lượng không được bảo toàn, như nó nên như vậy, theo một số nhà quan sát nếu họ chỉ sử dụng quy tắc “khối lượng nhân vận tốc” đơn giản. Một lần nữa, phải có cái gì đó khác. Lần này, đó là định nghĩa khối lượng của một vật đang chuyển động nhanh.
Hình 6.2 Theo những quy tắc cộng vận tốc bình thường, nhà quan sát trên trạm vũ trụ sẽ thấy hỏa tiễn đang chuyển động ở tốc độ ¾ + ½ = 1 ¼ lần tốc độ ánh sáng. Einstein trình bày rằng không có cái gì có thể chuyển động nhanh hơn ánh sáng và cách chúng ta cộng vận tốc phải thay đổi.
Hóa ra một vật chuyển động càng nhanh thì nó càng trở nên nặng hơn, và càng khó cho nó tăng tốc thêm nữa. Tiến càng gần đến tốc độ ánh sáng thì động lượng của nó càng lớn, nhưng đây là do khối lượng đang tăng lên của nó, chứ không phải vận tốc của nó.
Xét cái xảy ra với khối lượng của một vật khi nó chuyển động rất nhanh. Một trong những hệ quả quan trọng nhất của các phương trình của thuyết tương đối đặc biệt là sự liên hệ giữa khối lượng và năng lượng. Einstein trình bày rằng khối lượng có thể biến đổi thành năng lượng và ngược lại. Hai đại lượng liên hệ với nhau qua phương trình E = mc2, phương trình cho chúng ta biết có bao nhiêu năng lượng bị giam giữ bên trong một khối lượng cho trước bất kì. c là kí hiệu cho tốc độ ánh sáng và do đó đại lượng c2 (tốc độ ánh sáng bình phương) thật sự là một con số rất lớn và giải thích làm thế nào ta có thể lấy nhiều năng lượng như thế ra khỏi một lượng nhỏ khối lượng. Phương trình này đề xuất rằng ta có thể nghĩ khối lượng là năng lượng đóng băng.
Vì một vật đang chuyển động còn có năng lượng do sự chuyển động của nó (gọi là động năng), nên năng lượng toàn phần của nó sẽ bằng tổng năng lượng đóng băng dưới dạng khối lượng khi nó không chuyển động cộng với động năng của nó. Vật chuyển động càng nhanh thì năng lượng mà nó có càng lớn. Điều này có nghĩa là khối lượng thật sự của một vật sẽ là do năng lượng đóng băng của nó cộng với năng lượng do chuyển động của nó. Trong phần lớn thời gian, năng lượng đóng băng của một vật (khối lượng của nó) lớn hơn nhiều so với năng lượng chuyển động của nó nên chúng ta có thể bỏ qua năng lượng chuyển động đó và xem khối lượng bằng như khi nó không chuyển động. Nhưng khi tốc độ tiến tới tốc độ ánh sáng thì động năng trở nên rất lớn đến mức nó vượt quá năng lượng đóng băng. Như vậy, khối lượng của một đang chuyển động nhanh lớn hơn nhiều so với khối lượng của nó khi đứng yên. Tất nhiên, miễn là vật đó còn được đề cập tới, thì có thể khẳng định nó là đứng yên (vì mọi chuyển động là tương đối) và vì thế người ta không nhận ra bất kì sự thay đổi nào của khối lượng của nó.
Giờ thì bạn có thể thấy rõ vấn đề cố gắng đạt tới tốc độ ánh sáng. Hãy tưởng tượng một động cơ xe lửa đang đang tăng tốc kéo một toa hàng. Điều gì sẽ xảy ra nếu như với mỗi 10 km/h tăng thêm, người ta mắc thêm một toa hàng nữa. Khi đó, nó phải chạy cật lực hơn để duy trì tốc độ của nó. Nó chạy càng nhanh thì càng có thêm nhiều toa hàng phải kéo, và nó cần có sức kéo mạnh hơn nữa. Tương tự như vậy, một vật chuyển động càng nhanh, so với một nhà quan sát nào đó, thì nó sẽ càng nặng, và nó sẽ khó mà chuyển động nhanh thêm được nữa. Để tăng tốc nó lên tới tốc độ ánh sáng đòi hỏi một lượng năng lượng vô hạn, điều đó là không thể.
Lỗ đen, lỗ sâu đục và cỗ máy thời gian
Jim Al-Khalili
Bản dịch của Thuvienvatly.com
Phần tiếp theo >>
