Tại sao khối lượng tăng theo tốc độ?

Mọi người đều biết rằng thuyết tương đối chơi trò ma quỷ với thời gian, và nó có thể làm thế với không gian nữa, nhưng còn khối lượng thì sao? Tại sao các vật trở nên nặng nhẹ khác nhau tùy thuộc vào tốc độ tương đối của chúng? Chúng ta sẽ sớm đưa ra lời lí giải tại sao việc đang chạy nhanh có thể khiến bạn tăng cân. Nhưng vấn đề chưa hẳn đơn giản như thế.

Hiện nay, nhờ có Einstein, đa số mọi người biết rằng hai người có thể trải nghiệm thời gian riêng của họ, và thời gian của họ thay đổi tùy thuộc vào họ chuyển động tương đối với nhau nhanh ra sao. Nếu bạn tự nhân dòng một bản sao rồi gửi bản sao của bạn lên một phi thuyền tên lửa đang chuyển động qua bạn rất nhanh, thì bản sao của bạn sẽ trải nghiệm thời gian trôi chậm hơn so với bạn trải nghiệm. Bạn sẽ bị kẹt lại ở một nơi cố định nào đó, thời gian của bạn trôi tuột qua, đồng thời trố mắt nhìn bản sao vong ân bội nghĩa kia đang lắc mông thích thú trên một tên lửa đi chu du các sao. Tuy nhiên, ở đây có một sự an ủi. Cái mông đang lắc đó sẽ ít nhiều nặng hơn cái mông của bạn.

Đây là một trong nhiều cái kì lạ của thuyết tương đối. Một khi bạn vướng mắc với thời gian và không gian, bạn sẽ vướng mắc với hầu như mọi thứ khác. Một số người nói rằng, vì khối lượng và năng lượng là tương đương, nên việc làm cho một vật chuyển động nhanh hơn là làm tăng năng lượng của nó, thành ra làm tăng khối lượng của nó. Thật ra, khái niệm các vật thu thêm khối lượng khi tốc độ tăng lên liên quan với một thí nghiệm tưởng tượng xảy ra trên phi thuyền tên lửa đang chuyển động nhanh mà chúng ta đang quan sát.

Cái bản sao của bạn cảm thấy cô đơn và tự nhân bản nó lên. Hai bản sao, khối lượng chính xác bằng nhau và mặc đồ giống y hệt nhau, cùng đi chung một chuyến bay. Chúng tấn công nhau với một cú nhảy cao, chạm chân nhau một cách khôi hài giữa không trung, và rồi dừng lại, mặt đối mặt với nhau. Từ hệ quy chiếu của chúng, đây là một ví dụ hoàn hảo của sự bảo toàn động lượng. Sự bảo toàn động lượng là một nguyên lí phát biểu rằng xét tổng thể, động lượng của một hệ giữ nguyên không đổi. Khi bạn đẩy cái gì đó về phía trước, bạn chịu một cú đẩy tương đương như vậy về phía sau. Hai bản sao, ví dụ mỗi bản sao có khối lượng 100 kg, bay về phía nhau với tốc độ 5 m/s – một bay sang trái và một bay sang phải. Như vậy, có một động lượng tương đương bay theo mỗi chiều, và tính trung bình động lượng là bằng không. Khi chúng va vào nhau, chúng dừng lại hoàn toàn, chúng giữ động lượng của hệ bằng không. Động lượng được bảo toàn.

Hay chí ít nó được bảo toàn đối với hai bản sao. Sau khi bạn ngã lăn ra sàn nhà, cười hét hả hê, bạn nhận ra có cái gì đó nó không đúng. Khi chúng bay vào nhau, một bản sao đang chuyển động theo chiều chuyển động của phi thuyền, còn bản sao kia chuyển động ngược chiều chuyển động của phi thuyền. Và chúng ta đã biết rằng thời gian không là như nhau nếu hai bản sao đó chuyển động ở những tốc độ khác nhau đối với bạn. Bản sao chuyển động ngược chiều chuyển động của tên lửa phải đang trải nghiệm thời gian hơi nhanh hơn so với bạn, và bản sao đang chuyển động cùng chiều với phi thuyền tên lửa phải đang trải nghiệm thời gian hơi chậm hơn so với bạn. (Vì những tính chất kì lạ khác của thuyết tương đối, chúng cũng không di chuyển trong cùng một mảng không gian nữa.) Và do chuyển động của phi thuyền tên lửa, nên toàn bộ sự vật đang diễn ra trong một hệ thời gian hơi khác. Điều này có nghĩa là sự đối xứng hoàn hảo và sự bảo toàn động lượng thu được mà hai bản sao trải nghiệm không áp dụng được cho hệ quy chiếu của bạn. Đối với bạn, hai bản sao đó hoặc là đã tạo ra hoặc đã hủy mất động lượng.

Cho đến khi bằng cách nào đó bạn đo được khối lượng của chúng. Đó là khi bạn nhận ra rằng bản sao đang chuyển động nhanh hơn, so với bạn, có khối lượng lớn hơn một chút. Bản sao đang chuyển động chậm hơn so với bạn có khối lượng nhỏ hơn một chút. Sự khác biệt khối lượng này cân bằng với sự biến dạng thời gian và không gian, và cho phép động lượng được bảo toàn. Thí nghiệm còn có thể hoạt động từ hệ quy chiếu của hai bản sao. Nếu mỗi bản sao quyết định chế tạo một phi thuyền tên lửa và rồi lao vào nhau ở một tốc độ nào đó có thể sánh với tốc độ ánh sáng, và rồi bật trở ra theo kiểu giống như tai nạn xe hơi, thì chúng sẽ thấy bản sao bên kia đang chuyển động trong thời gian khác và đi được quãng đường khác sau va chạm, và chỉ có sự thay đổi khối lượng mới bảo toàn động lượng được.

Nghe thì có vẻ ngớ ngẩn, nhưng người ta đã quan sát được như thế bằng thực nghiệm. Các electron đang bay trong chùm tia cathode hơi nặng hơn các electron nghỉ. Những hạt đang chuyển động trong máy gia tốc thì nặng hơn những hạt chỉ dao động tại chỗ. Sự chênh lệch nhỏ về khối lượng như thế này đã được quan sát nhất quán từ hồi năm 1908. Tất nhiên, nó chưa hề tạo ra sự khác biệt gì nhiều ở những tốc độ mà con người di chuyển. Nhưng nó có xảy ra.

Theo Esther Inglis-Arkell (MyScienceAcademy)

Bài trước | Bài kế tiếp