Hồi tháng 4 năm ngoái, Masud Mansuripur, một kĩ sư điện tại trường Đại học Arizona ở Tucson, khẳng định rằng phương trình xác định lực tác dụng lên một hạt ích điện bởi điện trường và từ trường – định luật lực Lorentz – xung đột với thuyết tương đối, lí thuyết có trọng tâm nói rằng các nhà quan sát chuyển động ở một vận tốc không đổi so với nhau sẽ nhìn thấy những sự kiện giống nhau. Để chứng minh, Masud đã nghĩ ra một “thí nghiệm tưởng tượng” đơn giản trong đó định luật lực Lorentz dường như dẫn tới một nghịch lí, và ông đã mô tả trên tạp chí Physical Review Letters (PRL). Nay bốn nhà vật lí độc lập nhau cho biết rằng họ đã giải thích được nghịch lí đó trong phần bình luận đăng trên tạp chí PRL.
“Masud đã hoàn toàn bị thuyết phục rằng ông đã đúng, nhưng ông không đúng,” phát biểu của Stephen Barnett, một bình luận viên từ trường Đại học Strathclyde ở Glasgow, nước Anh.
Để hiểu lực Lorentz, hãy giả sử một hạt tích điện đang chuyển động trong điện trường và từ trường. Định luật lực Lorentz phát biểu rằng điện trường sẽ đẩy hạt đó theo cùng phương với trường còn từ trường sẽ đẩy nó theo phương vuông góc với từ trường và vận tốc của hạt. Định luật lực Lorentz thường được dùng để minh họa cách trong thuyết tương đối, ví dụ, một lực xuất hiện là thuần túy lực điện trước một nhà quan sát sẽ xuất hiện vừa là lực điện vừa là lực từ trước một nhà quan sát đang chuyển động ở một tốc độ khác.
Nhưng Mansuripur đã tưởng tượng ra một ví dụ trong đó định luật lực Lorentx dường như dẫn tới một mâu thuẫn lô gic. Xét một điện tích điểm nằm cách một nam châm nhỏ xíu một khoảng cách cố định (xem hình). Nam châm không tích điện, nên nó không chịu tác dụng lực từ phía điện trường của điện tích. Tương tự, điện tích chưa bị từ hóa đó không tương tác với từ trường của nam châm. Vì thế không có gì xảy ra.
Mặc dù nam châm chịu một moment lực trong một hệ quy chiếu nhưng không có moment lực trong hệ quy chiếu kia, nó không quay trong hệ quy chiếu nào hết, vì moment lực chỉ cung cấp xung lượng góc “ẩn” của nam châm. Ảnh: Preston Huey/Science/AAAS
Giờ hãy tưởng tượng mọi thứ trông ra sao từ một “hệ quy chiếu đang chuyển động” trong đó điện tích và nam châm đều lướt qua nhau ở một vận tốc không đổi. Nhờ những hiệu ứng kì lạ của thuyết tương đối, nam châm dường như có thừa điện tích dương ở một bên và thừa điện tích âm ở phía bên kia. Cho nên điện tích điểm sẽ hút một bên của nam châm và đẩy bên kia, tạo ra một moment quay – đó là cái Mansuripur khẳng định.
Chi tiết cụ thể như thế này. Cái nam châm có thể xem là một vòng dây nhỏ xíu trong đó các electron tích điện âm chạy qua những ion dương đứng yên. Trong hệ quy chiếu trong đó cái vòng dây là tĩnh, thì các electron và ion cách đều nhau và cái vòng dường như không tích điện. Nhưng trong hệ quy chiếu đang chuyển động, các electron ở một bên của vòng dây chuyển động nhanh hơn các electron ở phía bên kia đối với người quan sát. Cho nên nhờ “sự co Lorentz” kì lạ của thuyết tương đối, các electron ở một bên dường như ở gần sát nhau hơn và các electron ở phía bên kia thì ở xa nhau hơn, tạo ra sự mất cân bằng điện tích.
Tuy nhiên, theo thuyết tương đối, Mansuripur lưu ý rằng cái nam châm không thể quay trong hệ quy chiếu này hoặc hệ quy chiếu kia nên những kết quả đó là nghịch lí. Để tránh vấn đề đó, ông chủ trương thay thế định luật Lorentz bằng một định luật xét lực từ không giống như vậy.
Nhưng theo bốn nhà vật lí bình luận trên PRL, Mansuripur đã quên mất cái gì đó rồi. Nhờ sự kì lạ của thuyết tương đối hẹp, cái nam châm còn có một “moment động lượng ẩn” lạ lùng trong hệ quy chiếu chuyển động tăng lên đều. Theo định nghĩa, moment lực bằng với độ biến thiên moment động lượng. Cho nên, thay vì làm quay cái nam châm, moment lực trong hệ quy chiếu chuyển động chỉ làm tăng moment động lượng ẩn mà thôi. Vấn đề thế là xong.
Đây là cách moment động lượng có mặt trong bài toán. Nếu ta xem cái nam châm là một dòng điện vòng, thì ở một bên của vòng điện trường từ điện tích điểm đẩy các electron theo chiều chuyển động của chúng và làm tăng năng lượng của chúng. Ở phía bên kia của vòng, điện trưởng cản trở chuyển động của các electron và làm giảm năng lượng của chúng. Cho nên có một dòng năng lượng toàn phần từ bên này đổ sang bên kia của vòng. Nhờ phương trình Einstein E = mc2, dòng năng lượng đó tương đương với sự chuyển động của khối lượng, cái bản thân nó tương đương với động lượng. Cho nên, dòng năng lượng cấp cho nam châm một động lượng ẩn hướng sang bên, mặc dù nó không chuyển động hướng sang bên.
Trong hệ quy chiếu chuyển động, động lượng ẩn này còn gây ra một moment động lượng tăng dần. Để hình dung, hãy giả sử bạn quay một quả bóng buộc ở đầu một sợi dây phía trên đầu bạn. Tại một thời điểm bất kì, quả bóng có một động lượng hướng vuông góc với sợi dây và gây cho nó một moment động lượng hướng theo tay của bạn, và moment động lượng đó tăng khi bạn buông sợi dây ra. Tương tự như vậy trong hệ quy chiếu chuyển động, động lượng ẩn hướng sang bên của cái nam châm dẫn tới một sự tăng đều moment động lượng. Và để tăng moment động lượng đó tuyệt đối cần có moment lực mà Mansuripur đã nhận ra.
Mansuripur đang mắc kẹt với khẩu súng đã khơi ngòi của mình. Ông cho rằng động lượng ẩn, cái đã được nhận ra hồi thập niên 1960, là một khái niệm mập mờ được nêu ra để lấp liếm vấn đề. “Luôn luôn có vấn đề với động lượng ẩn,” Mansuripur nói. “Bạn biết rằng có cái gì đó còn thiếu, nên bạn thừa nhận sự tồn tại của nó.” Ông nói cách tiếp cận của ông loại bỏ nhu cầu viện dẫn động lượng ẩn.
Những người khác thì nói động lượng ẩn là một bộ phận của thuyết tương đối. “Nếu bạn có một hệ có chuyển động nội tại chịu một lực bên ngoài, thì động lượng ẩn là một tính chất chung,” phát biểu của Daniel Vanzella, một bình luận viên tại trường Đại học São Paulo ở São Carlos, Brazil. “Đó không phải là một khái niệm đặc biệt được đưa vào để né tránh vấn đề.” Vanzella còn lưu ý rằng về mặt toán học, định luật lực Lorentz có thể được viết dưới một dạng sẽ khớp với thuyết tương đối, cho nên đơn giản là nó không thể nào mâu thuẫn với thuyết tương đối.
Nguồn: ScienceNOW
