Vì sao E = mc2? - Phần 5 | Thư Viện Vật Lý

Quan điểm chuyển dịch liên tục này của vị trí của Trái đất, các hành tinh và chuyển động của chúng trên bầu trời sẽ là bài học cho những ai bị thuyết phục tuyệt đối rằng họ đã biết rõ cái gì đó. Có nhiều cái về vũ trụ thoạt trông tự thân là đúng, và một trong số đó là chúng ta đang đứng yên. Các quan sát trong tương lai luôn luôn có thể khiến chúng ta bất ngờ, và chúng thường như vậy. Có lẽ chúng ta không nên quá bất ngờ rằng tự nhiên thỉnh thoảng có vẻ phản trực giác trước đám hậu duệ loài linh trưởng gốc carbon hiếu kì đang sinh sôi trên bề mặt của thế giới đất đá quay xung quanh một ngôi sao trung niên, chẳng có gì nổi bật, tại rìa ngoài của thiên hà Ngân hà. Các lí thuyết không gian và thời gian mà chúng ta thảo luận trong quyển sách này có thể - thật sự có thể sẽ - là những gần đúng cho một lí thuyết sâu sắc hơn cho đến nay chưa được khám phá. Khoa học là một ngành tôn vinh sự bất định, và việc công nhận điều này là chìa khóa dẫn đến thành công của nó.

Galileo Galilei chào đời muộn hai mươi năm sau khi Copernicus đề xuất mô hình vũ trụ nhật tâm của ông, và ông đã nghĩ rất sâu sắc về ý nghĩa của chuyển động. Trực giác của ông có lẽ cũng giống như của chúng ta: Chúng ta cảm thấy Trái đất như vẫn đứng yên, mặc dù bằng chứng từ chuyển động của các hành tinh trên bầu trời cho thấy rất rõ rằng thực tế không phải như vậy. Cái vĩ đại của Galileo là nêu ra được một kết luận nổi bật từ cái có vẻ như nghịch lí này. Có cảm giác như là chúng ta vẫn đứng yên, mặc dù chúng ta biết chúng ta đang chuyển động trên quỹ đạo xung quanh Mặt trời, bởi vì không có cách nào, cho dù là trên nguyên tắc, xác định rõ cái gì đang đứng yên và cái gì đang chuyển động. Nói cách khác, chỉ khi nói chuyển động của vật này so với vật khác thì mới có ý nghĩa. Đây là một khái niệm hết sức quan trọng. Hiểu theo một nghĩa nào đó thì nó có vẻ hiển nhiên, nhưng để hiểu rõ nội hàm của nó đòi hỏi một chút tư duy. Nó có vẻ hiển nhiên bởi vì, rõ ràng, khi bạn ngồi trên máy bay cùng với quyển sách của bạn, quyển sách không hề chuyển động so với bạn. Khi bạn đặt quyển sách lên trên bàn phía trước bạn, nó vẫn cách bạn một khoảng cách cố định. Và tất nhiên, từ điểm nhìn của ai đó ở trên mặt đất, thì quyển sách chuyển động trong không khí cùng với chiếc máy bay. Nội hàm thật sự của quan điểm Galileo là những phát biểu này là những phát biểu duy nhất có thể được nêu ra. Và nếu như tất cả những gì bạn có thể làm là nói quyển sách chuyển động như thế nào so với bạn khi bạn ngồi tại chỗ ngồi trên máy bay của bạn, hoặc so với mặt đất, hoặc so với Mặt trời, hoặc so với Dải Ngân hà, nhưng luôn luôn so với cái gì đó, thì chuyển động tuyệt đối là một khái niệm dư thừa.

Phát biểu khá kích thích này nhìn có nét na ná như lời tiên tri của các nhà thiền học. Tuy nhiên, trong trường hợp này, hóa ra đó là một nhận thức vĩ đại; Galileo xứng đáng được tôn vinh. Để thấy tại sao, ví dụ chúng ta muốn xác lập mạng lưới Aristotle, cái cho phép chúng ta đáng giá cái gì đó có đang chuyển động tuyệt đối hay không, là hữu ích hay không từ một góc nhìn khoa học. Hữu ích theo nghĩa khoa học có nghĩa là quan niệm đó có những hệ quả có thể quan sát được. Điều đó có nghĩa là nó có một loại tác động nào đó có thể được phát hiện bằng cách tiến hành một thí nghiệm. “Thí nghiệm” có nghĩa là bất kì phép đo nào của cái gì đó; sự đu đưa của một con lắc, màu sắc của ánh sáng phát ra bởi một ngọn lửa nến đang cháy, hay sự va chạm của các hạt dưới nguyên tử trong Máy Va chạm Hadron Lớn tại CERN (chúng ta sẽ trở lại thí nghiệm này ở phần sau). Nếu một quan niệm không có những hệ quả có thể quan sát được, thì quan niệm đó là không cần thiết để tìm hiểu sự vận hành của vũ trụ, mặc dù nó có một giá trị hão huyền nào đó ở chỗ khiến chúng ta cảm thấy tốt hơn.

Đây là một cách rất hữu hiệu để phân loại vàng thau trong một thế giới đầy rẫy những quan niệm và quan điểm muôn màu muôn vẻ. Trong ví dụ tương tự bình trà Trung Hoa của ông, nhà triết học Bertrand Russell minh họa sự phù phiếm của việc duy trì những khái niệm không có những hệ quả quan sát được. Russell thừa nhận rằng ông tin có một cái bình trà Trung Hoa nhỏ đang quay giữa Trái đất và sao Hỏa, nó quá nhỏ để có nhìn thấy bởi đa số các kính thiên văn cỡ lớn hiện nay. Nếu một chiếc kính thiên văn lớn hơn nữa được xây dựng và, sau khi đã khảo sát tỉ mỉ và tiêu tốn thời gian của toàn bộ bầu trời, tìm chẳng thấy bằng chứng nào của cái bình trà, thì Russell khẳng định rằng cái bình trà hơi nhỏ hơn trông đợi một chút nhưng nó vẫn có ở đó. Đây thường được gọi là “thay đổi điều kiện”. Mặc dù cái bình trà chưa từng được quan sát thấy, nhưng theo Russell nó là một “giả định không thể chối cãi” trong hành trình mà nhân loại phát triển nghi ngờ sự tồn tại của mình. Thật vậy, phần còn lại của nhân loại sẽ tôn trọng giả định của ông, cho dù nó có trông lố bịch như thế nào chăng nữa. Quan điểm của Russell không phải là thừa nhận ông có quyền không đơn độc trước những ảo giác cá nhân của ông, mà là việc nghĩ ra một lí thuyết không thể được chứng minh hoặc bác bỏ bởi các quan sát là vô nghĩa ở chỗ nó không dạy cho bạn điều gì, cho dù bạn có tin tưởng vào nó bao nhiêu đi chăng. Bạn có thể phát minh ra bất kì vật gì hay bất kì khái niệm gì mà bạn thích, nhưng nếu không có cách quan sát nó hoặc những hệ quả của nó, thì bạn chẳng có đóng góp gì cho sự nhận thức khoa học của vũ trụ. Tương tự, khái niệm chuyển động tuyệt đối sẽ có ý nghĩa gì đó trong một ngữ cảnh khoa học chỉ khi nào chúng ta có thể nghĩ ra một thí nghiệm để phát hiện nó. Ví dụ, chúng ta có thể bố trí một phòng thí nghiệm vật lí trên máy bay và tiến hành những phép đo chính xác cao về những hiện tượng vật lí có thể nhận thức được, trong một nỗ lực dũng cảm nhằm phát hiện ra sự chuyển động của chúng ta. Chúng ta có thể lắc một quả lắc và đo thời gian nó tích tắc, chúng ta có thể tiến hành các thí nghiệm điện với pin, máy phát điện, và động cơ điện, hay chúng ta có thể quan sát các phản ứng hạt nhân xảy ra và tiến hành các phép đo trên những bức xạ được phát ra. Trên nguyên tắc, với một chiếc máy bay đủ lớn, chúng ta có thể tiến hành mỗi thí nghiệm và vô số thí nghiệm đã từng được thực hiện trong lịch sử nhân loại. Điểm mấu chốt trụ đỡ cho toàn bộ quyển sách này, và là một trong những trụ cột của vật lí hiện đại là, biết rằng chiếc máy bay không đang tăng tốc hoặc giảm tốc, không có thí nghiệm nào trong số này sẽ làm rõ được chúng ta có chuyển động hay không. Cho dù có nhìn ra ngoài cửa sổ cũng không cho bạn biết điều này, bởi vì mặt đất đang bay bên dưới chúng ta ở tốc độ sáu trăm dặm trên giờ và chúng ta vẫn đang đứng yên tại chỗ. Cái tốt nhất chúng ta có thể làm là nói “chúng ta đang đứng yên tương đối so với máy bay”, hoặc “chúng ta đang chuyển động tương đối so với mặt đất”. Đây là nguyên lí tương đối Galileo; không có cái đại loại là chuyển động tuyệt đối, bởi vì nó không thể được phát hiện ra bằng thực nghiệm. Có lẽ đây không phải là cái gì gây sốc lắm, bởi vì chúng ta thật sự đã biết như thế ở một mức độ trực giác. Một ví dụ hay là kinh nghiệm ngồi trong một toa tàu đứng yên khi đoàn tàu ở đường ray kế bên đang từ từ lùi ra khỏi nhà ga; trong tích tắc nào đó chúng ta có cảm giác như chính chúng ta mới là bên chuyển động. Chúng ta thấy khó phát hiện ra chuyển động tuyệt đối bởi vì không có cái gì như thế cả.