Vì sao E = mc2? - Phần 15 | Thư Viện Vật Lý

Trước khi thảo luận một thí nghiệm dàn xếp lập luận trên, ta hãy tạm dừng một chút để phản hồi kết quả mà ta vừa phân tích được. Một lần nữa hãy nhìn vào thí nghiệm tưởng tượng trên từ góc nhìn của một hành khách ngồi bên cạnh đồng hồ trên tàu. Đối với người hành khách, đồng hồ đó không chuyển động và ánh sáng chỉ đơn giản phản xạ lên xuống, giống hệt như trường hợp xảy ra với một người ngồi bên cạnh chiếc đồng hồ giống như vậy trong một quán cà phê trong nhà ga. Hành khách phải thấy cái đồng hồ gõ tíc mỗi 6,67 nano giây và 150 triệu lần trong mỗi nhịp tim, bởi vì cô ta hoàn toàn đúng trong việc quả quyết rằng đồng hồ không hề chuyển động so với cô ta, theo tinh thần Galileo. Trong khi đó, người ở trên sân ga nói rằng đồng hồ trên tàu mất hơn 6,67 nano giây để thực hiện một tiếng tíc. Sau 150 triệu tiếng tíc của đồng hồ đang chuyển động, tim của anh ta, do đó, sẽ đập nhiều hơn một nhịp một chút. Đây là cái bất ngờ: Theo người ở trên sân ga, anh ta đang già đi nhanh hơn người hành khách đang ngồi trên tàu.

Như ta vừa thấy, hiệu ứng trên là hết sức nhỏ đối với các đoàn tàu thực tế, tuy nhiên nó là có thật. Trong một thế giới tưởng tượng trong đó đoàn tàu lao vút đi trên một đường ray rất dài ở gần tốc độ ánh sáng, hiệu ứng trên được khuếch đại và sẽ không có nghi ngờ gì về nó nữa: Người ở trên sân ga sẽ già đi nhanh hơn xét từ góc nhìn của anh ta.

Trong các thí nghiệm thực tế, nếu ta muốn kiểm tra đột phá này trong thời gian tuyệt đối, thì ta cần tìm một cách nghiên cứu các vật có thể chuyển động gần tốc độ ánh sáng, chỉ khi đó thì hệ số giãn nở thời gian γ mới lớn hơn 1 một lượng có thể đo được. Trên lí tưởng, ta còn muốn nghiên cứu một vật có một tuổi thọ, nghĩa là nó có chết. Khi đó ta có thể xét xem liệu ta có thể kéo dài tuổi thọ của vật bằng cách làm cho nó chuyển động nhanh hay không.

May mắn thay cho các nhà khoa học, những vật như thế thật sự có tồn tại; thật vậy, chính các nhà khoa học đã xây dựng chúng. Các hạt sơ cấp là những vật hạ nguyên tử nhỏ xíu có ưu điểm là nhỏ bé nên dễ dàng được gia tốc lên những tốc độ rất cao. Chúng được xem là sơ cấp bởi vì, trong chừng mực mà công nghệ hiện nay của ta có thể cho biết, chúng là những viên gạch cấu trúc nhỏ nhất của vạn vật trong vũ trụ. Ta sẽ có nhiều điều để nói hơn về các hạt sơ cấp ở phần sau tập sách. Lúc này, chúng tôi chỉ muốn mô tả hai hạt: electron và muon.

Electron là một hạt mà toàn bộ chúng ta đều mang nợ, bởi vì chúng ta được cấu tạo bởi chúng. Nó còn là hạt chạy trong dây điện thắp sáng bóng đèn của chúng ta và làm nóng lò vi sóng của chúng ta; electron là hạt dẫn của dòng điện. Muon giống hệt electron ở mỗi đặc điểm, ngoại trừ là nó nặng hơn. Tại sao tự nhiên lại chọn cho chúng ta một bản sao của electron trông có vẻ dư thừa nếu như toàn bộ những gì bạn muốn làm là xây dựng các hành tinh và con người, đó không phải là cái các nhà vật lí thật sự hiểu nỗi. Cho dù lí do cho sự tồn tại của muon là gì, thì nó thật sự rất có ích đối với các nhà khoa học muốn kiểm tra thuyết tương đối của Einstein bởi vì nó có một thời gian sống ngắn và nó rất nhỏ và dễ gia tốc lên những tốc độ rất cao. Trong chừng mực chúng ta có thể nói, các electron sống mãi mãi, trong khi một muon đặt nằm yên bên cạnh bạn sẽ sống trong chừng 2,2 micro giây (một micro giây là một phần triệu của một giây). Khi một muon chết đi, nó hầu như luôn luôn biến thành một electron và một cặp hạt hạ nguyên tử khác gọi là neutrino, nhưng đó là thông tin bổ sung mà ta không cần đến. Toàn bộ cái chúng ta cần ở đây là hạt muon thật sự chết. Thiết bị Synchrotron Gradient Xoay chiều (AGS) tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven ở Long Island, New York, mang lại một phép thử rất đẹp của lí thuyết Einstein. Hồi cuối thập niên 1990, các nhà khoa học tại Brookhaven đã chế tạo một cỗ máy sản xuất các chùm muon quay tròn xung quanh một vòng đai đường kính 14 mét ở tốc độ 99,94% tốc độ ánh sáng. Nếu các muon chỉ sống 2,2 micro giây khi chúng tăng tốc trong vòng đai, thì chúng chỉ chạy được 15 vòng trước khi chúng chết.* Trên thực tế, chúng chạy được hơn 400 vòng, nghĩa là tuổi thọ của chúng đã kéo dài thêm 29 lần lên xấp xỉ 60 micro giây. Đây là một thực tế thực nghiệm. Einstein có vẻ như ở trên hướng đi đúng, nhưng ông đúng chính xác đến mức nào?

* Bạn có thể tự mình kiểm tra một khi bạn biết chu vi của một vòng tròn bằng pi nhân với đường kính, trong đó pi xấp xỉ bằng 3,142.