Tuyệt đối hay tương đối

Lời giới thiệu Tuyệt đối hay tương đối Chuyển động phải chăng là tương đối Thí nghiệm của Maikenson-Moocly Thuyết tương đối hẹp Phần I Thuyết tương đối hẹp Phần II Thuyết tương đối tổng quát Lực hấp dẫn và không gian - thời gian Nguyên lý Makhơ Câu chuyện cặp song sinh Mô hình vũ trụ Phần kết

Hai chàng thuỷ thủ là Jo và Mo, sau một tai nạn đâm tàu, đã dạt vào một hoang đảo. Nhiều năm trôi qua, một hôm Jo phát hiện ra một cái chai bị sóng đánh dạt vào bờ. Đó là cái vỏ chai còn đề nhãn bên dưới là "Coca - cola", Jo tái mặt đi.

- Này Mo - Anh ta kêu lên - Chúng ta đã bé đi biết bao nhiêu?

Từ câu nói vui đó có thể rút ra một bài học nghiêm túc, phán đoán về đối tượng bất kỳ không thể nào khác hơn là so sánh nó với kích thước của một đối tượng khác. Người Liliput xem người Gulivơ là khổng lồ. Đối với dân chúng vùng Bropdingơ thì người Gulivơ lại là loại chim chích. Vậy quả cầu là lớn hay nhỏ? Dường như nó là cực lớn so với nguyên tử, nhưng lại cực nhỏ so với trái đất.

Jun Andre Poangcare, nhà toán học nổi tiếng người Pháp thế kỷ XIX, trong khi tiên đoán nhiều luận điểm của thuyết tương đối đã đề cập vấn đề này như sau (các nhà khoa học gọi phương pháp của ông là phương pháp tiếp cận bằng tư duy thực nghiệm. Cũng tức là phép thực nghiệm suy tưởng nhưng không thực hiện được trên thực tế): Chúng ta cứ hình dung rằng, ông nói, vào ban đêm, khi chúng ta ngủ say, mọi thứ trong vũ trụ trở nên lớn gấp hàng ngàn lần trước đó. Ở đây, Poangcare muốn nói mọi thứ hiện hữu như điện tử, nguyên tử, độ dài sóng ánh sáng, bản thân chúng ta, cái giường ta nằm, căn nhà ta ở, trái đất, mặt trời và các vì sao. Bạn có thể sẽ nói rằng khi tỉnh giấc đã có điều gì đó xảy ra chăng? Có thể dẫn ra đây một thí nghiệm tưởng như chứng minh được rằng bạn đã thay đổi về kích thước?

- Không, Poangcare nói, một thí nghiệm như vậy là không thực hiện được. Thực vậy, vũ trụ dường như giống y hệt trước đó, thật là vô lý khi nói rằng vũ trụ đã trở nên lớn hơn. "Lớn hơn" điều đó có nghĩa là khác hơn đối với một vật khác. Trong trường hợp này không hề có vật nào khác cả. Cũng vô lý biết bao khi nói rằng toàn bộ vũ trụ đã co lại về kích thước.

Như vậy, kích thước là tương đối. Không có một phương pháp tuyệt đối xác định kích thước của một đối tượng nào đó và không thể nói rằng nó có một kích thước nào đó, hay một kích thước tuyệt đối nào đó. Có thể xác định kích thước bằng cách sử dụng những thước đo khác, ví như, thước đo độ dài hoặc thước mét. Nhưng thước mét có độ dài là bao nhiêu? Trước ngày 1 tháng giêng năm 1962, đơn vị mét được xác định là độ dài của một thanh platin xác định, được bảo quản ở nhiệt độ không đổi trong hầm ngầm Sevrơ thuộc nước Pháp. Từ ngày 1 tháng giêng năm 1962, tiêu chuẩn mới của mét là 1650763,73 độ dài của sóng ánh sáng màu da cam, kiểu xác định phát ra trong chân không bởi nguyên tử Kripton - 86. Tất nhiên, nếu hết thảy trong vũ trụ, kể cả độ dài sóng bức xạ đó tăng hoặc giảm theo một tỷ lệ nhất định, thì không một phương pháp thực nghiệm nào có thể nhận ra sự thay đổi đó.

Điều đó cũng đúng cả về mặt thời gian. Cần "nhiều" hay "ít" thời gian để trái đất quay một vòng quanh mặt trời? Đối với một em bé, thời gian từ năm mới này sang năm mới khác dường như là vô tận. Còn đối với nhà địa chất quen tính toán thời gian hàng triệu năm thì một năm chỉ giống như một nháy mắt. Khoảng thời gian cũng tính như khoảng cách không thể đo bằng cách nào khác hơn là so sánh nó với một khoảng thời gian khác. Một năm được xác định bằng thời gian trái đất quay xung quanh mặt trời, ngày là thời gian cần thiết để trái đất quay một vòng quanh trục của nó. Giờ là thời gian chiếc kim lớn của đồng hồ quay được một vòng. Luôn có một khoảng thời gian được đo bằng cách so sánh nó với khoảng thời gian khác.

G. Well có viết một truyện khoa học viễn tưởng nổi tiếng có nhan đề là Máy gia tốc mới, trong đó có thể rút ra chỉ một bài học từ một câu nói đùa về hai chàng thuỷ thủ, song bài học không đụng chạm đến không gian, mà là đến thời gian. Một nhà bác học phát minh ra phương pháp tăng tốc mọi quá trình diễn ra trong cơ thể mình. Trái tim anh ta đập nhanh hơn. Bạn thử đoán xem chuyện gì sẽ xảy ra. Mọi thứ trên thế gian đối với anh ta dường như bị chậm lại đến kinh khủng, nếu không nói là dừng lại hoàn toàn. Nhà bác học ra đi dạo và bước thủng thẳng sao cho không khí bị cọ sát không làm cho bốc cháy chiếc quần đang mặc của anh ta. Phố xá chật cứng những người tượng. Đàn ông bị đông cứng vào thời điểm anh ta đảo mắt nhìn hai cô gái đi qua. Trong công viên một dàn nhạc đang chơi phát ra một thứ âm thanh chát chúa. Con ong vo vo trong không trung trong khi di chuyển với tốc độ của loài sên.

Chúng ta dẫn ra đây một thí nghiệm tưởng tượng. Giả sử rằng trong một thời điểm nhất định, mọi vật trong vũ trụ bắt đầu chuyển động chậm hơn hoặc nhanh hơn, hoặc giả hoàn toàn dừng lại một vài triệu năm, sau đó lại chuyển động trở lại, liệu ta có thể nhận thấy những thay đổi đó không? Không thể có một thí nghiệm nào để nhận chân điều ấy. Thời gian, tương tự như khoảng cách trong không gian là tương đối.

Nhiều khái niệm khác mà ta biết từ cuộc sống hàng ngày đều là tương đối. Chúng ta thử xem xét các khái niệm "lên trên" và "xuống dưới". Nhiều thế kỷ qua loài người đã không dễ dàng hiểu được rằng con người ở phía bên kia của trái đất lại lộn xuống mà toàn bộ máu không bị đổ dồn lên đầu. Bây giờ thì cả trẻ em nhờ đó mà lần đầu tiên hiểu ra rằng trái đất có hình tròn.

Giá như trái đất làm bằng kính trong suốt và bạn có thể nhìn qua kính viễn vọng xuyên suốt, thì hẳn bạn đã nhìn thấy trên thực tế những con người đứng lộn đầu xuống chân chổng ngược lên, tức là trái với chiều đứng của bạn. Trên mặt đất hướng "lên trên" là hướng tính từ tâm của trái đất. Hướng "xuống dưới" là hướng về tâm của trái đất. Trong khoảng không giữa các vì sao tuyệt đối không có khái niệm trên và dưới vì ở đó không có hành tinh để có thể sử dụng "hệ thống đọc số".

Ta hãy hình dung một con tàu vũ trụ dưới dạng một cái trống lớn đang chuyển động trong hệ mặt trời. Nó bị quay tạo ra lực ly tâm làm thành trường trong lúc nhân tạo. Khi ở bên trong con tàu, các nhà du hành vũ trụ có thể đi lại trên thành trong như đi trên nền nhà. Đối với họ "xuống dưới" cũng tức là từ phía tâm con tàu, còn "lên trên" tức là hướng về phía tâm, cũng tức là ngược hẳn với vị trí trên hành tinh đang quay.

Như vậy, các bạn sẽ thấy rằng trong vũ trụ không hề có "phía trên" và "phía dưới" một cách tuyệt đối. Lên trên và xuống dưới chỉ là phương hướng đối với hướng hoạt động của trọng trường. Thật là vô nghĩa khi nói rằng lúc bạn ngủ toàn bộ vũ trụ lộn đầu đuôi, bởi vì làm gì có hệ thống đọc số nào để lý giải vấn đề vũ trụ có vị trí như thế nào.

Một kiểu thay đổi khác cũng có ý nghĩa tương đối, đó là sự thay đổi của đối tượng khi phản chiếu trong gương. Nếu như chữ R hoa in ngược lại ta sẽ được chữ Я, bạn có thể nhận ngay ra rằng đó là chữ phản chiếu trong gương của chữ R. Nhưng nếu toàn bộ vũ trụ (kể cả bạn) bất ngờ được phản chiếu qua gương thì bạn có cơ hội phát hiện những thay đổi tương tự.

Tất nhiên, nếu như chỉ có một người được phản chiếu qua gương (về điều này ) G. Well cũng đã viết một truyện có nhan đề Truyện về Pletttner, còn vũ trụ lại vẫn nguyên như cũ, tức là tưởng như mọi thứ đều đảo lộn. Muốn đọc sách anh ta cần phải đưa nó gần gương, giống như chàng Alice ở trong gương ranh mãnh đọc các chữ in ở trong gương thi phẩm Jabberwocky, trong khi vẫn giữ thi phẩm đó trước gương vậy. Nhưng nếu như tất cả đều đảo lộn thì không một thực nghiệm nào phát hiện sự thay đổi đó. Cũng thật phi lý mà nói rằng có sự biến đổi tương tự xảy ra, giống như khi nói rằng vũ trụ đã đảo lộn và tăng lên gấp đôi về kích thước.

Vậy thì chuyển động có tuyệt đối không? Có loại công cụ nào khả dĩ chứng minh được rằng đối tượng đang chuyển động hay đứng yên? Chuyển động vẫn còn là một phạm trù tương đối, khẳng định về nó chỉ có thể đem so sánh vị trí của một đối tượng này với vị trí của một đối tượng khác? Hoặc giả chuyển động hàm chứa một sự độc đáo nào đó khiến nó khác với các phạm trù liên quan được xem xét ở trên?

Bạn hãy dừng lại và suy nghĩ thêm về vấn đề này chính xác trước khi chuyển sang chương tiếp theo.

Chính là đáp ứng những vấn đề như vậy mà Anhxtanh đã phát triển thuyết tương đối của mình. Thuyết của ông mang tính cách mạng, trái ngược với "tư duy lành mạnh" khiến cho thậm chí đến tận lúc này có hàng trăm nhà khoa học (kể cả các nhà vật lý) vẫn gặp những khó khăn để hiểu những nguyên lý cơ bản của nó giống hệt như trẻ em khi muốn được lý giải tại sao những người ở nam ban cầu không rơi khỏi trái đất.

Nếu như bạn còn trẻ thì đó là lợi thế lớn so với các nhà khoa học này. Trong đầu óc của bạn vẫn còn chưa ăn sâu những tư duy kiểu đường mòn. Nhưng dù tuổi tác bạn như thế nào chăng nữa, nếu như bạn sẵn sàng rèn luyện trí lực của mình thì sẽ không còn lý do nào ngăn cản bạn có được cảm xúc như ở nhà trong thế giới mới mẻ kỳ lạ này của thuyết tương đối.