Chuyển động phải chăng là 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

Sau ít phút suy nghĩ, hẳn bạn sẽ nghiêng về câu trả lời: "Vâng, tất nhiên". Bạn hãy hình dung một tàu hoả chuyển động lên phía bắc với vận tốc 60 km/giờ. Một người trong con tàu đi ngược lên phía nam với vận tốc 3km/giờ. Anh ta đang chuyển động theo hướng nào và vận tốc là bao nhiêu. Hoàn toàn rõ ràng là không thể trả lời câu hỏi này mà không chỉ ra hệ thống tính toán. So với con tàu anh ta chuyển động về phía nam với vận tốc 3 km/giờ. So với trái đất, anh ta chuyển động về phía bắc với vận tốc 60 trừ 3, tức 57km/giờ.

Có thể nói rằng vận tốc của người so với trái đất (57 km/giờ) là vận tốc thực tuyệt đối được không? Không, bởi vì có cả những hệ thống khác có tỉ lệ còn lớn hơn. Bản thân trái đất đang chuyển động. Nó quay xung quanh trục của nó, đồng thời cũng chuyển động xung quanh mặt trời.

Mặt trời cùng các hành tinh khác chuyển động bên trong thiên hà. Thiên hà quay và chuyển động so với các thiên hà khác. Các thiên hà lại tạo thành các đoạn thiên hà chuyển động đối với nhau, không ai biết được các chuỗi chuyển động này trên thực tế có thể tiếp tục đến bao xa, không có một cách thức rõ ràng xác định chuyển động của một đối tượng nào đó; nói khác đi là không có một hệ thống đọc số cố định theo đó có thể đo được mọi chuyển động. Chuyển động và đứng yên, giống như lớn và nhỏ, nhanh và chậm, trên và dưới, trái và phải, như mọi người đã biết, đều là hoàn toàn tương đối. Không có cách nào đo chuyển động bất kì, ngoài việc so sánh chuyển động của nó với chuyển động của một đối tượng khác.

Thật là không đơn giản chút nào! Còn nếu như có thể giới hạn chỉ vào điều đã nói về tính tương đối của chuyển động thì hẳn đã không cần thiết để Anhxtanh sáng lập ra thuyết tương đối.

Nguyên do rắc rối như sau: có hai phương pháp rất đơn giản phát hiện chuyển động tuyệt đối. Một trong những phương pháp đó là sử dụng bản chất của ánh sáng, còn phương pháp khác là các hiện tượng khác nhau của quán tính xuất hiện khi thay đổi bởi đối tượng chuyển động của đường đạn hoặc vận tốc. Thuyết Tương đối hẹp của Anhxtanh có liên quan đến phương pháp đầu tiên, còn thuyết Tương đối tổng quát thì liên quan đến phương pháp thứ hai. Ở chương này và hai chương tiếp theo sẽ đề cập đến phương pháp đầu, ngõ hầu làm chìa khoá để hiểu về chuyển động tuyệt đối, tức là phương pháp vận dụng bản chất của ánh sáng.

Ở thế kỷ XIX, trước cả Anhxtanh, các nhà vật lý đã hình dung ra một không gian chứa đầy một loại chất đặc biệt, không chuyển động và không nhìn thấy, được gọi là ête. Thường người ta gọi nó là ête "mang ánh sáng", ngụ ý rằng nó là vật mang sóng ánh sáng. Ete chất đầy toàn bộ vũ trụ. Nó thẩm thấu vào toàn bộ các thực thể vật chất. Nếu như tất cả không khí đều lúc lắc dưới một quả chuông bằng kính đã bị chất đầy ête, làm sao mà ánh sáng có thể đi qua chân không được? Ánh sáng đó là chuyển động bằng sóng. Như vậy, hẳn là có sự xuất hiện các dao động đây. Bản thân ête cả khi tồn tại dao động hiếm khi (nếu không nói rằng không bao giờ) chuyển động so với các đối tượng vật chất, các vật càng chuyển động nhanh hơn qua nó tương tự như chuyển động của các dây bột trong nước. Chuyển động tuyệt đối của ngôi sao, của hành tinh hoặc của một đối tượng khác bất kỳ được đơn giản hoá (các nhà vật lý thời kỳ này tin tưởng như vậy), nếu chuyển động được xem xét với cả biển ête không chuyển động, không nhìn thấy được.

Nhưng, các bạn sẽ hỏi rằng, nếu như ête là một thực thể phi vật chất không thể nhìn thấy được, không thể nghe thấy được, cảm thấy, ngửi hoặc nếm được vị của nó, thì làm sao có thể nghiên cứu chuyển động, chẳng hạn, của trái đất so với nó? Câu trả lời thật đơn giản. Người ta có thể đo được nhờ so sánh chuyển động của trái đất với chuyển động của chùm ánh sáng.

Muốn hiểu điều đó, ta hãy xem xét thời gian đối với bản chất của ánh sáng. Trên thực tế, ánh sáng chỉ là phần nhỏ bé nhìn thấy được của phổ bức xạ điện từ mà thành phần của nó gồm có sóng vô tuyến, sóng cực ngắn, tia hồng ngoại, tia tử ngoại và các tia gamma. Trong cuốn sách này, chúng ta sử dụng từ "ánh sáng" để chỉ một kiểu bất kỳ của bức xạ điện từ, bởi vì từ đó ngắn hơn từ "bức xạ điện từ". ánh sáng là chuyển động mang tính sóng.

Suy nghĩ về sự chuyển động như vậy mà không suy nghĩ đồng thời về ête vật chất dường như đối với các nhà vật lý thời trước là thật phi lý, giống hệt như suy nghĩ về sóng trong nước mà không suy nghĩ về bản chất nước vậy.

Nếu như được bắn ra từ một máy bay phản lực đang chuyển động theo hướng chuyển động của máy bay, thì vận tốc của viên đạn đối với trái đất sẽ lớn hơn vận tốc của viên đạn bắn ra từ khẩu súng trường trên mặt đất, vận tốc của viên đạn đối với trái đất thu được bằng cách cộng vận tốc của máy bay và vận tốc của viên đạn. Trong trường hợp này, vận tốc của chùm sáng không phụ thuộc vào vật thể mà từ đó ánh sáng được phát ra - thực tế này đã được chứng minh bằng thực nghiệm vào cuối thế kỷ XIX và đầu thế kỷ XX và từ đó với nhiều lần được khẳng định. Lần kiểm tra cuối cùng được tiến hành vào năm 1955 bởi các nhà thiên văn Xô - Viết bằng cách sử dụng ánh sáng từ phía đối lập của mặt trời đang tự quay. Một rìa của Mặt Trời luôn chuyển động về phía chúng ta, còn rìa kia thì về phía đối lập. Đã tìm thấy rằng ánh sáng từ hai rìa đi tới trái đất với một vận tốc như nhau. Các thí nghiệm tương tự được tiến hành cả hàng chục năm trước với ánh sáng của các ngôi sao kép đang chuyển động. Mặc dù có sự chuyển động của nguồn sáng, vận tốc ánh sáng trong khoảng trống luôn như nhau, khoảng 300.000 km/giây.

Thử xem bằng cách nào mà sự kiện này tạo ra phương pháp cho nhà khoa học (chúng ta sẽ gọi họ là nhà quan sát) tính được vận tốc tuyệt đối. Nếu ánh sáng truyền bá qua môi trường ête không chuyển động, không thay đổi với một vận tốc nhất định và nếu vận tốc đó không phụ thuộc vào vận tốc chuyển động của nguồn sáng, thì vận tốc ánh sáng có thể dùng làm tiêu chuẩn để xác định chuyển động tuyệt đối của người quan sát.

Người quan trắc chuyển dịch cùng hướng với chùm sáng hẳn đã phát hiện ra rằng, chùm sáng đi qua anh ta với vận tốc nhỏ hơn c: người quan trắc đang chuyển dịch ngược với chùm sáng hẳn phải nhận thấy rằng chùm sáng đến gần anh ta với vận tốc lớn hơn c. Nói khác đi, kết quả đo vận tốc ánh sáng hẳn phải thay đổi tuỳ thuộc vào sự chuyển dịch của người quan trắc so với chùm sáng. Những thay đổi này hẳn đã phản ánh sự chuyển dịch tuyệt đối thực sự thông qua môi trường ête.

Khi mô tả hiện tượng này, các nhà vật lý thường sử dụng khái niệm "ngọn gió ête". Để hiểu nội dung của thuật ngữ này, ta hãy nghiên cứu lại con tàu đang chuyển động. Chúng ta thấy rằng vận tốc của người đi trên con tàu là 3km/giờ luôn luôn là như nhau so với con tàu và không phụ thuộc vào việc anh ta đi về phía đầu máy hay về phía cuối con tàu. Điều đó sẽ đúng cả đối với vận tốc của sóng âm thanh bên trong toa tàu đóng kín. Âm thanh là chuyển động mang tính sóng được chuyển tải bởi các phần tử không khí. Bởi vì không khí có bên trong toa tàu, âm thanh ở bên trong toa sẽ truyền bá lên phía bắc cùng với vận tốc (so với toa tàu) như về phía nam.

Tình hình sẽ thay đổi nếu như chúng ta chuyển từ một toa hành khách khép kín sang một sân ga ngoài trời. Không khí trong toa ít bị giam hãm hơn. Nếu như con tàu chuyển động với vận tốc 60km/giờ, do sức cản của gió, vận tốc của âm thanh theo hướng từ cuối đến đầu toa sẽ nhỏ hơn bình thường. Vận tốc của âm thanh theo hướng ngược lại sẽ lớn hơn bình thường.

Các nhà vật lý của thế kỷ XIX đã tin rằng, môi trường ête cũng giống như không khí đang thổi trên sân ga. Vậy có gì khác đi không? Nếu ête không chuyển động thì bất kỳ một vật thể nào chuyển dịch trong đó đều bắt gặp ngọn gió ête thổi theo hướng ngược lại. Ánh sáng là chuyển động mang tính sóng trong môi trường ête không chuyển động. Ngọn gió ête, đương nhiên có ảnh hưởng đến vận tốc ánh sáng đo được từ một vật thể chuyển động.

Trái đất tồn tại trong không gian bằng cách quay xung quanh mặt trời với vận tốc khoảng 30km/giây. Chuyển động này theo các nhà vật lý, phải tạo ra ngọn gió ête thổi ngược chiều với trái đất trong khoảng trống giữa các nguyên tử với vận tốc 30km/giây. Muốn đo chuyển động tuyệt đối của trái đất (chuyển động đối với môi trường ête không di động), chỉ cần đo vận tốc, mà với vận tốc đó, ánh sáng đi qua một khoảng cách nhất định nào đó trên bề mặt trái đất. Nhờ ngọn gió ête, ánh sáng sẽ chuyển động nhanh hơn theo hướng này so với hướng khác. So sánh vận tốc của ánh sáng phát ra theo các hướng khác nhau là có thể tính toán được hướng tuyệt đối với vận tốc chuyển động của trái đất tại một thời điểm đã biết bất kỳ. Thí nghiệm này được đề xuất lần đầu tiên vào năm 1875, 4 năm trước khi Anhxtanh ra đời, bởi nhà vật lý vĩ đại người Scotland tên là J. C Macxoen.