Thí nghiệm của Maikenson-Moocly

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

Năm 1881, Anbe Abraham Maikenxơn, lúc đó là một sĩ quan trẻ của hải quân Hoa Kỳ, đã đích thân làm cuộc thí nghiệm này. Maikenxơn sinh ở Đức, bố mẹ ông là người Balan. Cha ông di cư sang Mỹ khi Maikenxơn mới được hai tuổi.

Sau khi tốt nghiệp học việc hải quân ở Anapolixơ và phục vụ hai năm trong quân ngũ, Maikenxơn bắt đầu dạy vật lý và hoá học tại học viện này. Sau khi nghỉ phép dài, ông sang châu Âu du học. Tại trường Đại học Berlin, trong phòng thí nghiệm của nhà vật lý học người Đức nổi tiếng German Hemhônxơ, chàng thanh niên trẻ lần đầu tiên có ý định khám phá ngọn gió ête. Điều ngạc nhiên lớn đối với ông là không dựa vào một phương hướng của địa bàn, ông đã phát hiện ra sự khác biệt trong tốc độ khứ hồi của ánh sáng. Điều đó cũng giống như con cá phát hiện rằng nó có thể bơi theo một hướng bất kì trong biển mà không kịp nhận ra chuyển động của nước đối với cơ thể của nó, cũng giống như người phi công bay với cái lồng cabin mở của máy bay mà không nhận ra ngọn gió thổi táp vào mặt.

Nhà vật lý học người Áo nổi tiếng Ernest Makhơ (chúng ta sẽ có dịp nói về ông ở chương 7) khi đó đã có sự phê phán đối với quan niệm về chuyển động tuyệt đối qua môi trường ête.

Sau khi đọc bản báo cáo được công bố của Maikenxơn về thí nghiệm, ông đã kết luận ngay rằng cần phải loại bỏ quan niệm về môi trường ête. Song đa số các nhà vật lý đã từ chối đi một bước táo bạo như vậy. Dụng cụ của Maikenxơn khá thô sơ, chỉ đủ để có cơ sở cho rằng, cuộc thí nghiệm nếu có được những máy móc nhạy bén hơn chắc chắn sẽ cho kết quả khả quan. Bản thân Maikenxơn cũng nghĩ như vậy. Không thấy được sai lầm trong thí nghiệm của mình, ông đã cố gắng lập lại cuộc thí nghiệm.

Maikenxơn đã chối bỏ phục vụ trong hải quân và trở thành giáo sư tại trường khoa học thực nghiệm Câyxơ (bây giờ là đại học Câyxơ) ở Clipland, bang Ohio. Gần đó, tại trường Đại học miền Tây, Moocly dạy môn hoá học. Hai ông trở thành đôi bạn tốt của nhau. "Bên ngoài - Becna Jaffe đã viết trong cuốn sách Maikenxơn và tốc độ ánh sáng - hai nhà bác học này là hình mẫu tương phản. Maikenxơn điển trai, rực rỡ, luôn luôn mày râu nhẵn nhụi. Moocly của đáng tội, cẩu thả trong ăn mặc và điển hình là một giáo sư đãng trí, đầu tóc bù xù khó coi".

Năm 1887, trong căn hầm của phòng thí nghiệm Moocly, hai nhà bác học đã tiến hành cuộc thí nghiệm thứ hai chuẩn xác hơn để tìm ra ngọn gió ête chưa bị nắm bắt. Thí nghiệm của họ nổi tiếng với tên gọi là thí nghiệm Maikenxơn - Moocly, một bước ngoặt vĩ đại của vật lý học hiện đại.

Máy móc được đặt trên một phiến đá hình vuông có cạnh gần một mét rưỡi và bề dày hơn 30 cm. Phiến đá này đặt trôi nổi trong nước thuỷ ngân để loại trừ hiện tượng rung và giữ thăng bằng ngõ hầu cho phép dễ dàng quay nó xung quanh trung tâm. Một hệ thống gương hướng chùm sáng theo hướng nhất định, tấm gương phản xạ chùm sáng tới và lui theo hướng sao cho chùm sáng tạo thành tấm gương gấp khúc. (Điều này nhằm mục đích kéo dài tối đa đoạn đường đồng thời giữ cho kích thước của dụng cụ vừa đủ để nó có thể quay được dễ dàng). Đồng thời, một hệ thống gương khác dẫn nguồn sáng đến tâm theo đường gấp khúc theo hướng tạo thành vuông góc với chùm sáng đầu tiên.

Giả sử rằng khi phiến đá bị quay sao cho một trong các chùm sáng đi tới đi lui song song với ngọn gió ête , thì chùm sáng sẽ tạo ra tia sáng trong thời gian lớn hơn, chùm sáng khác đi qua cũng khoảng cách như vậy. Ban đầu đường đi ngược lại mới là đúng. Ta hãy xem xét ánh sáng truyền bá theo chiều gió và ngược chiều gió. Phải chăng gió sẽ tăng tốc trên một đường cùng với giảm tốc trên đường khác? Nếu quả là như vậy thì việc tăng tốc và giảm tốc đã được cân bằng và thời gian chi phí cho đoạn đường đi hẳn cũng bằng với khi không có ngọn gió nào nói chung.

Thực vậy, ngọn gió sẽ tăng tốc theo một hướng đúng bằng với giá trị bị giảm đi ở hướng khác, song điều quan trọng nhất là ngọn gió sẽ giảm tốc trong suốt khoảng thời gian. Các tính chất chỉ ra rằng để khắc phục cả đoạn đường ngược ngọn gió phải mất khoảng thời gian lớn hơn là khi vắng ngọn gió. Ngọn gió sẽ hoạt động chậm lại cả đối với chùm sáng truyền bá vuông góc với nó. Điều này cũng dễ dàng được xác nhận.

Dường như là hoạt động chậm lại giảm thiểu trong trường hợp chùm sáng truyền bá song song với ngọn gió. Nếu như trái đất chuyển động qua biển ête không di động thì hẳn phải xuất hiện ngọn gió ête và dụng cụ của Maikenxơn - Moocly hẳn phải ghi lại được. Trên thực tế cả hai nhà bác học đều tin rằng, họ có thể không chỉ phát hiện ra ngọn gió, mà còn xác định (quay phiến đá cho đến khi tìm được một vị trí mà tại đó khác biệt thời gian đi qua của ánh sáng theo cả hai hướng là cực đại) vào một thời điểm đã cho bất kỳ hướng chính xác chuyển động của trái đất, qua môi trường ête.

Cần phải thấy rằng dụng cụ của Maikenxơn - Moocly đã không đo được vận tốc thực của ánh sáng của từng chùm sáng. Cả hai chùm sáng, sau khi đã hoàn thành số đường gấp khúc đi và đến (khứ hồi), đã được thống nhất thành một chùm sáng duy nhất ngõ hầu có thể quan sát trong kính viễn vọng trung bình. Dụng cụ được quay chậm rãi. Một sự thay đổi bất kỳ của vận tốc tương đối của hai chùm sáng hẳn đã gây ra sự di động của bức tranh giao thoa vì các gian sáng tối đan xen lẫn nhau.

Và một lần nữa, Maikenxơn lại thất bại và buồn chán. Các nhà vật lý học trên thế giới cũng sửng sốt. Mặc dù Maikenxơn và Moocly đã đảo dụng cụ, họ vẫn không nhận ra một dấu vết nào của ngọn gió ête! Chưa bao giờ trước đó trong lịch sử khoa học gặp phải một kết cục bi đát như vậy. Maikenxơn phải thú nhận một lần nữa rằng thí nghiệm của ông đã không thành công. Ông không hề nghĩ rằng "sự không thành công này khiến cho cuộc thí nghiệm của ông trở thành một trong những thí nghiệm tầm cỡ nhất, cách mạng nhất trong lịch sử khoa học".

Ít lâu sau, Maikenxơn và Moocly đã làm lại cuộc thí nghiệm cùng với dụng cụ hoàn thiện hơn. Các nhà vật lý khác cũng làm như vậy. Các cuộc thí nghiệm chính xác nhất đã được thực hiện vào năm 1960 bởi Saclơ Taunxơ ở trường đại học Colombia. Bộ dụng cụ của ông có sử dụng maze (đồng hồ nguyên tử, dựa trên những dao động của các phân tử), nhạy cảm đến mức có thể nhận ra ngọn gió ête, kể cả khi trái đất chuyển động với vận tốc chỉ bằng phần nghìn vận tốc thực. Nhưng dấu vết của một ngọn gió như vậy cũng bặt vô âm tín.

Các nhà vật lý ban đầu ngạc nhiên về kết quả tiêu cực của thí nghiệm Maikenxơn - Moocly đã nghĩ tới một sự giải thích để cứu lý thuyết về ngọn gió ête, tất nhiên nếu như thí nghiệm được tiến hành hàng trăm năm trước đó. Theo nhận xét của G. J. Uitroi trong cuốn sách Sự cấu thành của vũ trụ, việc giải thích rất đơn giản về sự cấu thành của trái đất đã nhanh chóng ăn sâu vào tiềm thức mỗi người. Nhưng điều giải thích đó của thí nghiệm dường như không đúng với sự thật. Lời giải thích tốt nhất là lý thuyết (lâu hơn nhiều so với thí nghiệm Maikenxơn - Moocly) khẳng định rằng ête được hấp dẫn bởi trái đất, giống như không khí ở bên trong toa tàu đóng kín. Cả Maikenxơn cũng suy nghĩ như vậy. Nhưng những thí nghiệm khác, trong đó có thí nghiệm do chính Maikenxơn thực hiện, đã loại bỏ cả lối giải thích đó.

Nhà vật lý học Ailen J.F. Phitxơjeral có sự giải thích độc đáo nhất. Ông nói: Có thể là ngọn gió ête đã áp chế vật thể đang chuyển động buộc nó phải co lại theo hướng của chuyển động. Để xác định độ dài của vật thể đang chuyển động phải lấy độ dài của nó trong trạng thái đứng yên nhân với đại lượng được cho bởi công thức: căn bậc 2 của 1 - v2/c2. Trong đó, v bình phương là bình phương vận tốc của vật thể đang chuyển động, còn c bình phương là bình phương vận tốc ánh sáng.

Từ công thức trên có thể thấy rằng giá trị giảm thiểu nhỏ không đáng kể khi vận tốc vật thể nhỏ, tăng lên khi vận tốc tăng và trở thành lớn khi vận tốc của vận thể tiến gần tới vận tốc ánh sáng. Ví như, một con tàu vũ trụ về hình dạng giống như điếu xì gà dài, khi chuyển động với vận tốc lớn sẽ có hình dạng điếu xì gà ngắn.

Vận tốc ánh sáng là giới hạn không đạt tới được; đối với vật thể chuyển động với vận tốc này, công thức có dạng: căn bậc 2 của 1 - c2/c2, và biểu thức này bằng 0. Nhân độ dài vật thể với số 0, ta sẽ được đáp số bằng 0. Nói cách khác đi, nếu như có một vật thể bất kỳ có thể đạt tới vận tốc ánh sáng, thì nó sẽ không có một độ dài nào theo hướng chuyển động của bản thân nó!

Nhà vật lý Henđri Lorenxơ, người độc lập cũng đi đến giải thích như vậy về hình dạng toán học của lý thuyết Phitxơjeral (về sau Lorenxơ đã trở thành một trong những người bạn gần gũi nhất của Anhxtanh, song thời gian đó hai người vẫn chưa quen nhau). Lý thuyết này cũng nổi tiếng như lý thuyết giảm thiểu của Lorenxơ - Phitxơjeral hay (Phitxơjeral - Lorenxơ).

Dễ dàng hiểu được lý thuyết giảm thiểu đã giải thích sự thất bại của thí nghiệm Maikenxơn - Moocly như thế nào. Nếu như phiến đá hình vuông và toàn bộ dụng cụ trên đó giảm thiểu chút ít theo hướng mà ngọn gió ête thổi thì ánh sáng hẳn đã đi một đoạn đường đầy đủ ngắn hơn. Và mặc dù ngọn gió đã tác động chậm lại đối với chuyển động của chùm sáng theo hướng thuận và nghịch con đường ngắn hơn hẳn đã cho phép chùm sáng kết thúc cuộc hành trình đó đúng trong thời gian như vậy, giống như nếu không có gió, không có sự giảm thiểu. Nói khác đi, sự giảm thiểu đúng là để bảo toàn sự không đổi của vận tốc ánh sáng độc lập với hướng đảo dụng cụ của Maikenxơn - Moocly.

Bạn có thể hỏi tại sao không thể đo một cách đơn giản độ dài của dụng cụ và xem xét có phải trên thực tế có sự rút ngắn theo hướng chuyển động của trái đất? Nhưng chính là thước dài cũng bị rút ngắn theo cùng một tỷ lệ. Việc đó đã cho ta kết quả hệt như khi không có sự rút ngắn. Trên trái đất đang chuyển động, mọi thứ đều bị rút ngắn. Tình hình như vậy giống như trong thí nghiệm thuần lý của Poăngcarê, trong đó vũ trụ đột nhiên lớn lên hàng nghìn lần, nhưng chỉ trong lý thuyết của Lorenxơ - Phitxơjeral việc đó mới xuất phát theo một hướng duy nhất. Bởi vì mọi thứ đều bị thay đổi nên không có phương pháp phát hiện hướng. Bên trong các giới hạn nhất định (các giới hạn được xác định bởi topo học, tức là khoa học về các thuộc tính được bảo toàn khi làm biến dạng đối tượng) hình dạng cũng tương đối như kích thước. Hiện tượng co rút của dụng cụ cũng như co rút mọi thứ trên trái đất phải chăng chỉ được nhận ra đối với những ai đứng bên ngoài trái đất và không chuyển động cùng với nó.

Nhiều nhà văn khi nói về thuyết tương đối đã xem giải thiết co rút Lorenxơ - Phitxơjeral là giả thuyết ad hoc (thành ngữ Latin có nghĩa là "chỉ để cho trường hợp đã biết"), không kiểm tra được bằng bất cứ thí nghiệm nào khác. Adolpho Grunbaun cho rằng điều đó không hoàn toàn đúng. Giả thuyết co rút ad hoc chỉ có nghĩa là không có cách nào kiểm tra nó.

Trên nguyên tắc, nó hoàn toàn không ad hoc và điều đó đã được chứng minh vào năm 1932, khi Kennơđi và Tơcđaicơ bác bỏ bằng thực nghiệm giả thiết này.

Kennơđi và Tơcđaicơ, hai nhà vật lý học Mỹ đã lập lại thí nghiệm Maikenxơn - Moocly. Nhưng thay vì đạt tới hai đường vai bằng nhau, họ lại làm cho độ dài của chúng khác nhau cực lớn. Để phát hiện thời gian hao phí cho ánh sáng đi qua theo hai đường, các ông đã đảo dụng cụ. Phù hợp với lý thuyết rút ngắn chênh lệch thời gian phải thay đổi khi đảo máy. Có thể nhận thấy điều đó (như trong thí nghiệm của Maikenxơn - Moocly) theo sự thay đổi của bức tranh giao thoa xuất hiện khi đan xen hai chùm sáng. Nhưng người ta đã không phát hiện ra sự thay đổi như vậy.

Kiểm tra một cách đơn giản nhất lý thuyết rút ngắn có thể thực hiện được khi đo vận tốc chùm sáng truyền bá theo các hướng đối nghịch: dọc theo hướng chuyển động của trái đất và ngược với nó. Rõ ràng rằng rút ngắn đoạn đường không thể nào phát hiện ngọn gió ête, nếu như nó có tồn tại. Trước khi khám phá không lâu hiệu ứng Mocbacơ (sẽ đề cập ở chướng 8) nhiều khó khăn kỹ thuật ghê gớm đã ngăn trở thực thi thí nghiệm này. Tháng 2 năm 1962, tại hội nghị của Hội Hoàng gia tại London, giáo sư Mulơ của trường đại học Copenhagen đã kể rằng, có thể dễ dàng thực hiện thí nghiệm này khi sử dụng hiệu ứng Mocbacơ. Muốn vậy, nguồn sáng và hấp thụ dao động điện từ được đặt trên các đầu đổi điện của bàn quay. Mulơ chỉ ra rằng thí nghiệm như vậy có thể đảo lộn lý thuyết rút ngắn ban đầu; có thể là khi đang in cuốn sách này thí nghiệm đó sẽ được thực thi.

Mặc dù các thí nghiệm đại loại như vậy không thể thực hiện được ở thời Lorenxơ, nó tiên liệu khả năng có tính nguyên tắc của chúng và được xem là hoàn toàn phù hợp lý của việc đề xuất rằng những thí nghiệm này, giống như thí nghiệm của Maikenxơn sẽ dẫn đến thất bại. Muốn giải thích điều đó, Lorenxơ đã có bổ xung quan trọng vào lý thuyết rút ngắn ban đầu. Ông nói rằng các đồng hồ hẳn phải chậm lại dưới tác động của ngọn gió ête, đồng thời như vậy là vận tốc đo được của ánh sáng luôn luôn bằng 300.000 km/giây.

Ta hãy xem xét một thí dụ cụ thể. Giả sử chúng ta có những đồng hồ đủ độ chính xác để làm thí nghiệm về đo đạc vận tốc ánh sáng. Cho ánh sáng đi từ điểm A đến điểm B chẳng hạn theo hướng chuyển động của trái đất. Đặt cùng lúc hai đồng hồ tại điểm A và sau đó chuyển một cái sang điểm B. Ta thấy rằng thời gian khi chùm sáng dời khỏi điểm A và (theo đồng hồ khác) thời điểm nó đến tại điểm B. Bởi vì ánh sáng chuyển động lúc đó ngược với ngọn gió ête, vận tốc của nó hẳn phải giảm đi một chút, mà thời gian tia gẫy khúc tăng lên so với trường hợp trái đất đứng yên. Các bạn có thấy điều bất cập trong luận đề này không? Đồng hồ chuyển động từ điểm A sang điểm B, cũng đều là chuyển động ngược gió ête. Điều đó làm chậm đồng hồ tại điểm B, nó sẽ chậm hơn một chút so với đồng hồ tại điểm A. Kết quả vận tốc ánh sáng được là không đổi bằng 300.000 km/giây.

Cũng xảy ra như vậy, (Lorenxơ xác nhận) nếu đo vận tốc ánh sáng truyền bá theo hướng ngược lại, từ điểm B sang A. Hai đồng hồ cũng đặt tại điểm B và sau đó một cái được chuyển sang điểm A. Chùm sáng trong khi truyền bá từ điểm B sang A sẽ chuyển động dọc theo ngọn gió ête. Vận tốc của chùm sáng tăng lên và như vậy thời gian đi qua sẽ giảm đi chút ít so với trường hợp trái đất đứng yên. Song khi chuyển dịch đồng hồ từ điểm B sang A thì ngọn gió ête cũng "bám gót". Việc giảm bớt áp lực của ngọn gió ête cho phép đồng hồ tăng vận tốc, và như vậy vào thời điểm kết thúc thí nghiệm, đồng hồ tại điểm A sẽ chạy nhanh lên so với đồng hồ tại điểm B. Và kết quả là vận tốc ánh sáng vẫn là 300.000 km/giây.

Lý thuyết mới của Lorenxơ không chỉ giải thích kết quả tiêu cực của thí nghiệm Maikenxơn - Moocly; từ đó mà rút ra là về nguyên lý không thể bằng thực nghiệm phát hiện ảnh hưởng của ngọn gió ête đối với vận tốc ánh sáng. Các phương trình của ông để đo độ dài và thời gian cho thấy, với bất kỳ phương pháp có thể nào, việc đo vận tốc ánh sáng theo một kết quả tương tự. Rõ ràng rằng các nhà vật lý đã không thoả mãn lý thuyết đó. Nó là lý thuyết ad hoc (hiển nhiên) theo đầy đủ ý nghĩa của từ đó. Những nỗ lực lấp lỗ hổng xuất hiện trong lý thuyết ête dường như vô vọng. Không thể hình dung các giải pháp khẳng định hoặc phủ định nó. Các nhà vật lý khó mà tin rằng sau khi tạo ra ngọn gió làm sao để không thể phát hiện ra ngọn gió ấy. Nhà triết học kiêm toán học người Anh Betơrăng Rutxen đã dẫn một bài ca của hiệp sĩ Trắng trong cuốn sách của Lui Kerolol Alixơ ở đất nước huyền thoại.

"Tôi muốn nhuộm mái tóc màu xanh. Xoè chiếc quạt để khỏi ai nhìn thấy".

Lý thuyết mới của Lorenxơ, trong đó thay đổi cả thời gian dường như là tức cười, kiểu như kế hoạch của chàng hiệp sĩ nọ vậy. Nhưng mặc dầu dốc mọi nỗ lực, các nhà vật lý đã không thể suy luận điều gì khá hơn.

Trong chương tiếp theo sẽ trình bày rằng, lý thuyết Tương đối hẹp của Anhxtanh đã mở lối ra khỏi tình trạng rối rắm đó một cách dũng cảm tuyệt vời.