TT&HĐ V - 43/g

 

Điều gì sẽ sảy ra nếu như bạn di chuyển nhanh như tốc độ ánh sáng

PHẦN V:     THỐNG NHẤT 

"Khoa học là một sức mạnh trí tuệ lớn nhất, nó dốc hết sức vào việc phá vỡ xiềng xích thần bí đang cầm cố chúng ta."
Gorky 

 

"Mỗi một thành tựu lớn của nhà khoa học chính là xuất phát từ những ảo tưởng táo bạo". 
JohnDewey

"Chân lý chỉ có một, nó không nằm trong tôn giáo, mà nằm trong khoa học."
Leonardo da Vinci
 

"Cái khó hiểu nhất chính là hiểu được thế giới" 

Albert Einstein

 "Có hai cách để sống trên đời: một là xem như không có phép lạ nào cả, hai là xem tất cả đều là phép lạ".

Albert Einstein

      

“Chính qua cuộc đấu tranh nhằm thống nhất một cách hợp lý cái đa dạng mà đã đạt được những thành công lớn nhất, dù rằng chính ý đồ đó có thể gây ra những nguy cơ lớn nhất để trở thành con mồi của ảo vọng”.

                                                                                                                               Albert Einstein

“Người nhìn thấy cái đa dạng mà không thấy cái đồng nhất thì cứ trôi lăn trong cõi chết”.

                                                                                                                                       Upanishad       

CHƯƠNG IV (XXXXIII): ÊTE

“Một con người có thể thành công trong bất cứ việc gì nếu anh ta đổ vào đó một lòng nhiệt thành vô hạn”.

Charles Schwab

“Nếu toán học quắc thước, ngạo nghễ và hùng vĩ như những kim tự tháp Ai Cập thì vật lý học uyển chuyển, lúc điềm tĩnh lúc cuồn cuộn dâng trào như dòng sông Nin và chúng hợp thành một quang cảnh hiện thực khách quan vô cùng sinh động, vừa sáng lạn, vừa kỳ bí, được tạo dựng bởi thiên nhiên hoang dã và sự cộng tác sáng tạo của lý trí loài người”.

Thầy Cãi

“Đôi lúc cuộc sống thật khắc nghiệt, rắn như thép đã tôi. Nó có những lúc ảm đạm và đau đớn. Như bất cứ một dòng chảy nào của một con sông, cuộc sống có những lúc khô cạn và những khi triều cường. Cũng như sự thay đổi theo chu kỳ từ trước đến nay của các mùa, cuộc sống có cái ấm áp dễ chịu của những mùa hè và cái rét buốt của những mùa đông…Nhưng chúng ta có thể tự nâng mình lên khỏi nỗi chán chường và tuyệt vọng, vươn đến sự vui vẻ của hy vọng và biến đổi các thung lũng hoang vắng, tăm tối thành những lối đi chan hoà ánh nắng của sự thanh bình sâu lắng”.
 MARTIN LUTHER KING 

"Sai lầm lớn nhất của Anhxtanh là tin theo quan niệm coi thời gian như vật chất, có thể co giãn được và hòa quyện vào không gian được. Do đó nếu ngày nay học thuyết tương đối trở thành cơ sở chủ yếu cho nhận thức vật lý học về Vũ Trụ, thì tương lai nó chỉ còn là một huyền thoại của một thời ảo mộng. Có thể coi không gian và thời gian quan hệ khăng khít như hình với bóng, như thể xác với linh hồn, nhưng phải được phân biệt dứt khoát với điều kiện tiên quyết: không có hình thì không có bóng, không có thể xác thì tuyệt đối không có linh hồn".
NTT

"Tất cả mọi điều trên thế giới này đều được hy vọng làm nên".  

MARTIN LUTHER KING

 

 

(Tiếp theo)

Khái niệm đơn vị thời gian nhỏ nhất tuyệt đối làm xuất hiện nghi vấn là tại thời điểm đó toàn bộ vật chất, hiện tượng trong Vũ Trụ đều bất động tuyệt đối, nghĩa là Không Gian tuyệt đối không vận động ("chưa kịp" vận động!?). Vậy thì lúc đó, trong cái thời khắc cực nhỏ đó có phải là Hư Vô không? Không! Vì như chúng ta đã khẳng định Tự Nhiên Tồn Tại là duy nhất, không có Hư Vô. Mà bản chất của Tự Nhiên Tồn Tại là vận động. Do đó, phải hình dung điểm tuyệt đối thời gian (đơn vị nhỏ tuyệt đối thời gian, dù bằng một tuyệt đối) phải là một khoảng nào đó nhỏ nhất của vận động vật chất. Có thể cho rằng đó là khoảng thời gian xảy ra biến đổi trạng thái của hạt KG, và là khoảng thời gian thực. Một bức ảnh chụp phong cảnh, dù cảnh vật trong đó được thấy là hoàn toàn bất động thì nó vẫn vận động. Dù quan sát có thấy được hay không, không cần thiết, cảnh vật trong bức ảnh vẫn tồn tại bởi vì nội tại của bức ảnh vẫn vận động không ngừng nghỉ để duy trì bức ảnh. Tương tự như vậy, trong khoảnh khắc thời gian nhỏ tuyệt đối không thể nhỏ hơn được ấy, thấy hạt KG đứng yên và cố định như một pho tượng thì nội tại của nó vẫn vận động không ngừng nghỉ.  Hoặc có thể phỏng đoán rằng đơn vị tuyệt đối của thời gian là khỏang thời gian (chu kỳ) hoàn thành một dao động của hạt KG. Đó là khoảng thời gian cực tiểu tuyệt đối của Vũ Trụ. Không còn khoảng thời gian nào nhỏ hơn thế nữa, tức nhỏ hơn đơn vị thời gian tuyệt đối, tức nhỏ hơn 1. Nếu gọi d là đường kính hạt KG thì chu vi của nó là π.d = 3. 10^10 cm và nếu chu kỳ T = 1 thì vận tốc chu vi danh nghĩa c = 3. 10^10 cm/s. Từ đây, chúng ta hiểu vì sao c là hằng số và cũng là vận tốc cực đại trong Vũ Trụ.

Có một câu hỏi hay ho được đặt ra là khi hệ O’ chuyển động đều so với hệ O không phải với vận tốc v nữa mà với vận tốc c và tại thời điểm O’ trùng với O thì O’ phát sáng, tình hình truyền sáng sẽ xảy ra như thế nào? Rất nhanh chóng, chúng ta trả lời rằng, vì vừa phải thỏa mãn phép tổng hợp vận tốc trong cơ học cổ điển, vừa phải không được vượt giới hạn c, nghĩa là vừa đồng thời bị hai điều kiện đó khống chế, cho nên O’ không thể phát sáng ra bất kỳ phương chiều nào. Hay trả lời cách khác: O’ không thể phát sáng ra bất cứ hướng nào ngoài hướng “chuyển động” của nó vì lúc này nó chính là một luồng hạt sáng lan truyền với vận tốc toàn phần c.

Tóm lại, chúng ta có thể rút ra vài kết luận sau:

- Nếu sự đồng thời của hai biến cố là sự thực khách quan thì nó mang tính tuyệt đối và giữa chúng không có mối quan hệ nhân - quả khách quan. Tùy thuộc vào góc độ, trạng thái vận động của hệ quan sát mà thấy hai biến cố đó tương đối không đồng thời.

- Nếu hai biến cố có mối quan hệ nhân quả khách quan thì chúng tuyệt đối không đồng thời. Giữa chúng phải là một quá trình chuyển biến cho nên sự xuất hiện của chúng là có tính trước - sau và cách nhau một khoảng thời gian nhất định. Bất kỳ quan sát và nhận thức xác đáng nào đều phải thấy được hiện tượng xuất hiện trước - sau của hai biến cố đó nghĩa là trước hết phải không được vi phạm luật nhân - quả.

- Vận tốc truyền cực đại của ánh sáng là c. Trong Vũ Trụ, không thể có một vật thể nào chuyển động vượt qua được tốc độ này (nếu có chỉ có thể là ảo, xảy ra do hiện tượng tương đối của chuyển động). Vận tốc truyền sáng trong chân không là không bất biến hoặc có thể nói chỉ bất biến theo quy ước một cách có điều kiện. Nhưng vì mục đích nhận thức mà có thể qui ước cho nó luôn cực đại bất biến trong mọi tình huống, mọi phương chiều ở môi trường chân không.

- Đối với cùng một hiện tượng, cùng một quá trình vận động vật chất xảy ra trong thực tại khách quan, các hệ quan sát khác nhau (về góc độ, về vị trí, về trạng thái vận động của hệ vật lý đặt trạm quan sát…) có thế thấy khác nhau (về thời điểm xuất hiện, về thời gian diễn tiến, về qui mô không gian,… và thậm chí là cả về mặt cấu trúc vật chất). Nguyên nhân của hiện tượng ấy chính là do có sự “lũng đoạn” không thể loại bỏ được bởi tính chủ quan cố hữu của bản thân quan sát gây ra trong quá trình khảo cứu. Sự chủ quan trong quan sát - nhận thức có nguyên nhân từ khách quan và từ chính chủ thể. Sự chủ quan do chủ thể gây ra là khả năng quan sát chưa đáp ứng, quan sát còn phiến diện, trình độ nhận thức còn thấp dẫn đến nhận xét, kết luận chưa thỏa đáng, thậm chí là hoàn toàn ngộ nhận, sai lầm. Loại chủ quan này có thể được loại trừ trong quá trình nâng cao khả năng quan sát và trình độ nhận thức. Sự chủ quan có nguyên nhân từ khách quan là khả năng quan sát bị giới hạn một cách tự nhiên, góc độ quan sát, khoảng cách quan sát… và nhất là sự không thể quan sát được cùng một lúc toàn bộ sự vật, toàn bộ khía cạnh về trạng thái, một cách tức thời đối với hiện tượng quá trình vận động vật chất đang khảo cứu. Loại chủ quan này là có tính vốn dĩ, không thể khắc phục được. Tuy nhiên dù các kết quả thực nghiệm của các hệ quan sát về cùng một hiện tượng, một quá trình tự nhiên, có khác nhau đến mấy, thì nếu đó là những kết quả hoàn toàn xác đáng, chúng sẽ không thể vi phạm bất cứ nguyên lý cơ bản nào của tự nhiên, chẳng hạn như nguyên lý nhân quả, nguyên lý bảo toàn Không Gian… và có thể lập được một biểu diễn toán học về mối quan hệ giữa chúng và thông qua đó có thể đưa chúng về một mối, đóng vai trò một qui luật khách quan phổ quát. Chẳng hạn có thể phát biểu: "Tự Nhiên Tồn Tại là duy nhất, tồn tại ở trạng thái cân bằng động vĩ đại một cách vốn dĩ thế và không thể bị tiêu diệt".

Sau hàng loạt những thí nghiệm giả tưởng và qua đó rút ra hàng loạt những nhận xét, những kết luận (có vẻ) khá chí lý, chúng ta thấy rằng đã đến lúc chín muồi để bước và cuộc thí nghiệm giả tưởng có tầm quan trọng đặc biệt, có thể là then chốt cuối cùng mở ra một chân trời mới cho nhận thức vật lý.
Với điều kiện bình thường: tổng hợp vận tốc theo nguyên tắc hình bình hành vẫn đúng và vận tốc cự đại của Vũ Trụ là C. 

Cho hai hệ qui chiếu quán tính O và O’ mà giữa chúng hệ O được cho là đứng yên còn hệ O’ thì chuyển động đều với vận tốc v so với hệ O (Xem hình 6). Để loại bỏ bớt sự nhiễu loạn do chủ quan gây ra trong quá trình khảo cứu, chúng ta qui ước hệ O đứng yên tuyệt đối trong chân không. Nghĩa là hạt sáng phát ra từ O theo mọi phương chiều đều có tốc độ truyền cực đại bất biến c và vận tốc v là có tính tuyệt đối so với ête (theo quan niệm chúng ta,ête chính là môi trường không gian). Chúng ta gọi đường thẳng qua O và O’, trùng phương với véctơ vận tốc là đường trục tọa độ k (và k’) của hệ O và O’. Đường trục tọa độ này nhận O (và O’) làm gốc tọa độ của hệ O (và hệ O’) và nhận chiều của  làm chiều dương.

Hình 6: Thí nghiệm về phát và truyền sáng trong một hệ chuyển động.

Tại thời điểm O’ trùng với O (có thể qui ước t = 0), trong hệ O’ phát một hạt sáng từ O’ theo hướng , lập với trục k một góc . Sau khoảng thời gian , khoảng cách giữa hai hệ là vt. Vì v nhỏ hơn rất nhiều so với c (v << c) cho nên theo nguyên lý quán tính Galilê, quan sát tại O’ phải thấy hạt sáng luôn truyền theo hướng và sau t thời gian đạt được khoảng cách:

L’ = O’A

Tuy nhiên, theo quan sát từ O, vì hạt sáng “ngay từ đầu” đã sẵn mang thành phần vận tốc v của hệ O’ chuyển động ngang, cho nên theo phép tổng hợp vận tốc của cơ học cổ điển, nó không thể truyền theo hướng mà phải truyền theo hướng để sau thời gian t đạt được khoảng cách:

Rõ ràng, việc cho rằng hạt sáng truyền theo hướng , sau thời gian t đạt khoảng cách L_o là mang tính khách quan hơn hẳn nhận định của quan sát tại O’ khi quan sát này (do ảnh hưởng gây “nhiễu” của chuyển động) cho rằng, hạt sáng phát từ O’, truyền theo hướng , sau thời gian t đạt được khoảng cách O’A.

Vì chúng ta đã “láu cá” qui ước ngay từ đầu thí nghiệm rằng hệ O thực sự là đứng yên tuyệt đối trong chân không (trong ête) nên kết luận mà quan sát tại O rút ra được về điểm đầu, điểm cuối, cũng như khoảng cách đạt được trong thời gian t của sự truyền đi của hạt sáng đang xét là hoàn toàn khách quan, phù hợp với thực tại (chứ không phải phù hợp với thực nghiệm!), thậm chí có thể coi chính là thực tại.

Có thể quan sát ở O không biết nhưng chúng ta, những kẻ “dựng nên” thí nghiệm này thì “biết tỏng”: vì luôn luôn phải thỏa mãn điều kiện:

Cho nên trong trường hợp cụ thể ở hình 6:

và do đó:

Dựa trên minh họa của hình 6, chúng ta sẽ đi thiết lập biểu diễn toán học về mối quan hệ giữa L_o và L’. Để đỡ rối rắm, trước hết chúng ta đặt l=vt.

Vì:

L_o  là cạnh huyền của tam giác vuông OBA.

Nên chúng ta lập được:

Vậy chúng ta có phương trình bậc hai với ẩn số là L' như sau:

Giải ra thì được hai nghiệm:

Trong hai nghiệm đó có một nghiệm cho ra khoảng cách âm.

Chúng ta tin rằng Tạo Hóa, vốn dĩ đã “bở hơi tai” trong việc điều hành, giám sát tồn tại và vận động của toàn Vũ Trụ quá ư mông lung, hỗn độn rồi nên Ngài chẳng hơi sức đâu mà tạo thêm ra những thứ dư thừa “vô tích sự”. Chắc rằng nghiệm âm ở đây phải mang một ý nghĩa nào đó mà chúng ta chưa phát hiện ra. Nhưng thôi, chúng ta hãy tạm loại nó ra khỏi “cuộc chơi tung hứng” vì đối với chúng ta, chỉ cần nghiệm dương thôi, cũng đủ dùng để mua vui thiên hạ rồi. Vậy, biểu diễn toán học về mối quan hệ giữa L_o và L’ là:

Ở vế phải của biểu diễn, nếu chúng ta giữ nguyên ký hiệu L_o ở ngoài dấu ngoặc đơn, còn trong ngoặc đơn thay:

l=vt
L_o=ct

sẽ được biểu diễn mới:

Vì đã có “kinh nghiệm” trong lần thực hành thí nghiệm giả tưởng mô tả ở hình 5/a và 5/b, nên chúng ta thấy rằng biểu diễn chỉ có thể đúng trong một phạm vi hạn hẹp, khi L_o=ct. Còn nói chung, nếu không có những “biện hộ” cho tính khách quan, tất yếu của nó, đồng thời vạch ra mặt công cụ toán học đơn thuần để hỗ trợ cho nhận thức thực tại của nó, thì nó hoàn toàn sai lầm, và cứ cố tình nhắm mắt sử dụng nó một cách “thiếu hiểu biết”, sẽ dẫn đến những ngộ nhận, nghịch lý tai hại. Tuy nhiên, có thể thấy biểu diễn là cách viết tổng quát dẫn đến những tính toán về thời gian của hai tia sáng truyền theo hai hướng vuông góc và song song với phương chuyển động của hệ thống thí nghiệm và phản xạ trở lại điểm xuất phát. Và cũng chính biểu diễn sẽ chỉ ra ngộ nhận đáng tiếc về sự co kích thước của vật chuyển động dẫn đến sai lầm “chết người” trong phép biến đổi Lorenxơ. Vì tiếp thu trọn vẹn sai lầm này nên Anhxtanh cũng sai lầm nốt.

Dù đã kể thì chúng ta cũng nên nhắc lại những điểm cơ bản dẫn đến mâu thuẫn không khắc phục nổi của thí nghiệm Maikenxơn-Moocly để rồi phải giải quyết bằng cách đưa ra ý tưởng về sự co kích thước của vật chuyển động.

Tin tưởng tuyệt đối vào phép cộng vận tốc của cơ học cổ điển, người ta đã tính toán ra thời gian tia sáng đi từ B đến E và phản xạ lại B (theo phương song song với vận tốc , xem lại hình 1) là:

L ở đây được cho là khoảng cách giữa B và E của hệ thống đang trong trạng thái chuyển động. Để khỏi lầm lẫn, chúng ta ký hiệu lại L thành L’_//.

Trong khi đó, kết quả tính toán ra thời gian tia sáng đi từ B đến C rồi phản xạ trở lại B (theo phương vuông góc với vận tốc ), là:

L ở đây được cho là khoảng cách giữa B và C của hệ thống đang trong trạng thái chuyển động. Để khỏi lầm lẫn, chúng ta ký hiệu lại L thành .

So sánh hai kết quả tính toán cho thấy hai khoảng thời gian ấy là khác nhau, trong khi kết quả cho thấy chúng phải bằng nhau vì hai tia sáng cùng xuất phát từ B và trở về đến B một cách đồng thời.

Mâu thuẫn đó trở thành một thách thức “dữ dội” đối với các nhà vật lý lúc bấy giờ. Nhiều giả thuyết được đưa ra nhưng chỉ có giả thuyết về sự co kích thước của Lorenxơ (thực ra, người đầu tiên đề xuất ý tưởng này là Filzgerald) là hợp lý hơn cả và trên cơ sở đó đã giải thích thỏa đáng được mâu thuẫn của thí nghiệm Maikenxơn-Moocly.

Lorenxơ cho rằng khi không chuyển động, khoảng cách giữa B và C, giữa B và E đều bằng L_o, nghĩa là:

L_o=L₁=L_//

Khi hệ thống chuyển động với vận tốc v thì:

Mà cụ thể là:

Nhờ thế mà dẫn đến kết quả thí nghiệm:

Tuy nhiên, sự thể sẽ ít “mờ ám” hơn nhiều nếu chúng ta dẫn dắt ra từ biểu diễn để giải quyết mâu thuẫn của thí nghiệm.

Khi cho  thì L' chính là:

Và:         

Khi cho  thì chúng ta phải có:

Khi cho  thì chúng ta có:

Vậy:       

Nghĩa là: t₁+t₂=2t₃

Rõ ràng là khi hệ thống chuyển động, chẳng xảy ra sự co kích thước nào cả. Nếu cho rằng vẫn có sự co kích thước thì L₁ cũng phải co nhưng điều quyết địnhlà phải thỏa mãn L_// nếu co lại bao nhiêu khi tia sáng đi từ B đến E thì cũng phải dãn ra bấy nhiêu khi tia sáng từ E trở về B! Còn không nữa thì chỉ còn cách nghĩ rằng hai tia sáng đi, về trên hai quãng đường tuy khác nhau nhưng có tổng độ dài bằng nhau với cùng một vận tốc (trung bình) là C, nếu quan sát từ O. Giả sử có thể hỏi được hai tia sáng ấy: “Sao vậy?”, chắc là chúng sẽ cười khanh khách nói: “Chúng tớ đi theo khoảng cách chứ đâu có đi theo kích thước”.

Biểu thức đã làm một điều “giỏi” như thế nhưng vì sao chúng ta lại vẫn “chê” nó? Bởi vì bản thân nó cũng mang một mâu thuẫn nội tại ghê gớm. Dễ thấy là khi , biểu diễn phải có dạng:

              

        

Từ dẫn dắt của thí nghiệm giả tưởng ở hình 5, có thể thấy rằng biểu diễn chỉ đúng “một nửa”. Nghĩa là phải dùng hai biểu diễn để diễn tả sự truyền sáng từ O’ trên khắp mọi phương chiều, đó là:

Có thể thấy điều thú vị này từ hai biểu diễn: nếu là thể hiện phép tổng hợp vận tốc của cơ học cổ điển bị ánh sáng bắt phải tuân theo nguyên tắc không được vượt qua giá trị vận tốc cực đại C thì là thể hiện ánh sáng buộc phải giảm tốc độ truyền để tuân theo pháp tổng hợp vận tốc của cơ học cổ điển.

Dùng hệ hai biểu diễn và để giải quyết mâu thuẫn, tưởng là “tuyệt cú mèo”, ai dè, chỉ là một “đống hỗn độn” chủ quan khiên cưỡng và… sai bét nhè! Chỉ cần đưa ra một thí dụ nhỏ sau đây thôi cũng đủ biết hệ hai biểu diễn ấy là không thể “xài” được.

Có thể thấy khi phát sáng từ O’ đồng thời ra khắp các phương chiều, thì cả hai biểu diễn ấy cũng coi như đồng thời phải triển khai và sẽ xảy ra trường hợp: L'=L.

Thay vế phải của cho L ở rồi biến đổi, ước lược, sẽ làm xuất hiện kết quả:

              

Muốn thế v phải bằng 0.

Có thể quan sát ở O’ coi kết quả đó là hiển nhiên (vì nghĩ là mình đứng yên). Còn quan sát ở O thì cũng chưa chắc đã dám phủ nhận vì có thể đang phân vân không biết mình đứng yên hay chuyển động. Đối với chúng ta, “chắc như bắp”, kết quả đó là hoàn toàn phi lý, vì chính chúng ta chứ không ai khác đã “phù phép” cho hệ O’ chuyển động với vận tốc v so với hệ O và đến tận lúc này vẫn chưa cho phép nó dừng lại!

Không đồng ý với Lorenxơ, hệ hai biểu diễn cũng “hỏng”, vậy thì bằng cách nào đây để xây dựng được một biểu diễn hợp lý (không có mâu thuẫn nội tại) cho mối quan hệ giữa O và O’ trong việc quan sát sự truyền sáng ra từ O’?
(Còn tiếp)
-------------------------------------------------------------------------