TT&HĐ V - 43/i

                                   Tính tương đối của chuyển động. Công thức cộng vận tốc

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)

Chủ thể thí nghiệm không nỗ lực giải quyết nghịch lý ấy. Bởi vì nghịch lý ấy đe dọa làm đổ vỡ niềm tin vào những kết quả thực nghiệm, cái nền tảng mà vật lý cổ điển được xây dựng nên, cũng như đe dọa đến sự tồn tại của quan niệm về vận tốc truyền sáng là hữu hạn đã được lý thuyết và cả thực nghiệm xác nhận.

Thế rồi, sớm hay muộn gì chủ thể quan sát, để giải quyết rốt ráo được nghịch lý, sẽ phải đi đến suy lý cuối cùng và có thể là duy nhất, tạo nên một cách mạng trong quan niệm về không gian và thời gian. Ông cho rằng khi tia sáng thoát ly khỏi điểm thì trong chân không (hay trong môi trường ête). Do đó vận tốc truyền của tia sáng, quan sát từ hệ O hay hệ O’ đều thấy bằng giá trị cực đại bất biến c. Chính sự “trải nghiệm” của ông trong quá trình thí nghiệm cũng xác nhận điều đó. mặt khác, biểu diễn hay ’ không phải được xây dựng một cách tùy tiện hay “mù quáng” tuân theo phép tổng hợp vận tốc của cơ học cổ điển , mà từ kết quả quan sát và “đo đạc”. Trong quá trình thí nghiệm đã dẫn đến phải và chỉ có thể xây dựng biểu diễn toán học ấy theo phép tổng hợp vận tốc của cơ học cổ điển trong điều kiện bị khống chế bởi giá trị cực đại và bất biến c của vận tốc. Tính xác đáng của biểu diễn hay ’ là ở chỗ dù quan sát hiện tượng ở hệ đứng yên O hay ở hệ chuyển động O’, thì chủ thể thí nghiệm cũng thiết lập được đúng biểu diễn ấy. Vậy phải cho rằng biểu diễn là hoàn toàn đáng tin cậy và nếu có thấy ở nó xuất hiện mâu thuẫn thì phải xem xét lại chính cái sự “thấy” ấy. Từ biểu diễn ’ có thể viết:

              

Vì đó là sự tổng hợp hai vận tốc “có thật” là c và v nên kết quả c’ cũng phải là vận tốc “có thật” chứ không phải là ngộ nhận như suy diễn lúc đầu (của chủ thể quan sát). Nếu c’ là “có thật” thì nó tuyệt đối không được lớn hơn c. Tuy nhiên, như biểu diễn trên cho thấy sẽ có ít ra là một giá trị góc nào đó (chẳng hạn =180^o) làm cho c’>c. Đó chính là cái mâu thuẫn tạo thành “gót chân Asin” của biểu diễn ’.

Để giải quyết mâu thuẫn đó, đồng thời cũng bảo vệ được quan niệm c là vận tốc truyền sáng cực đại bất biến trong chân không Vũ Trụ, chủ thể thí nghiệm chỉ còn nước kết luận rằng không thể viết:

              

mà đúng ra phải là:

              

Và như vậy, biểu diễn ’ sẽ được viết lại:

              

Từ đó làm xuất hiện một biểu diễn dẫn đến phải quan niệm lại về vấn đề thời gian:

              

và hơn nữa, cũng làm xuất hiện một biểu diễn “đi cặp” với biểu diễn dẫn đến phải quan niệm lại về vấn đề không gian, là:

        

Với niềm tin sắt đá vào sự đúng đắn của quan niệm tia sáng truyền trong chân không với vận tốc luôn bằng giá trị cực đại bất biến c, và cũng tin vào sự tồn tại của cái gọi là “thời gian trôi”, chủ thể thực thành thí nghiệm giả tưởng sẽ phải lý giải hai biểu diễn có tính cách mạng và mà ông “buộc phải” nêu ra và thừa nhận để tháo gỡ bế tắc, như sau:

- Đối với quan sát đặt ở hệ O (được cho là đứng yên so với hệ O’) thì thời gian của hệ O(t) trôi đều đặn ở mọi nơi, trên mọi phương chiều, không gian của hệ O(x) là đồng nhất, đẳng hướng. Trong khi đó, thời gian của hệ O(t’) được thấy trôi không đồng đều, có hiện tượng “co - giãn” (nhanh - chậm) theo phương chiều nếu so với sự trôi thời gian của hệ O, và không gian của hệ O’(x’) là không đồng nhất, đẳng hướng, có hiện tượng “co - giãn” (ngắn - dài)  khoảng cách theo phương chiều so với không gian của hệ O.

- Ngược lại, đối với quan sát đặt ở hệ O’ (được cho là chuyển động so với hệ O) thì thời gian của hệ O’(t’) trôi đều đặn, ở mọi nơi, trên mọi phương chiều, không gian của hệ O’ là đồng nhất, đẳng hướng. Trong khi đó, thời gian của hệ O(t) lại được thấy trôi không đồng đều, có hiện tượng “co - giãn” (ngắn - dài) khoảng cách  theo phương chiều so với không gian của hệ O’(x’).

- Vì trên cùng một phương chiều, nếu có sự co - giãn của thời gian thì cũng có sự co - giãn của khoảng cách và hai co – giãn ấy là có mức độ hoàn toàn như nhau nên bao giờ cũng có:

              

Nghĩa là trong bất cứ hệ nào (O hay O’), bao giờ cũng thấy vận tốc truyền sáng luôn bằng giá trị bất biến cực đại c.

- Vì quan sát ở hệ nào trong hệ nào trong hai hệ O và O’ cũng thấy hiện tượng hoàn toàn tương tự như hệ nào nên phải kết luận rằng sự co - giãn không gian và thời gian theo phương chiều của một hệ nào đó thể hiện ra trước quan sát từ hệ kia là do hiệu ứng bởi sự ảnh hưởng đồng thời của sự chuyển động và tính hữu hạn của vận tốc truyền sáng gây ra, chứ thực ra, một cách tuyệt đối, không có sự co – giãn không gian hay co – giãn thời gian nào cả. Sẽ thấy rõ ràng hơn nhận định này nếu có thêm một hệ qui chiếu quán tính O’’ chuyển động có vận tốc  so với hệ O. Quan sát từ hệ này, sẽ thấy đồng thời có sự co – giãn không gian và thời gian ở cả hai hệ O và O’ mà về mặt mức độ và thậm chí cả về mặt phương chiều, có sự khác biệt so với kết quả quan sát từ hệ O đối với hệ O’ và ngược lại, từ hệ O’ đối với hệ O. (Tuy nhiên, vì vật thể (lượng vật chất liên kết nhau và chiếm một thể tích nào đó) được cấu tạo nên, xét cho cùng là từ những hạt KG kích thích, cho nên, nhất là đối với những thực thể vi mô chuyển động với vận tốc lớn đáng kể so với c, cũng có thể bị co – giãn kích thước do chuyển động gây ra. Nhưng nếu có thế đi chăng nữa thì phải giải thích hiện tượng theo một cách khác, trên một cơ sở quan niệm khác!).

- Giả sử rằng hệ tọa độ góc của hệ O (có gốc tại O) có trục và chiều dương trùng với véctơ và đồng thời cũng trùng với trục của hệ tọa độ của hệ O’ (có gốc tại O’). Hai biểu diễn và chỉ ra rằng, trong hệ tọa độ O’, nếu có một hạt sáng phát ra từ O’, truyền theo hướng lập với trục k’ một góc , sau thời gian t’ đạt được khoảng cách x’, thì khi chuyển sang hệ tọa độ O, coi như hạt sáng đó được phát ra từ O, truyền theo hướng lập với trục k một góc , sau thời gian t (được tính theo biểu diễn ), đạt được khoảng cách x (được tính theo biểu diễn ), hiệu số giữa  và đúng bằng góc quang sai.

Những lý giải ở trên của chủ thể thí nghiệm rất chi là hay ho và phải nói là khá đích đáng. Nhưng theo ý kiến riêng của chúng ta, những kẻ thực ra là “vừa đá bóng vừa thổi còi” hay cũng có thể gọi là lũ “ném đá giấu tay”, thì những lý giải đó vẫn chưa triệt để. Dù đã đi đúng hướng nhưng còn nặng lòng với những quan niệm như đã nói mà chủ thể thí nghiệm đã không thể đi đến được chân lý đích thực. Dù quan niệm vận tốc truyền sáng trong chân không luôn cực đại bất biến đã được thực nghiệm xác nhận thì vì có thể cách tiến hành thí nghiệm chưa phù hợp, nhưng chủ yếu là vì phương tiện thí nghiệm chưa đủ đáp ứng độ chính xác cần thiết nên bản thân thực nghiệm cũng chưa đủ độ tin cậy. Trong khi mọi thực thể trong một hệ chuyển động đều bị sự chuyển động đó gây ảnh hưởng, thì riêng sự truyền sáng lại không bị ảnh hưởng gì là một điều khó tin. Còn nếu chuyển động được thấy là có ảnh hưởng đến sự truyền sáng nhưng chỉ làm lệch hướng truyền thôi mà không đả động đến vận tốc truyền sáng, thì cũng gây sự đáng ngờ không kém. Rõ ràng rằng qua hai biểu diễn và , đã thấy hé lộ về tính bất ổn của quan niệm vận tốc truyền sáng cực đại bất biến trong chân không và cả của quan niệm về thời gian trôi. Chính quá trình thực hành thí nghiệm, lần lượt dưới hai góc độ quan sát khác nhau (từ hệ O và từ hệ O’) rồi từ đó lần lượt xây dựng một cách độc lập hai biểu diễn toán học mà về thực chất, chỉ là một biểu diễn toán học duy nhất (biểu diễn ) đóng vai trò là xuất phát điểm dẫn đến hai biểu diễn về không gian và thời gian và đã chỉ ra rằng:

- Sự truyền sáng trong chân không đúng là bị biến đổi bởi sự ảnh hưởng của chuyển động. Có ảnh hưởng này là do hoặc chuyển động tác động trực tiếp đến hạt sáng (hay tia sáng), hoặc chuyển động tác động trực tiếp đến quan sát, nhưng thông thường là do cả hai xảy ra cùng một lúc.

- Vì vậy, sự biến đổi bởi chuyển động của sự truyền sáng trong chân không trước quan sát là một hiện thực vừa khách quan vừa chủ quan, hay có thể nói là hiện thực khách quan đã bị lũng đoạn bởi chủ quan, mà xét cho đến cùng là hoàn toàn khách quan (vì phải như thế chứ không thể khác).

- Sự biến đổi ấy thể hiện ra, có khi chỉ là sự lệch hướng truyền sáng, có khi chỉ là sự thay đổi tốc độ truyền sáng, nhưng phổ biến là đồng thời vừa lệch hướng vừa thay đổi tốc độ truyền sáng.

- Sự biến đổi ấy là có qui luật: tuân theo triệt để phép tổng hợp vận tốc (nguyên tắc hình bình hành) của cơ học cổ điển, đồng thời phải thỏa mãn mặc định c là giá trị vận tốc giới hạn cực đại. Nghĩa là nếu chia hai vế của biểu diễn cho cùng một thời gian t (hoặc t’) nào đó thì sẽ nhận được hai giá trị vận tốc w và w’ nào đó mà nếu chúng không trùng phương thì cùng với vận tốc v, bao giờ cũng lập được chính xác một hình bình hành vận tốc, và kể cả trường hợp trùng phương, trong hai vận tốc ấy (w và w’) nếu vận tốc này bằng c thì vận tốc kia phải nhỏ hơn c và ngược lại.

- Hai biểu diễn ấy trình bày mối quan hệ nhất quán giữa sự truyền sáng, chuyển động và quan sát liên quan đến hai hệ qui chiếu quán tính chuyển động vận tốc v so với nhau, trong đó, một cách tùy ý, nếu chọn một hệ là đứng yên thì hệ còn lại là chuyển động. Khi chưa có cách nào xác định được sự đứng yên tuyệt đối trong chân không (hay trong môi trường ête) thì vận tốc v là có tính tương đối và hai biểu diễn, nếu có đúng thì cũng chỉ đúng đối với các quan sát được cho là ở một trong hai hệ qui chiếu quán tính đang xét. Hay có thể nói, hai biểu diễn ấy mô tả một hiện tượng phổ quát khách quan là, trong mọi quan sát chủ quan về thực tại, luôn tồn tại một sự bất định nhất định và sự bất định ấy là có tính khách quan nên cũng không thể khắc phục được. (Như vậy, nếu không có sự suy lý hỗ trợ, thậm chí là đóng vai trò trọng yếu, thì nhận thức sẽ không bao giờ đạt đến tận cùng chân lý).

- Đến đây, có thể thấy, quan niệm về sự phát sáng từ một hệ đứng yên tương đối (cũng có nghĩa là chuyển động tương đối), lan truyền trong chân không với vận tốc cực đại bất biến c trên mọi phương chiều là không thể đứng vững được. (Ánh sáng là vật chất nên cũng phải vận động tuân thủ nguyên lý Tự Nhiên, phải tương tác và bị tương tác). Việc thực nghiệm xác nhận sự bất biến của vận tốc c trong sự truyền sáng, không bị ảnh hưởng bởi tác động của chuyển động chỉ có thể là do thực nghiệm đã không đủ khả năng phát hiện ra sự chênh lệch quá nhỏ của sự biến đổi vận tốc truyền sáng trên các phương chiều. Còn thấy rằng, vận tốc v không chỉ có tính tương đối mà còn hàm chứa cả tính tuyệt đối (so với ête) nữa. Tại thời điểm thì sự “hội ngộ” ấy xảy ra trong môi trường ête nên lúc đó O và O’ cũng trùng với điểm ête đứng yên tuyệt đối O_e nào đó. Giả sử rằng khi  thì xảy ra sự phát sáng từ O_e. Chỉ khi đó, nghĩa là chỉ khi được phát ra từ hệ đứng yên tuyệt đối trong chân không, ánh sáng mới lan truyền với vận tốc cực đại c và bất biến trên mọi phương chiều. Vận tốc v lúc đó cũng bộc lộ ra tính tuyệt đối của nó. Tuy nhiên, nếu quan sát từ O và O’, chỉ trong trường hợp lý tưởng (sự truyền tin tức thời, quan niệm đúng đắn về sự truyền sáng và chuyển động…) mới “thấy” được hiện tượng ngoạn mục đó, còn trong thực tế là không thể quan sát được.

- Nếu hai biểu diễn ấy là thực sự đúng đắn thì chúng cũng là một tất yếu khách quan và có tính duy nhất. Do đó có thể dựa vào chúng và thậm chí phải dựa vào chúng để tiếp tục nhận thức, tiếp tục nghiên cứu những hiện tượng có liên quan đến chuyển động và sự truyền sáng. Tuy nhiên, vì hai biểu diễn ấy cũng đồng thời chỉ ra sự tồn tại không thể khắc phục được của tính bất định trong quan sát, cho nên khi sử dụng chúng, phải cẩn trọng trong nhận định đối với các kết quả thu được. Chẳng hạn, có thể suy ra một cách giản đơn từ hai biểu diễn ấy sự bất biến về giá trị vận tốc truyền sáng đối với ảnh hưởng của chuyển động và do đó, cũng phải đi đến quan niệm không gian của hai hệ qui chiếu quán tính chuyển động so với nhau là không đồng nhất và sự trôi thời gian trong mỗi hệ là nhanh chậm khác nhau. Thế nhưng sự suy ra ấy chỉ là ngộ nhận và do đó mà cũng phạm sai lầm. Đúng ra thì nên hiểu: không gian ở tầng vĩ mô của Vũ Trụ thực tại là đồng nhất, và trong Vũ Trụ thực tại không hề có sự trôi thời gian nào cả. Hai biểu diễn và chỉ nói lên rằng, do ảnh hưởng của chuyển động mà kết quả quan sát đối với cùng một hiện tượng truyền sáng, đặt trên hai hệ qui chiếu quán tính chuyển động tương đối so với nhau là có sự sai biệt nhau về hướng truyền sáng, độ dài ngắn của khoảng cách truyền và độ lâu mau của thời gian truyền theo qui luật tỷ lệ của độ dài khoảng cách và khoảng thời gian tương ứng với nó là bất biến đối với hai quan sát ấy, hơn nữa là sao cho quan sát nào cũng thấy c  là giá trị vận tốc cực đại giới hạn trong Vũ Trụ. Nghĩa là về mặt toán học, hai biểu diễn và hợp thành một phép biến đổi qua lại nhau giữa hai kết quả quan sát nói trên, hay nói xác đáng hơn là giữa hai tọa độ góc lấy phương chiều véctơ làm đồng trục của hai hệ quán tính chuyển động tương đối so với nhau.
(Còn tiếp)
-------------------------------------------------------------