Không gian và thời gian pot

LƯỢC SỬ THỜI GIAN - Không gian và thời gian Những ý niệm của chúng ta hiện nay về chuyển động của vật thể bắt nguồn từ Galileo và Newton. Trước họ, người ta tin Aristotle, người đã nói rằng trạng thái tự nhiên của một vật là đứng yên, và nó chỉ chuyển động dưới tác dụng của một lực hoặc một xung lực. Từ đó suy ra rằng, vật nặng sẽ rơi nhanh hơn vật nhẹ, bởi vì nó có một lực kéo xuống đất lớn hơn. Truyền thống Aristotlecũng cho rằng người ta có thể rút ra tấtcả các định luật điều khiển vũ trụ chỉ bằng tư duythuần túy, nghĩa là khôngcần kiểm trabằng quan sát. Như vậy, cho tới tận Galileokhôngcó ai băn khoăn thử quan sát xem có thực là các vật có trọng lượngkhác nhau sẽ rơi với vận tốc khác nhauhay không. Ngườita kể rằngGalieo đã chứng minhniềm tincủa Aristotle là saibằng cách thả những vật có trọng lượng khác nhautừ tháp nghiêngPisa. Câuchuyện này chắn hẳn là không có thật,nhưng Galileo đã làm mộtviệc tươngđương:ông thả những viên bi có trọnglượng khác nhau trên một mặt phẳng nghiêngnhẵn. Tình huống ở đây cũngtươngtự như tình huốngcủa các vật rơi theo phương thẳng đứng, nhưng có điều nó dễ quan sáthơn vì vận tốc củacác vật nhỏ hơn. Các phép đo của Galileo chỉ ra rằng các vật tăngtốc vớimột nhịp độ như nhau bất kể trọng lượngcủa nó bằngbao nhiêu. Ví dụ, nếu bạnthả một viên bi trên một mặt phẳng nghiêng có độ nghiêng saocho cứ 10 m dọc theo mặt phẳng thì độ cao lại giảm1m, thì viên bisẽ lăn xuống với vận tốc 1m/ssau 1 giây,2m/s sau2 giây bất kể viên bi nặng bao nhiêu. Tất nhiên, viên bibằng chì sẽ rơi nhanh hơnmộtchiếc lôngchim,nhưng chiếc lông chimbị làm chậm lạichỉ vì sức cảncủa khôngkhí mà thôi.Nếuthả hai vật khôngchịu nhiều sứccản khôngkhí, ví dụ như hai viên bi đều bằng chì, nhưng có trọnglượngkhác nhau, thì chúng sẽ rơi nhanhnhư nhau. Những phép đocủa Galileođã được Newtonsử dụng làmcơ sở cho những định luật về chuyển động của ông. Trong những thực nghiệmcủa Galileo, khimột vật lăn trên mặt phẳng nghiêng,nó luôn luôn chịutác dụngcủa cùng một lực (là trọng lực của nó) và kết quả là làm cho vận tốc của nó tăngmột cách đều đặn.Điều đó chứng tỏ rằng,hậu quả thực sự của một lực là luônluôn làm thay đổi vận tốc của một vật, chứ không phải là làmcho nóchuyển độngnhư người ta nghĩ trước đó. Điều nàycũng có nghĩa là, bấtcứ khi nào vật không chịu tácdụng củamột lực, thì nó vẫntiếp tụcchuyển động thẳng vớicùng một vận tốc. Ý tưởng này đã được phát biểumột cáchtường minhlần đầu tiêntrong cuốn Principia Mathematica (Các nguyênlý toán học), được côngbố năm 1867, của Newton và saunày được biết như địnhluật thứ nhất của Newton.Định luật thứ hai củaNewtoncho biếtđiều gì sẽ xảy rađối với một vật khi có một lực tác dụng lên nó. Định luật nàyphát biểu rằng vật sẽ có gia tốc,hay nói cách kháclà sẽ thay đổi vậntốc tỷ lệ với lực tác dụng lên nó.(Ví dụ, gia tốc sẽ tăng gấp đôi, nếu lực tác dụngtăng gấpđôi). Giatốc cũng sẽ càngnhỏ nếu khối lượng(lượngvật chất) của vật cànglớn.(Cùng một lực tác dụnglên vật có khối lượnglớngấp hai lần sẽ tạo ra mộtgia tốc nhỏ hơn hailần). Một ví dụ tương tự lấy ngay từ chiếc ôtô: động cơ càng mạnh thì gia tốc càng lớn, nhưng với cùng một độngcơ, xecàng nặng thì gia tốccàng nhỏ. Ngoài những định luật về chuyển động, Newtoncòn phát minhra định luật về lực hấp dẫn. Địnhluật này phát biểu rằng mọi vật đều hút một vật khácvới một lực tỉ lệ với khối lượng của mỗivật. Như vậy lực giữa haivậtsẽ mạnhgấp đôinếu một trong haivật (ví dụ vật A) có khối lượngtănggấp hai. Đây là điều bạn cầnphải trông đợibởi vì có thể xem vật mớiA đượclàmtừ hai vậtcó khối lượng banđầu, và mỗi vật đó sẽ hút vật B với một lực banđầu. Như vậy lực tổng hợp giữa A và B sẽ hai lầnlớn hơn lực banđầu. Vànếu, ví dụ, một trong haivậtcó khối lượng hai lần lớnhơn và vật kiacó khối lượng balần lớnhơn thì lực tácdụng giữa chúng sẽ sáu lần mạnhhơn. Bây giờ thì ta có thể hiểu tại sao cácvật lạirơi với một gia tốc như nhau: mộtvật có trọng lượng lớn gấp hailần sẽ chịu một lực hấpdẫn kéo xuống mạnh gấp hailần, nhưng nó lại có khối lượnglớn gấphai lần. Như vậy theo định luật 2 củaNewton, thì haikết quả này bù trừ chínhxác chonhau, vì vậy gia tốc của các vật là như nhau trong mọi trường hợp. Địnhluật hấpdẫn của Newtoncũng cho chúngta biết rằng cácvật càng ở xa nhau thì lựchấp dẫncàng nhỏ.Ví dụ,lực hút hấp dẫn củamộtngôi saođúng bằng một phần tư lực hút của một ngôi sao tươngtự, nhưng ở khoảng cách giảmđi một nửa. Địnhluật này tiên đoán quỹ đạocủa tráiđất, mặt trăng và cáchành tinhvới độ chínhxác rất cao.Nếu định luật này khác đi, chẳnghạn,lực hút hấp dẫncủa một ngôi saogiảmtheo khoảng cách nhanh hơn, thì quỹ đạo của các hành tinh không còn là hình elipnữa, mà chúng sẽ là những đường xoắn ốc về phía mặt trời. Nếu lực đó lại giảm chậm hơn, thì lực hấp dẫn từ các ngôi saoxa sẽ lấn át lực hấp dẫn từ mặt trời. Sự khácbiệt tolớn giữa nhữngtư tưởng của Aristotle và nhữngtư tưởngcủa Galileo và Newton làở chỗ Aristotle tinrằng trạng tháiđứng yênlà trạng thái được “ưa thích” hơn của mọi vật - mọi vật sẽ lấy trạng thái đó, nếu không cómột lực hoặc xunglựcnào tác dụng vàonó. Đặcbiệt, ông cho rằngtrái đấtlà đứngyên. Nhưng từ nhữngđịnh luật của Newtonsuy rarằng không có mộttiêu chuẩn đơn nhất cho sự đứng yên. Người ta hoàn toàncó quyền như nhau khi nói rằng, vật A là đứng yên và vật B chuyển động với vận tốckhông đổi đốivới vật A hoặc vật Blà đứng yên và vật A chuyển động. Ví dụ,nếu tạmgác ra một bên chuyển động quay của trái đất quanh trụccủa nó và quỹ đạo củanó xungquanh mặt trời, người ta có thể nói rằng trái đất làđứng yênvà đoàntàu trênnó chuyển độngvề phía bắc với vận tốc90 dặm một giờ hoặc đoàn tàulà đứng yên còn trái đất chuyển động về phía namcũngvới vận tốc đó. Nếu người ta tiến hànhnhững thínghiệmcủa chúng ta với các vậtchuyển độngtrên con tàu đó thì tất cả các định luật của Newton vẫn còn đúng. Ví dụ, khi đánhbóngbàn trên con tàu đó, người ta sẽ thấyrằng quả bóng vẫn tuân theo các định luật củaNewtonhệt như khi bànbóng đặt cạnh đường ray. Như vậy không có cách nào cho phépta nói được là con tàu haytrái đấtđang chuyển động. Việc khôngcó một tiêu chuẩntuyệt đối cho sự đứng yên có nghĩa là người ta không thể xác định đượchaisự kiện xảy raở hai thời điểmkhácnhau có cùng ở một vị trí trong không gian haykhông. Vídụ, giả sử quả bóng bàn trên con tàu nảy lên và rơi xuống chạm bàn ở cùng một chỗ saukhoảng thời gian1 giây. Đối với người đứng cạnh đườngray thì hai lần chạmbàn đó xảy ra ở hai vị trí cách nhau 40m vì con tàu chạy được quãngđường đó trong khoảngthời gian giữa hailần quả bóng chạm bàn. Sự khôngtồn tại sự đứng yên tuyệtđối, vì vậy, có nghĩa làngười takhông thể gán cho mộtsự kiện một vị trí tuyệt đối trongkhông gian, như Aristotleđã tâm niệm. Vị trí của các sự kiện và khoảng cách giữa chúnglà khácnhau đốivới người ở trên tàu và người đứng cạnhđườngray và chẳng có lýdo gì để thích vị trí của người này hơnvị trí của ngườikia. Newton là người rất băn khoăn về sự không có vị trí tuyệt đối, hay như người ta vẫn gọilà không có khônggiantuyệt đối, vì điềuđó khôngphù hợp vớiý niệm của ông về Thượng đế tuyệt đối. Thực tế, Newtonđã chối bỏ, không chấp nhận sự khôngtồn tại củakhônggian tuyệt đối, mặc dù thậm chí điều đó đã ngầm chứa trong những định luật của ông.Ông đã bị nhiềungười phê phánnghiêm khắc vì niềmtin phi lýđó, mà chủ yếunhất làbởi Giám mục Berkeley,một nhà triết học tin rằng mọi đối tượng vật chất và cả không gian lẫn thời gianchỉ là mộtảo ảnh. Khi người ta kể cho tiến sĩ Johnson nổi tiếngvề quan điểm của Berkeley, ôngkêu lớn: “Tôisẽ bác bỏ nó như thế này này!” và ôngđá ngónchân cáivào một hòn đá lớn. Cả Aristotle lẫn Newtonđều tinvào thời gian tuyệt đối. Nghĩa là, họ tin rằng người ta có thể đo mộtcách đàng hoàng khoảng thời gian giữahai sự kiện, rằng thời gian đó hoàn toàn như nhau dùbất kỳ ai tiếnhành đo nó, miễn là họ dùng mộtchiếc đồnghồ tốt. Thời gian hoàn toàn tách rời và độclập với khônggian. Đó là điều mà nhiều người xemlà chuyện thường tình.Tuy nhiên, đếnlúc chúngta phải thayđổi những ýniệm của chúngta về không gian và thời gian.Mặc dù những quanniệm thông thường đó của chúng ta vẫn có kết quả tốt khi đề cậptới các vật như quả táo hoặc cáchành tinhlà những vật chuyển độngtương đối chậm, nhưng chúngsẽ hoàn toàn không dùng được nữađối với những vật chuyển độngvớivận tốc bằng hoặc gần bằngvận tốc ánh sáng. Năm 1676,nhàthiên vănhọc Đan Mạch Ole Christensen Roemer là người đầu tiên pháthiện ra rằng ánh sáng truyền với vận tốc hữu hạn, mặcdù rất lớn. Ôngquan sát thấy rằngthời gian để các mặt trăng của saoMộc xuất hiện saukhi đi qua phía sau của hành tinh đó không cách đềunhau như ngườita chờ đợi, nếu các mặt trăngđó chuyển động vòngquanh saoMộcvới vận tốc không đổi. Khi tráiđất và sao Mộc quanhxung quanh mặt trời,khoảng cáchgiữa chúng thayđổi. Roemer thấyrằng sự che khuất các mặt trăng của sao Mộc xuấthiện càng muộnkhi chúng ta càng ở xa hànhtinhđó. Ông lý luận rằng điềuđó xảy ra làdo ánhsángtừ các mặt trăngđó đến chúngta mấtnhiều thời gian hơn khichúngta ở xa chúng hơn. Tuy nhiên,do những phépđo của ông về sự biến thiên khoảngcáchgiữa trái đất và sao Mộc không được chínhxác lắm, nên giátrị vận tốc ánh sáng mà ông xác địnhđược là 140.000dặm/s, trong khi giátrị hiện nay đođược của vận tốc này là 186.000 dặm/s(khoảng300.000 km/s). Dù sao thành tựucủa Roemercũngrất đáng kể, khôngchỉ trong việc chứng minh đượcrằng vậntốc của ánh sáng là hữu hạn, màcả trong việc đo được vận tốc đó,đặc biệt nó lại được thựchiện 11năm trướckhi Newton cho xuất bản cuốn PrincipiaMathematica. Một lý thuyếtđích thựcvề sự truyền ánh sáng phải mãi tới năm 1865mới ra đời, khi nhà vật lý người AnhJames Clerk Maxwellđã thànhcông thống nhấthai lý thuyết riêngphần chotới thời gianđó vẫn được dùng để mô tả riêng biệt các lực điện và từ. Cácphươngtrình của Maxwelltiên đoán rằngcó thể cónhững nhiễu độnggiống như sóng trong một trường điện từ kết hợp, rằngnhững nhiễu độngđó sẽ đượctruyền với một vận tốccố địnhgiống như những gợn sóng trên hồ.Nếu bướcsóng của nhữngsóng đó (khoảngcách của haiđỉnh sóng liên tiếp) là một mét hoặc lớn hơn,thì chúng được gọilà sóng radio(hay sóngvô tuyến). Những sóngcó bướcsóng ngắn hơn đượcgọi là sóng cựcngắn (với bước sóngvài centimet) hoặc sóng hồngngoại(với bướcsóng lớn hơnmười phần ngàncentimet). Ánh sáng thấy được có bước sóng nằm giữa bốn mươi phầntriệu đến tám mươi phần triệu centimet.Nhữngsóng có bước sóngcònngắn hơn nữalà tia tử ngoại, tia - X và các tia gamma. Lý thuyết của Maxwelltiên đoán các sóng vô tuyến và sóng ánh sángtruyền với một vận tốccố định nào đó.Nhưng lý thuyết củaNewtonđã gạt bỏ khái niệm đứng yên tuyệt đối, vì vậy nếuánhsáng đượcgiả thiết là truyềnvới một vận tốccố định, thì cần phải nói vậntốc cố định đó là đối với cáigì. Do đó người ta cho rằngcó một chất gọi là “ether” có mặt ở khắp mọi nơi, thậm chí cả trong không gian “trống rỗng”. Các sóng ánh sáng truyền qua ether như sóng âmtruyền trong không khí, và do vậy, vậntốc của chúnglà đốivới ether.Nhữngngười quansát khác nhau chuyển động đốivới ether sẽ thấy ánhsáng đi tới mình vớinhữngvận tốc khác nhau, nhưngvận tốc của ánh sáng đốivới etherluôn luôncó một giá trị cố định. Đặc biệt,vì trái đất chuyển độngquaether trên quỹ đạo quay quanh mặt trời,nên vận tốccủa ánhsáng đượcđo theohướngchuyển động của tráiđất qua ether(khi chúng ta chuyểnđộng tới gầnnguồn sáng)sẽ phải lớnhơn vận tốccủa ánhsáng hướngvuông gócvới phương chuyển động(khi chúngta khôngchuyển động hướngtới nguồn sáng). Năm 1887, AlbertMichelson(sau này trở thành người Mỹ đầu tiên nhận đượcgiải thưởngNobel về vật lý) và EdwardMorleyđã thực hiện một thựcnghiệm rất tinh xảotại trường Khoahọc ứngdụng Case ở Cleveland. Họ đã so sánh vận tốc ánh sáng theohướngchuyển động của tráiđất với vậntốc ánh sáng hướngvuông gócvới chuyển độngcủa trái đất. Vàhọ đã vô cùng ngạcnhiên khi thấy rằng haivận tốc đó hoàn toàn như nhau! Giữa năm1887và năm 1905cómột số ý định, mà chủ yếu là của vật lý ngườiHà Lan HendrikLorentz,nhằm giải thích kết quả của thí nghiệm Michelson- Morley bằngsự colại của cácvật và sự chậm lại củađồng hồ khichúng chuyểnđộng qua ether.Tuy nhiên,trongbài báo công bố vào năm 1905, AlbertEinstein,mộtnhân viên thuộc văn phòng cấp bằng sáng chế phát minh ở Thụy Sĩ, người mà trướcđó còn chưaai biết tới, đã chỉ ra rằng toànbộ ý tưởng về ether là không cần thiết nếu người ta sẵnlòng vứt bỏ ý tưởng về thời gian tuyệt đối.Quan niệm tương tự cũng đã được một nhà toánhọc hàng đầu của Pháp làHenri Poincaré đưa rachỉ ít tuần sau. Tuynhiên, nhữnglý lẽ của Einstein gần với vật lý hơn Poincaré, người đã xem vấn đề này như một vấn đề toánhọc. Công laoxâydựng nênlý thuyết mới này thường đượcthừa nhậnlà của Einstein, nhưngPoincaré vẫn thường được nhắc nhở tới và têntuổi củaông gắnliền với một phầnquantrọng của lý thuyết đó. Tiênđề cơ bản của lý thuyết mới - mà người ta thườnggọi là thuyếttương đối - được phát biểu như sau: mọi định luật củakhoa học là như nhauđối với tất cả những người quan sát chuyển động tự do bất kể vận tốc của họ là bao nhiêu.Điều này đúng đối với các địnhluậtcủa Newtonvề chuyển động,nhưng bây giờ lý thuyết đó đượcmở rộngra bao hàm cả lý thuyết của Maxwellvà vận tốcánh sáng: mọingười quan sát đều đo đượcvận tốc ánh sáng có giá trị hoàn toàn như nhau bất kể họ chuyển độngnhanh, chậm như thế nào. Ý tưởngđơn giản đó có một số hệ quả rất đáng chú ý. Có lẽ nổi tiếng nhấtlà hệ quả về sự tương đương của khối lượng và năng lượngđược đúc kết trong phương trình nổi tiếngcủa Einstein:E = mc2 và định luật nói rằngkhôngcó vậtnào có thể chuyển động nhanhhơnánh sáng.Vì có sự tương đương giữanăng lượng và khối lượng nên nănglượng mà vật có thể nhờ chuyển động sẽ làm tăng khối lượngcủa nó. Nói một cách khác, nó sẽ làm cho việc tăng vậntốc của vật trở nên khó khăn hơn. Hiệu ứngnàychỉ trực sự quan trọng đối với các vật chuyển động với vận tốcgần với vậntốc ánhsáng. Ví dụ,vậntốc chỉ bằng 10 %vận tốc ánh sáng khối lượng của vật chỉ tăng 0,5 %so với khối lượngbình thường, trongkhi vậntốc bằng90 % vận tốc ánh sáng khối lượngcủanó còn tăng nhanh hơn,vì vậy sẽ càng mấtnhiều năng lượng hơn để tăng vận tốc của nó lênnữa. Thựctế không bao giờ có thể đạt tới vận tốc của ánhsáng vì khiđó khối lượng của vậtsẽ trở thành vô hạn và do sự tương đươnggiữa năng lượngvà khối lượng,sẽ phảitốn một lượng vô hạn nănglượng để đạt được điều đó. Vì lý do đó, một vật bình thườngvĩnh viễn bị tính tương đối giới hạn chuyển động chỉ chuyển độngvới vậntốc nhỏ hơn vận tốc ánh sáng. Chỉ có ánh sáng hoặc các sóngkhác không có khối lượng nội tại là có thể chuyển động với vậntốc ánhsáng. Một hệ quả cũng đáng chúý khôngkém của thuyết tương đối là nó đã làm cách mạng nhữngý niệm củachúng ta về không gianvà thời gian. Tronglý thuyết của Newton, nếu một xungánh sáng được gửi từ nơi này đến nơi khác thì những người quan sát khácnhau đềunhất trí với nhau về thời gian truyền xungánh sáng đó (vì thời gian là tuyệt đối). Vì vận tốc ánhsáng chính bằngkhoảng cách mà nó truyền được chiacho thời gian đã tốn để đi hết quãng đường đó,nên những ngườiquan sát khácnhau sẽ đo đượcvận tốccủa ánhsáng có giá trị khác nhau. Trong thuyết tương đối, trái lại, mọi người quansát đều phải nhất trí về giá trị vận tốc của ánh sáng.Tuy nhiên,họ vẫn còn không nhấttrí về khoảng cách mà ánhsáng đã truyền, vì vậyhọ cũngphải không nhất trívề thời gianmà ánhsángđã tốn (thời giannày bằngkhoảng cách ánh sáng đã truyền - điều mà các nhàquan sátkhôngnhất trí - chia chovậntốc ánh sáng- điều màcácnhà quan sát đều nhất trí). Nói một cách khác,lý thuyết tươngđối đã cáo chung cho ý tưởng về thời giantuyệt đối! Hóara là mỗi người quansátcần phải có một bộ đo thời gianriêng của mình như được ghi nhận bởi đồng hồ mà họ mang theo và các đồnghồ giống hệtnhau được mang bởi những người quansát khácnhau không nhất thiết phải chỉ như nhau. Mỗimột người quansát cóthể dùng radar để biết một sự kiện xảy raở đâu và khi nào bằng cách gửi mộtxung ánh sáng hoặc sóng vô tuyến. Một phầncủa xungphản xạ từ sự kiện trở về và người quansát đo thời gianmà họ nhận đượctiếngdội. Thời gian xảyra sự kiện khi đó sẽ bằng một nửa thời giantínhtừ khi xungđược gửi đi đến khinhận được tiếng dội trở lại, cònkhoảng cách tới sự kiệnbằng nửa số thời gian chohai lượt đi-về đó nhân với vận tốc ánh sáng. (Một sư kiện, theoý nghĩa này, là một điều gì đó xảy ra ở một điểm duynhấttrong không gianvà ở một điểm xác địnhtrong thời gian). Ý tưởng nàyđược minh họa trên hình 2.1,nó là một ví dụ về giản đồ không-thời gian. Dùng thủ tục này,những ngườiquan sát chuyển động đối với nhausẽ gán cho cùng một sự kiện những thời gianvà vị trí khác nhau.Không có những phép đocủa người quan sát đặc biệt nào là đúng hơnnhững người khác, nhưng tất cả các phép đo đều quan hệ với nhau.Bất kỳ một người quan sát nào cũngtính rađược một cách chính xácthời gianvà vị trí mà mộtngườiquan sátkhác gán cho mộtsự kiện, miễnlà người đó biết được vận tốc tương đối của ngườikia. . Thời gian hoàn toàn tách rời và độclập với khônggian. Đó là điều mà nhiều người xemlà chuyện thường tình.Tuy nhiên, đếnlúc chúngta phải thayđổi những ýniệm của chúngta về không gian và thời gian. Mặc. LƯỢC SỬ THỜI GIAN - Không gian và thời gian Những ý niệm của chúng ta hiện nay về chuyển động của vật thể bắt nguồn từ Galileo và Newton. Trước họ, người ta tin Aristotle,. chất và cả không gian lẫn thời gianchỉ là mộtảo ảnh. Khi người ta kể cho tiến sĩ Johnson nổi tiếngvề quan điểm của Berkeley, ôngkêu lớn: “Tôisẽ bác bỏ nó như thế này này!” và ôngđá ngónchân cáivào