Vì sao E = mc2? - Phần 1 | Thư Viện Vật Lý

Vì sao E = mc²?

(và vì sao chúng ta lại quan tâm?)

BRIAN COX & JEFF FORSHAW

NỘI DUNG

Lời cảm tạ

Lời nói đầu

1 KHÔNG GIAN VÀ THỜI GIAN

2 TỐC ĐỘ ÁNH SÁNG

3 THUYẾT TƯƠNG ĐỐI HẸP

4 KHÔNG THỜI GIAN

5 VÌ SAO E = mc²?

6 VÀ TẠI SAO CHÚNG TA LẠI QUAN TÂM? CÁC NGUYÊN TỬ, BẪY CHUỘT VÀ SỨC MẠNH CỦA CÁC NGÔI SAO

7 NGUỒN GỐC CỦA KHỐI LƯỢNG

8 KHÔNG THỜI GIAN CONG

LỜI NÓI ĐẦU

Mục tiêu của chúng tôi trong quyển sách này là mô tả lí thuyết không gian và thời gian của Einstein theo cách đơn giản nhất mà chúng tôi có thể đồng thời làm bộc lộ cái đẹp nổi trội của nó. Cuối cùng chúng tôi sẽ có thể đi tới phương trình nổi tiếng của ông E = mc² sử dụng toán học không có gì phức tạp hơn định lí Pythagoras. Và đừng lo nếu như bạn không nhớ định lí Pythagoras, bởi vì chúng tôi cũng sẽ mô tả nó. Cái quan trọng không kém là chúng tôi muốn mỗi độc giả đọc xong quyển sách nhỏ này thấy được cách các nhà vật lí hiện đại nghĩ về thế giới tự nhiên và xây dựng các lí thuyết trở nên hết sức hữu ích và cuối cùng làm thay đổi cuộc sống của chúng ta. Với việc xây dựng một mô hình của không gian và thời gian, Einstein đã đặt nền tảng cho kiến thức của chúng ta về cách các ngôi sao tỏa sáng, làm sáng tỏ bí ẩn sâu sắc lí giải vì sao động cơ điện và máy phát điện hoạt động được, và cuối cùng đã đặt nền tảng trụ đỡ cho toàn bộ nền vật lí hiện đại. Quyển sách này cũng sẽ kích thích và thách đố. Bản thân cơ sở vật lí không hẳn là vấn đề chính: các lí thuyết của Einstein đã được xác thực rất tốt và được hậu thuẫn bởi rất nhiều bằng chứng thực nghiệm, như chúng ta sẽ thấy dần trong quyển sách này. Trong hành trình đó, cái rất quan trọng cần nhấn mạnh là Einstein có lẽ đã bị ép buộc phải đi tới một bức tranh chính xác hơn của tự nhiên. Trong khoa học, không có những chân lí tuyệt đối, mà chỉ có những quan điểm chưa bị chứng minh là sai. Toàn bộ những gì chúng ta có thể nói chắc chắn, vào lúc này, là lí thuyết của Einstein hoạt động tốt. Thay vậy, cái khiêu khích nằm ở cách khoa học thách thức chúng ta nghĩ về thế giới xung quanh chúng ta. Dù có là nhà khoa học hay không, mỗi người chúng ta đều có trực giác và chúng ta đều suy luận ra các thứ về thế giới từ những kinh nghiệm hàng ngày của mình. Tuy nhiên, nếu chúng ta soi rọi các quan sát của chúng ta dưới ánh sáng lạnh nhạt và chính xác của phương pháp khoa học, thì chúng ta thường phát hiện thấy tự nhiên làm tiêu tan trực giác của chúng ta. Như quyển sách này làm rõ, chúng ta sẽ phát hiện thấy khi các thứ lao đi vèo vèo ở tốc độ cao, các quan niệm cảm nhận hàng ngày về không gian và thời gian bị vứt bỏ và được thay bằng cái gì đó hoàn toàn mới mẻ, bất ngờ, và tao nhã. Đó là một bài học khiêm tốn và có ích, và nó khiến nhiều nhà khoa học có cảm giác rùng mình kính sợ: Vũ trụ phong phú hơn những gì chúng ta tin tưởng là nó sẽ có từ những trải nghiệm hàng ngày của chúng ta. Có lẽ cái đẹp hơn hết thảy là thực tế nền vật lí mới, với tất cả sự phong phú của nó, được lấp đầy bởi một nét đẹp toán học lộng lẫy.

Thỉnh thoảng trông có vẻ khó khăn, nhưng tại cốt lõi của nó khoa học không có gì phức tạp lắm. Người ta có thể mạo hiểm nói rằng chúng ta nên cố gắng vứt đi những thành kiến bẩm sinh của mình để quan sát thế giới càng khách quan càng tốt. Mục tiêu đó có thể ít nhiều thành công, nhưng ít người có thể nghi ngờ sự thành công của nó trong việc dạy chúng ta vũ trụ “vận hành” như thế nào. Cái thật sự khó khăn là học cách không tin vào cái chúng ta có thể thích nghĩ theo sự cảm nhận bình thường. Bằng cách dạy chúng ta chấp nhận tự nhiên theo bản chất của nó, chứ không phải theo sự phán xét mà chúng ta muốn nó phải có, phương pháp khoa học đã mang đến thế giới kĩ thuật hiện đại. Tóm lại, phương pháp khoa học là có tác dụng.

Trong nửa phần đầu của quyển sách, chúng tôi sẽ suy luận ra phương trình E = mc². Nói “suy luận”, ý của chúng tôi là chúng tôi sẽ trình bày làm thế nào Einstein đã đi tới kết luận rằng năng lượng bằng khối lượng nhân với tốc độ ánh sáng bình phương, đó là cái phương trình nói lên. Hãy nghĩ về điều này một chút, có lẽ ta sẽ thấy nó có vẻ gì đó rất lạ. Có lẽ loại năng lượng quen thuộc nhất là năng lượng của chuyển động; nếu ai đó ném một quả bóng cricket vào mặt bạn, bạn cảm thấy đau khi nó đập trúng bạn. Một nhà vật lí sẽ nói rằng đây là vì quả bóng cricket được người ném truyền cho một năng lượng nhất định, và năng lượng này truyền sang mặt bạn khi mặt bạn làm quả bóng dừng lại. Khối lượng là một số đo của lượng vật chất mà một vật chứa. Một quả cricket thì có khối lượng lớn hơn một quả tennis, nhưng có khối lượng nhỏ hơn một hành tinh. Cái E = mc² nói lên là năng lượng và khối lượng có thể hoán đổi giống hệt như đồng đôla và đồng euro có thể hoán đổi, và tốc độ ánh sáng bình phương là tỉ giá hoán đổi. Làm thế nào sống trên Trái đất mà Einstein có thể đi tới kết luận này, và làm thế nào tốc độ ánh sáng tìm được đường đi của nó vào trong một phương trình nói về mối liên hệ giữa khối lượng và năng lượng? Chúng tôi không đặt giả định bất kì một kiến thức khoa học nào được biết trước và chúng tôi né tránh toán học càng xa càng tốt. Tuy nhiên, chúng tôi thật sự hướng đến mục tiêu mang lại cho độc giả một lí giải xác thực (chứ không đơn thuần là một mô tả) của khoa học. Theo hướng tiếp cận đó, chúng tôi hi vọng sẽ mang đến đôi điều mới mẻ.

Trong phần sau của quyển sách, chúng ta sẽ thấy làm thế nào trụ đỡ cho hiểu biết của chúng ta về sự vận hành của vũ trụ. Tại sao các ngôi sao tỏa sáng? Tại sao năng lượng hạt nhân hiệu quả hơn than đá hay dầu mỏ? Khối lượng là gì? Câu hỏi này sẽ đưa chúng ta vào thế giới vật lí hạt hiện đại, Máy Va chạm Hadron Lớn tại CERN ở Geneva, và cuộc săn tìm hạt Higgs có thể đưa đến một lí giải cho nguồn gốc sâu xa của khối lượng. Quyển sách được kết thúc với sự khám phá nổi bật của Einstein rằng cấu trúc của không gian và thời gian là nguyên nhân tối hậu cho lực hấp dẫn và quan niệm lạ lùng cho rằng Trái đất đang rơi “theo một đường thẳng” xung quanh Mặt trời.