Vì sao E = mc2? - Phần 11 | Thư Viện Vật Lý

Trong khi việc từ bỏ ether có thể thỏa mãn về mặt thẩm mĩ và được số liệu thực nghiệm ủng hộ, nhưng nếu ta chọn mũi lao này thì chắc chắn ta gặp phải một vấn đề nghiêm trọng: Các phương trình Maxwell đưa ra một dự đoán rất chính xác cho tốc độ ánh sáng nhưng không hề chứa thông tin gì nói tốc độ đó được đo so với cái gì. Ta hãy bình tĩnh dừng lại một chút, chấp nhận các phương trình đó là có giá trị, và xét xem con đường trí tuệ đó đưa ta đi đến đâu. Nếu ta đi tới chỗ vô lí, thì ta luôn có thể lùi lại và thử tìm một giả thuyết khác, và cảm thấy hài lòng rằng mình đã làm cái gì đó có tính khoa học. Các phương trình Maxwell dự đoán rằng ánh sáng luôn luôn truyền đi với vận tốc 299.792.458 m/s, và không có chỗ nào để chèn vào vận tốc của nguồn sáng hay vận tốc của máy thu. Các phương trình đó thật sự trông như khăng khăng rằng tốc độ ánh sáng sẽ luôn luôn được đo bằng nhau, cho dù nguồn sáng và máy thu chuyển động tương đối với nhau nhanh chậm bao nhiêu. Có vẻ như các phương trình Maxwell đang mách bảo chúng ta rằng tốc độ ánh sáng là một hằng số của tự nhiên. Đây thật sự là một khẳng định lạ, vì thế ta hãy dành thêm chút ít thời gian để nói thêm về ý nghĩa của nó.

Hãy tưởng tượng ánh sáng lan tỏa từ một ngọn đèn pha. Theo nghĩa thông thường, nếu ta chạy đủ nhanh thì trên nguyên tắc ta có thể bắt kịp phía trước chùm sáng khi nó truyền về phía trước. Cảm nhận thông thường thậm chí đề xuất rằng ta có thể chạy song hành với đầu chùm sáng nếu ta chạy được ở tốc độ ánh sáng. Nhưng nếu ta áp dụng các phương trình Maxwell vào, thì cho dù ta chạy bao nhanh, chùm sáng vẫn lùi ra xa ta ở tốc độ 299.792.458 m/s. Nếu không như vậy, thì tốc độ ánh sáng sẽ khác đối với người chạy so với người cầm đèn, trái với các kết quả thí nghiệm của Michelson và Morley và khẳng định của chúng ta rằng tốc độ ánh sáng là một hằng số của tự nhiên, luôn luôn là một con số không đổi, bất chấp chuyển động của nguồn sáng hay của người quan sát. Dường như chúng ta đã tự đặt mình vào một tình huống lố bịch. Chắc chắn cảm nhận thông thường sẽ khuyên chúng ta bác bỏ, hay ít nhất phải sửa đổi hay hiệu chỉnh các phương trình Maxwell: Có lẽ chúng chỉ gần đúng thôi. Giờ thì khẳng định đó nghe không có vẻ gì vô lí nữa, vì chuyển động của bất kì thiết bị thí nghiệm nào trên thực tế chỉ gây ra một biến thiên nhỏ xíu trong 300 triệu m/s xuất hiện trong các phương trình Maxwell. Vì nó thật sự quá nhỏ nên nó không được phát hiện trong các thí nghiệm của Faraday. Một lựa chọn khác là chấp nhận giá trị của các phương trình Maxwell và tuyên bố lạ lùng rằng chúng ta không bao giờ đuổi kịp một chùm ánh sáng. Không những ý tưởng đó lạ lẫm đối với cảm nhận thông thường của chúng ta, mà chương tiếp theo sẽ làm sáng tỏ nó còn hàm ý rằng chúng ta phải vứt bỏ triệt để khái niệm thời gian tuyệt đối.

Việc vứt bỏ thời gian tuyệt đối với chúng ta ngày nay còn là khó khăn chứ đừng nói gì các nhà khoa học hồi thế kỉ mười chín. Chúng ta có một trực giác mạnh ngả về không gian và thời gian tuyệt đối rất khó từ bỏ, nhưng ta sẽ phải xóa bỏ trực giác đó. Ngoài ra, các định luật Newton một mực bám lấy những khái niệm này và, thậm chí cho đến ngày nay, các phương trình đó vẫn là nền tảng cho công việc của nhiều kĩ sư. Trở lại thế kỉ mười chín, các định luật Newton dường như là không thể sứt mẻ. Trong khi Faraday đang trình bày các tác phẩm điện học và từ học tại Viện Hoàng gia, thì Isambard Kingdom Brunel đang ngồi trên Đại Tây Hỏa Xa từ London tới Bristol. Cầu treo Clifton biểu tượng của Brunel được hoàn thành vào năm 1864, cùng năm với Maxwell đạt được lí thuyết thống nhất công trình của Faraday và bao hàm bí mật của ánh sáng. Cầu Brooklyn được khánh thành 8 năm sau đó, và vào năm 1889 Tháp Effiel mọc lên trên bầu trời nước Pháp. Toàn bộ những thành tựu nổi bật của thời đại hơi nước được thiết kế và xây dựng dựa trên các phương trình do Newton sáng lập. Cơ học Newton hết sức rõ ràng chứ không mập mờ trừu tượng. Các biểu tượng thành công của nó mọc lên trên khắp địa cầu trong sự hân hoan của nhân loại chinh phục các định luật của tự nhiên. Hãy tưởng tượng sự kinh ngạc trong nhận thức của các nhà khoa học cuối thế kỉ mười chín khi họ đối mặt với các phương trình Maxwell và ẩn ý của chúng công kích vào tận nền tảng của thế giới quan Newton luận. Chắc chắn chỉ có thể có một người thắng cuộc. Chắc chắn Newton và khái niệm thời gian tuyệt đối sẽ ca khúc khải hoàn. Tuy nhiên, thế kỉ hai mươi đã ló dạng với vấn đề tốc độ không đổi của ánh sáng sẽ kéo mây mù bao phủ: Maxwell và Newton không thể cùng đúng được. Mãi cho đến năm 1905 và công trình của một nhà vật lí chưa danh phận tên là Albert Einstein thì mới chứng minh được cuối cùng tự nhiên ngả theo phe Maxwell.