Vì sao E = mc2? - Phần 12 | Thư Viện Vật Lý

Chương 3

Thuyết Tương Đối Hẹp

Ở Chương 1, ta đã thành công trong việc xác lập quan điểm Aristotle luận rất trực giác của không gian và thời gian với đầy những thủ thuật tinh ranh. Nói cách khác, ta đã chỉ ra đơn giản là chẳng cần xem không gian là cấu trúc cố định, bất biến, và tuyệt đối, trong đó mọi thứ xảy ra. Ta cũng đã thấy Galileo đã đánh giá như thế nào sự không thỏa đáng của việc giữ lấy khái niệm không gian tuyệt đối, đồng thời giữ vững quan niệm một thời gian chung cho tất cả. Ở chương trước, ta đã dạo qua nền vật lí thế kỉ mười chín của Faraday và Maxwell, trong đó ta đã học được rằng ánh sáng không gì hơn là một sự cộng sinh của điện trường và từ trường ăn khớp hoàn hảo với các phương trình đẹp đẽ của Maxwell. Tất cả những điều đó đưa chúng ta đến đâu? Nếu ta bác bỏ khái niệm không gian tuyệt đối, thì ta thay thế nó bằng cái gì? Và ý nghĩa là gì khi ta nói bóng gió tới sự sụp đổ của khái niệm thời gian tuyệt đối? Mục tiêu của chương này là đưa ra câu trả lời cho những câu hỏi này.

Albert Einstein chắc chắn là nhân vật biểu trưng của khoa học hiện đại. Mái tóc bạc, rối bù, cộng với hành vi kì cục mang lại đúng biệt danh “giáo sư”; hãy bảo một đứa trẻ miêu tả một nhà khoa học xem, có thể cô bé sẽ đưa ra các chi tiết trông na ná như bác Einstein già khú già khắm này. Tuy nhiên, các quan điểm trong quyển sách này là các quan điểm của một chàng thanh niên. Lúc chuyển giao thế kỉ hai mươi, khi Einstein đang suy nghĩ về bản chất của không gian và thời gian, ông mới hơn hai mươi tuổi, với một cô vợ trẻ và một mái ấm gia đình. Ông chưa có địa vị gì trong trường đại học hay cơ quan nghiên cứu, mặc dù ông thường xuyên bàn luận vật lí học với một nhóm nhỏ bạn bè, thường diễn ra muộn đến tận khuya. Một hệ lụy không hay của tình trạng rõ ràng tách biệt của Einstein với giới khoa học chính tông là sức cám dỗ hiện nay muốn xem ông là một kẻ tà ma ngoại đạo đã làm khoa học khác người và giành chiến thắng; nói không hay bởi vì nó mang lại cảm hứng cho số lượng không ít kẻ lập dị cho rằng họ đã tự mình khám phá ra một lí thuyết mới của vũ trụ và chẳng hiểu nỗi tại sao không có ai chịu lắng nghe họ cả. Thật ra, Einstein có mối liên hệ chặt chẽ với cộng đồng khoa học, mặc dù con đường khởi nghiệp của ông đã chẳng suôn sẻ gì.

Cái gây ấn tượng là sự kiên trì của ông tiếp tục khảo sát những vấn đề khoa học quan trọng của thời đại trong khi chẳng để mắt tới các địa vị học thuật cấp trường đại học. Lúc tốt nghiệp Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ (ETH) ở Zurich, ở tuổi 21, được đánh giá là một giáo viên chuyên môn khoa học và toán học, ông đã đảm đương một loạt vị trí giảng dạy tạm thời cho phép ông có thời gian hoàn tất luận án tiến sĩ của mình. Trong năm 1901, khi đang giảng dạy tại một trường tư thục ở Schaffhausen thuộc miền bắc Thụy Sĩ, ông đã đệ trình luận án tiến sĩ của ông với trường Đại học Zurich, và bị từ chối. Sau thất bại đó, Einstein chuyển đến ở Bern và bắt đầu sự nghiệp nổi tiếng với vai trò là một chuyên viên kĩ thuật, hạng ba, tại sở cấp bằng sáng chế Thụy Sĩ. Tình hình tài chính tương đối ổn định và thời gian nhàn rỗi này đã mang lại những năm tháng thành tựu nhất của cuộc đời ông, và có thể nói đó là những năm tháng thành tựu nhất của bất kì nhà khoa học nào trong lịch sử.

Phần lớn quyển sách này nói về những hệ quả nghiên cứu của Einstein và điểm qua cái năm vàng son 1905 của ông, cái năm ông đã lần đầu tiên viết ra công thức E = mc², và rốt cuộc được nhận bằng tiến sĩ, và hoàn thiện một bài báo về hiệu ứng quang điện, nhờ đó mà cuối cùng ông giành được Giải thưởng Nobel. Điều đáng nói là Einstein vẫn làm việc tại sở cấp bằng sáng chế vào năm 1906, ở nơi ông đã được thăng tiến lên chuyên viên kĩ thuật hạng hai, nhờ thành tựu đã làm thay đổi mãi mãi nhận thức của chúng ta về vũ trụ. Cuối cùng thì ông đã có được một chỗ đứng học thuật “ra hồn” ở Berlin vào năm 1908. Trong khi người ta có thể tự hỏi liệu Einstein có thể thành tựu được gì nếu như ông đã không phải từ bỏ vật lí học mà nằm ườn ra trong những năm tháng này, nhưng ông luôn luôn nhìn lại quãng thời gian ông ở Bern với sự trìu mến. Trong quyển sách của ông, Tinh tế là trên hết, nhà viết tiểu sử và là bạn của Einstein, Abraham Pais, mô tả những ngày Einstein ở sở cấp bằng sáng chế là “quãng thời gian thiên đường của ông trên trái đất”, bởi vì ông đã có thời gian để suy ngẫm về vật lí học.

Cảm hứng của Einstein trên hành trình đưa đến công thức E = mc² là nét đẹp toán học của các phương trình Maxwell, nó gây ấn tượng với ông đến mức ông quyết định nghiên cứu nghiêm túc điều dự đoán rằng tốc độ ánh sáng là một hằng số. Về mặt khoa học, điều này nghe không có vẻ gì gây tranh cãi lắm: Các phương trình Maxwell được xây dựng dựa trên nền tảng của các thí nghiệm Faraday, và chúng ta tranh luận những hệ quả đó với ai bây giờ? Toàn bộ cái ngáng đường của chúng ta là một ý kiến chống lại quan niệm rằng có cái gì đó có thể chuyển động với tốc độ không đổi, bất chấp ta đang đuổi theo nó bao nhanh. Hãy tưởng tượng lái xe xuống đường ở tốc độ 40 dặm/giờ và giả sử một xe qua mặt bạn đang chạy ở tốc độ 50 dặm/giờ. Cái có vẻ hiển nhiên là bạn thấy chiếc xe thứ hai đó đang tiến ra xa với tốc độ 10 dặm/giờ. Việc nghĩ rằng điều này là “hiển nhiên” chính là loại ý kiến mà ta phải kháng lại nếu ta tán thành Einstein và chấp nhận rằng ánh sáng truyền ra xa bạn ở tốc độ không đổi cho dù bạn đang chuyển động nhanh bao nhiêu. Bây giờ ta hãy chấp nhận, như Einstein đã chấp nhận, rằng cảm nhận thường ngày của chúng ta có thể đánh lừa chúng ta, và xem một tốc độ ánh sáng không đổi sẽ đưa đến đâu.