Lược sử thuyết tương đối hẹp – Chúa làm gì trước khi tạo ra vũ trụ

Mình chỉ giật title thế thôi, nội dung chính của bài là tóm tắt sự ra đời thuyết tương đối của Einstein và hệ quả về “Sự chậm lại của thời gian” cho tất cả mọi người một cách dễ hiểu nhất. Phần sau sẽ có một số quan điểm t77ôn giáo, chỉ để tham khảo nên mong mọi người hạn chế tranh luận về phần này.

Trước khi Thuyết Tương đối ra đời, người ta vẫn cho rằng thời gian trải dài theo cả hai chiều, từ vô cùng đến vô tận. Định luật lực hấp dẫn của Newton và các mô hình toán học của ông về không thời gian càng khiến người ta tin rằng nhân loại đã gần đạt được sự mô tả đầy đủ về vũ trụ, việc cần thiết còn lại chỉ là các phép đo chính xác hơn và cuối cùng là thống nhất lại các mô hình trong ete.

Ête đã từng được coi như là một môi trường vật chất không khối lượng lấp đầy toàn bộ không gian. Ý tưởng về môi trường như thế cần thiết để cho sóng điện từ có thể lan truyền đi được. Theo thuyết này, ánh sáng truyền trong ete với một tốc độ nhất định. Tức là, nếu bạn chuyển động cùng chiều với ánh sáng thì sẽ nhận thấy vận tốc ánh sáng nhỏ hơn khi bạn chuyển động ngược chiều với nó.

Một trong các vấn đề quan trọng lúc bấy giờ là đo được vận tốc ánh sáng một cách chính xác. Tuy nhiên khi cố gắng đo vận tốc của ánh sáng, các nhà khoa học liên tiếp thất bại.

  • Thí nghiệm Michelson-Morley được mô tả như trong hình vẽ: Một tia sáng chiếu đi và được tách thành 2 tia vuông góc với nhau. Hai tia này sau đó được phản chiếu một lần nữa để hợp thành 1 tia giao thoa và cuối cùng là đi về máy thu. Xét với trường hợp tia S1 vuông góc với hướng quay của Trái Đất, S2 cùng phương di chuyển với Trái Đất. Vậy vận tốc của tia S2 sẽ được cộng thêm vận tốc của Trái Đất (với chiều đi) và trừ đi vận tốc của Trái Đất (ở chiều quay về máy thu). Tia S1 cũng có những sự thay đổi về vận tốc và quãng đường. Vậy máy thu D sẽ thu được 2 tia có pha khác nhau, và với độ chính xác cho phép lúc bấy giờ thì người ta kì vọng sẽ thu được các vạch đỏ thể hiện sự thay đổi đó.

Tuy nhiên thực tế không có một vạch đỏ nào quan sát được tại bất kỳ mùa nào trong năm. Sau đó, những thí nghiệm kiểm chứng khác về giả thuyết khí ête cũng cùng cho một kết quả phủ định như trên. Ánh sáng dường như luôn truyền với tốc độ không đổi trong mọi trường hợp.

Đây được coi là thí nghiệm đầu tiên phủ định giả thuyết bức xạ điện từ truyền trong môi trường giả định ête. Những năm tiếp theo, các nhà khoa học cố gắng giải thích kết quả (vận tốc ánh sáng là độc lập so với hệ quy chiếu) này bằng những giả thuyết khác nhưng vẫn chấp nhận sự tồn tại của ete.

Trong một bài báo năm 1905, Einstein đề xuất loại bỏ khái niệm Ête và đưa ra 2 tiên đề mấu chốt của thuyết tương đối hẹp:

  1. Các định luật vật lý là bất biến (hay đồng nhất) trong mọi hệ quy chiếu quán tính (hệ quy chiếu chuyển động không có gia tốc).
  2. Tốc độ ánh sáng trong chân không là như nhau đối với mọi quan sát viên, bất kể chuyển động của nguồn phát ánh sáng như thế nào.

Không thể phủ nhận sự vĩ đại của Einstein và công lao của ông khi phát triển Thuyết tương đối, nhưng chúng ta cũng không thể quên những đóng góp của các nhà khoa học đặt nền móng cho điện động lực học. Có được một Lý thuyết như ngày nay là nhờ các công trình của rất nhiều nhà khoa học như Max Planck, Hermann Minkowski, Albert Abraham Michelson, Hendrik Lorentz, Henri Poincaré… trong đó đóng góp của Einstein là đột phá và nổi bật nhất.

Cả hai tiên đề đều nói đến sự bất biến và tuyệt đối, vậy tại sao nó lại được đặt tên là Thuyết Tương đối? Dựa theo thuyết này, chính sự không đổi của vận tốc ánh sáng đã dẫn đến sự tương đối của các đại lương khác, hệ quả chính là Sự chậm lại của Thời gian, Sự thu hẹp Chiều dài, Tính tương đối của sự Đồng thời,… Mà mình sẽ chỉ lấy ví dụ về hệ quả hệ quả đầu tiên “Sự chậm lại của thời gian”.

Ai cũng biết công thức Thời gian= Quãng đường/ Vận tốc. Vì tốc độ ánh sáng là như nhau với mọi người quan sát nên thời gian của mỗi người sẽ phụ thuộc vào quãng đường của ánh sáng đi được mà người đó quan sát thấy.

Tưởng tượng bạn đang ngồi trên một tàu vũ trụ với vận tốc bằng ¾ vận tốc ánh sáng, ngang qua trái đất (hình 2). Xét một tia sáng chiếu qua lại từ điểm trên và dưới thẳng nhau bên trong con tàu. Đối với người bên trên con tàu, quãng đường ánh sáng đi được là một đường thẳng S1 còn đối với người quan sát trên Trái Đất, tia sáng đã đi được quãng đường S2. Vì S2>S1 mà vận tốc ánh sáng là không đổi, vậy thời gian đối với người trên tàu sẽ chậm hơn so với thời gian người trên Trái Đất.

Điều này đã được một số thí nghiệm xác nhận: Đặt 2 đồng hồ chính xác lên 2 máy bay dân dụng bay theo 2 hướng ngược chiều nhau, khi hạ cánh người ta nhận thấy đồng hồ đặt trên chiếc máy bay từ Tây sang Đông chậm hơn chiếc còn lại một chút (vì nó bay cùng chiều với Trái Đất). Vậy nên các bạn hãy ra ngoài và hoạt động thật nhiều để tăng vận tốc của mình lên đi, nếu chỉ ngồi yên trong nhà thì sẽ già nhanh hơn đấy.

Quay trở lại với câu hỏi ban đầu: Chúa làm gì trước khi tạo ra vũ trụ?

Nếu xét trong mô hình toán học của Newton, đây là một câu hỏi không thể trả lời vì không có điểm khởi đầu và sẽ tồn tại đến vô tận. Nếu Vũ trụ đã tồn tại từ rất rất lâu, thì tại sao nó chưa đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt, tại sao mọi thứ vẫn đang thay đổi từng ngày và “những thứ sắp xảy ra lại chưa xảy ra”. Nếu Vũ trụ thực sự được tạo ra vào một thời điểm nào đó, thì tại sao lại đợi đến lúc đó mới được tạo ra. Chỉ có thể trả lời những câu hỏi này bằng các quan điểm triết học. Phổ biến hơn cả là Thuyết vị nhân. Đây cũng là một khái niệm rất đáng để tâm.

Theo Thuyết vị nhân, các đặc tính và trạng thái tồn tại hiện nay của vũ trụ là như vậy để phát sinh sự tồn tại của chúng ta, những người quan sát thông minh có khả năng đặt vấn đề và nghiên cứu về nó. Vũ trụ được tạo ra vào hơn 14 tỷ năm về trước là phù hợp để hình thành các ngôi sao và hành tinh, để nhiệt độ phù hợp để tồn tại sự sống của con người- những sinh vật có thể đặt câu hỏi “vì sao vũ trụ được sinh ra”. Nói đơn giản, nếu mọi thứ không diễn ra như nó đã diễn ra, thì sẽ chẳng có con người để mà hỏi vì sao!

Giám mục Augustine, nhà tư tưởng ở thế kỷ V đã khẳng định thời gian không hề tồn tại trước khi thế giới được tạo ra, hay, trước khi tạo ra thế giới thì Chúa chẳng làm gì cả. Thật vậy, thời gian được xác định bằng các phép đo trong vụ trụ, ví dụ như số dao động của nguyên tử. Khái niệm “trước” và “sau” chỉ có nghĩa khi thời gian tồn tại.

In the beginning, God created the heavens and the Earth. (Genesis 1:1)

Từ lúc bắt đầu, Chúa đã tạo ra trời và đất. (Sáng thế ký 1:1)

Nếu coi không-thời gian là một quả cầu thì sự tồn tại của một Đấng Sáng thế nằm ngoài không gian và thời gian. Sự so sánh về quả cầu không-thời gian thực ra lại rất gần với vật lý hiện đại và thuyết tương đối rộng. Trên thực tế, không- thời gian có hình dạng gần giống với hình một giọt nước mà đỉnh của giọt nước là vị trí hiện tại của người quan sát.

Khi chúng ta nhìn các thiên hà xa xôi, chúng ta đang nhìn vũ trụ trong quá khứ vì ánh sáng chuyển động với vận tốc hữu hạn. Nếu chúng ta biểu diễn thời gian bằng trục thẳng đứng và hai trong ba chiều của không gian bằng trục nằm ngang thì những tia sáng đến với chúng ta ngày nay nằm ở đỉnh nón.

Nếu ta đi theo nón ánh sáng về quá khứ thì chiếc nón này bị bẻ cong do vật chất ở những giai đoạn rất sớm của vũ trụ. Toàn bộ vũ trụ mà chúng ta quan sát nằm trong một vùng mà biên của nó nhỏ lại bằng không tại thời điểm vụ nổ lớn. Đây có thể là một điểm kỳ dị, ở đó mật độ vật chất lớn vô hạn và thuyết tương đối cổ điển không còn đúng nữa. (Vũ Trụ trong vỏ hạt dẻ- Stephen Hawking)

Không ai có thể phủ định một cách chắc chắn sự tồn tại của Chúa hay một Đấng Sáng thế. Như Thomas (thế kỉ I) giải thích, Thiên Chúa và sự vĩnh cửu thì ở ngoài thời gian. Vĩnh cửu ôm ấp mọi sự trong một khoảnh khắc hiện tại.

Một tia sáng chiếu đi và được tách thành 2 tia vuông góc với nhau. Hai tia này sau đó được phản chiếu một lần nữa để hợp thành 1 tia giao thoa và cuối cùng là đi về máy thu. Xét với trường hợp tia S1 vuông góc với hướng quay của Trái Đất, S2 cùng phương di chuyển với Trái Đất. Vậy vận tốc của tia S2 sẽ được cộng thêm vận tốc của Trái Đất (với chiều đi) và trừ đi vận tốc của Trái Đất (ở chiều quay về máy thu). Tia S1 cũng có những sự thay đổi về vận tốc và quãng đường. Vậy máy thu D sẽ thu được 2 tia có pha khác nhau, và với độ chính xác cho phép lúc bấy giờ thì người ta kì vọng sẽ thu được các vạch đỏ thể hiện sự thay đổi đó. Tuy nhiên thực tế không có một vạch đỏ nào quan sát được tại bất kỳ mùa nào trong năm. Sau đó, những thí nghiệm kiểm chứng khác về giả thuyết khí ête cũng cùng cho một kết quả phủ định như trên.

Đặt 2 đồng hồ chính xác lên 2 máy bay dân dụng bay theo 2 hướng ngược chiều nhau, khi hạ cánh người ta nhận thấy đồng hồ đặt trên chiếc máy bay từ Tây sang Đông chậm hơn chiếc còn lại một chút (vì nó bay cùng chiều với Trái Đất nên vận tốc sẽ được cộng thêm một lượng bằng vận tốc Trái Đất).

Trong mô hình toán học của Newton, thời gian là một đại lượng tách rời với không gian, nó không có điểm khởi đầu và sẽ tồn tại đến vô tận. Trong đó, các sự kiện xảy ra độc lập không ảnh hưởng đến không thời gian.

Nếu Vũ trụ đã tồn tại từ rất rất lâu, thì tại sao nó chưa đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt, tại sao mọi thứ vẫn đang thay đổi từng ngày và “những thứ sắp xảy ra lại chưa xảy ra”. Nếu Vũ trụ thực sự được tạo ra vào một thời điểm nào đó, thì tại sao lại đợi đến lúc đó mới được tạo ra.

Khi chúng ta nhìn các thiên hà xa xôi, chúng ta đang nhìn vũ trụ trong quá khứ vì ánh sáng chuyển động với vận tốc hữu hạn. Nếu chúng ta biểu diễn thời gian bằng trục thẳng đứng và hai trong ba chiều của không gian bằng trục nằm ngang thì những tia sáng đến với chúng ta ngày nay nằm ở đỉnh nón.

Nếu ta đi theo nón ánh sáng về quá khứ thì chiếc nón này bị bẻ cong do vật chất ở những giai đoạn rất sớm của vũ trụ. Toàn bộ vũ trụ mà chúng ta quan sát nằm trong một vùng mà biên của nó nhỏ lại bằng không tại thời điểm vụ nổ lớn. Đây có thể là một điểm kỳ dị, ở đó mật độ vật chất lớn vô hạn và thuyết tương đối cổ điển không còn đúng nữa.

guest
0 Comments
Inline Feedbacks
View all comments