E vẫn còn bằng mc2.
Chắc chắn thế …
Frank Close
Guardian, 2/9/2011HIẾU TÂN dịch
Nhà vật lý lừng danh Frank
Close kêu gọi hãy thận trọng trước khi chíng ta từ bỏ thuyết tương đối
và chuẩn bị du hành ngược thời gian.
Đây là một mẩu trên twittet được tạo hứng bởi những tin
rằng các neutrino – các hạt hạ-nguyêntử ma quái – có thể di chuyển nhanh hơn
ánh sáng. Nếu thế thì tiểu thuyết khoa học viễn tưởng có thể trở thành sự thật
khoa học, với những nghịch lý tuyệt vời như hậu quả có trước nguyên nhân. Một
thí dụ có thể lấy làm điểm nút đi trước câu chuyện (nếu, giống như tôi, bạn cần
một thời gian để giải mã câu đùa này)
Là một nhà khoa học tôi lớn lên với niềm tin vào qui luật
này của tự nhiên: cái duy nhất chuyển động nhanh hơn ánh sáng là một tin đồn.
Câu chuyện rằng các nhà khoa học ở Cern[1],
phòng thí nghiệm các hạt kích thước lớn của châu Âu nằm gần Geneva, hình như đã
tạo ra được các neutrino di chuyển nhanh hơn ánh sáng, thu hút chú ý trên các
mục tin sáng thứ Sáu trong khi tôi còn nửa thức nửa ngủ và dường như là thí dụ
cuối cùng của qui luật này.
Nhưng khi tôi thức dậy, câu chuyện này vẫn không chịu ra
đi, tôi bắt đầu hoảng sợ rằng khéo tôi phải viết lại cuốn Neutrino của tôi mất, dường như nó đã nhanh chóng bị các sự kiện
vượt qua rồi. Niềm an ủi duy nhất của tôi là việc xét lại này có thể chỉ là một
cơn rùng mình nhẹ trong sự thay đổi không thể tưởng tượng nổi trong hiểu biết
của chúng ta về cuộc sống, vũ trụ và, thật vậy, mọi thứ, nếu điều tuyên bố này
hóa ra là đúng. Các cuốn sách giáo khoa vật lý trong các thư viện trên thế giới
có lẽ sẽ thành sai; nền tảng của khoa học có lẽ sẽ vỡ vụn: các hạt di chuyển
nhanh hơn ánh sáng, có khả năng mang thông tin, có lẽ sẽ thay đổi mọi thứ. Vậy,
cái gì đang xảy ra và tại sao nó quan trọng như vậy?
Thuyết tương đối của Einstein là một trong những cuộc
cách mạng lớn của tư tưởng thế kỷ 20 và có thể cho rằng cấu trúc lý thuyết lớn
nhất của trí tuệ loài người. Khi Issac Newton xây dựng các định luật về chuyển
động trong thế kỷ 17, ông tưởng tượng không gian và thời gian như một cái khuôn vô hình, chúng ta chuyển động
qua nó mà không làm thay đổi chúng. Chiếc máy gõ nhịp cứ tích tắc đều đều khi
chúng ta chuyển động qua không gian ba chiều tĩnh tại vĩnh cửu. Quan niệm của
Einstein là không gian và thời gian là lỏng, quấn bện vào nhau, bị tác động bởi
chuyển động của chúng ta: bạn chuyển động càng nhanh thì bạn càng lâu già. Điều
này có nhiều hàm ý tuyệt vời, như câu chuyện khó hiểu về những trẻ sinh đôi –
hai anh em sinh đôi giống nhau như đúc, một người ở nhà còn người kia bỏ ra một
năm di chuyển qua một khoảng cách lớn với tốc độ cao và trở về nhà thông minh
hơn, nhưng ngạc nhiên làm sao, trẻ hơn người anh em của mình.
Sự kiện không gian và thời gian là đàn hồi, giãn ra và
cong đi đồng thời với di chuyển của chúng ta là kỳ bí, nhưng chắc chắn là thật.
Một chùm các hạt ở Cern, chuyển động chỉ với một phần tốc độ ánh sáng, đến đích
của chúng đúng giờ chỉ khi tính vi tế của thuyết tương đối được đưa vào tính
toán. Các vệ tinh GPS định vị bạn một cách chính xác, nhưng phải đưa số học của Einstein vào
các phép tính. Một số thí nghiệm ở Cern nhất trí với những tiên đoán của thuyết
tương đối chính xác đến một phần tỷ tỷ –
tức là đo khoảng cách vượt Đại Tây Dương chính xác đến bề rộng của một sợi tóc
người – nhưng chỉ khi có xem xét đến tính tượng đối.
Chắc chắn là đối với các nhà khoa học, và đối với nhiều
người trong chúng ta, điều này có thể là đáng ngạc nhiên, nhưng thuyết tương
đối của Einstein cần để theo dõi công
việc hằng ngày của chúng ta.
Albert Einstein tin rằng không gì có thể
vượt qua tốc độ ánh sáng
Những cái ấy thì có gì liên hệ vớ tốc độ ánh sáng?
Lâu đài của Einstein được xây dựng trên một sự kiện thực
nghiệm: tốc độ ánh sáng độc lập với chuyển động của bạn. Dù bạn đang chuyển
động về phía nguồn sáng hay ra xa nó, hay đang đứng yên, không có gì quan
trọng: tốc độ ánh sáng là phổ quát. Nó trái với trực giác. Một chiếc xe đang
lao nhanh vượt qua một chiếc xe chậm hơn từ từ hơn nó vượt một người quan sát
đứng bên lề đường; tuy nhiên, một tia sáng vượt qua mọi vật như nhau – những
người quan sát hay Lewis Hamilton sẽ đo được cùng một tốc độ. Chắc chắn là trái
với trực giác, nhưng đúng thật, và nó dẫn đến thế giới quan của Einstein. Và
một trong những kết quả cơ bản của lý thuyết Einstein là tốc độ ánh sáng –
trong chân không – là giới hạn tốc độ của tự nhiên. Không gì có thể di chuyển
qua chân không nhanh hơn ánh sáng.
Cern đã lật đổ được hệ hình này chưa? Tôi nghi ngờ điều
đó. Ánh sáng di chuyển trong nước, thủy tinh, ngay cả không khí, chậm hơn qua
khoảng chân không. Các sóng radio cũng vậy. Bởi vậy ánh sáng có thể chậm lại,
nhưng không nhanh lên được: chân không là con đường mở của tự nhiên nơi ánh
sánh di chuyển với tốc độ giới hạn. Chúng ta cần thận trọng khi hỏi thí nghiệm
của Cern đã làm chính xác điều gì, hay, thích hợp hơn, nó đã làm điều đó như
thế nào?
Cern tạo ra chùm hạt neutrino, những hạt ma quái có thể
đi qua trái đất dễ dàng như một viên đạn xuyên qua màn sương. Một chùm hạt đi
xuống qua bề mặt trái đất theo một đường thẳng, ban đầu bề mặt trái đất cong
lên cuối cùng cong xuống cho đến khi, sau 730 km, đến được Gran Sasso, một
phòng thí nghiệm gần Rome, chùm neutrino chụm lại. Hành trình này mất khoảng
1/500 giây.
Nếu bạn có thể bắn một tia sáng qua Trái Đất, nó sẽ đến
trong cùng khoảnh khắc với neutrino – nếu neutrino di chuyển với tốc độ ánh
sáng – hay đến trước nó một chút (nếu neutrino di chuyển chậm hơn ánh sáng)
nhưng không muộn hơn, vì điều đó có nghĩa là neutrino di chuyển nhanh hơn ánh
sáng. Nếu chúng ta có thể làm thí nghiệm ấy, nó sẽ rõ ràng như thế. Vấn đề là,
chúng ta không thể làm. Trái Đất có thể cho neutrino xuyên qua, nhưng ánh sáng
không xuyên qua được nó.
Nếu chúng ta biết khoảng cách từ Cern đến Rome đủ chính
xác, và thời gian neutrino cần để đi đến đó, thì tỉ lệ khoảng cách trên thời
gian – kilomet trên giây – cho ta tốc độ. Thật ra đó là việc mà thí nghiệm đã
làm, nhưng điều này không dễ hiểu.
Đo thời gian đến độ chính xác nano-giây[2]
đòi hỏi tính toán thời gian mà các tín hiệu điện tử cần để chuyển qua các mạch
điện, thành các kết quả đọc được và tiếp tục đến các phần xa hơn của một liên
hợp các máy đếm, các chip máy tính và vô số đường đi của thế giới nano. Nếu bạn
có tất cả những phép đo này, và nếu chúng thật ra là tất cả những điều bạn cần
biết, thì bạn có thể xác định quãng thời gian đã trôi qua – với ít nhiều không
chắc chắn. Đây là điều họ đã làm. Tuy nhiên, nếu có một bế tắc bất ngờ, không
được nhận biết và tính đến, thì việc tính thời gian có thể sai đi vài
nano-giây.
Rồi còn có phép đo khoảng cách. Cần xác định khoảng cách
với độ chính xác 10 centimet trên 730 km
- và hình như điều này khoa đo đạc có khả năng làm được. Nhưng chính xác
việc này được tiến hành như thế nào thì, ít ra đối với tôi, vẫn còn là một
trong nhiều bí mật trong thí nghiệm này. Chắc chắn người ta không thể đo bằng
thước dây, ngay cả nếu có một chiếc như thế có độ chính xác đến kích thước
nguyên tủ. Việc gửi một tín hiệu lên vệ tinh tại khoảnh khắc neutrino rời Cern,
rồi trả nó xuống thiết bị nhận ở Rome, và so sánh cái nào đến trước, và đến
trước bao lâu, có những khó khăn riêng của nó. Tốc độ của các sóng radio qua khí quyển bị ảnh hưởng
bởi các từ trường, và bởi những hiện tượng khác; nó khác xa với một tia radio
đơn giản đi qua chân không với "tốc độ ánh sáng."
Tôi dám cá rằng một sai lầm khó nhận biết trong khoảng
cách hoặc thời gian đo được dễ xảy ra hơn việc tỉ lệ của chúng – tốc độ suy ra
– vượt quá giới hạn tốc độ của Einstein.
Rốt cuộc thì giới tự nhiên biết các câu trả lời và chúng ta phải tìm ra chúng bằng các thí nghiệm. Nếu có thể di chuyển nhanh hơn ánh sáng – trong chân không – thì dù có bao nhiêu nhà khoa học nói "không" cũng không thành vấn đề: chân lý sẽ tự lộ ra. Và nếu nó là đúng? Thì tôi sẽ viết lại cuốn Neutrino và thay thế e-mail bằng nu-mail (neutrino-mail ) – như thế nhanh hơn.
[1] CERN: Tổ
chức Nghiên cứu Hạt nhân châu Âu, điều hành phòng thí nghiệm Cern ở ngoại ô
Geneva.
[2]
Nanosecond = 1/1.000.000.000 giây
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét