Lê Tất Điều
Một Sai Lầm Dễ Thương của Albert Einstein
Một Sai Lầm Dễ Thương của Albert Einstein
Những em bé tò mò, lần đầu tiên ngước mắt lên trời, thấy trăng sao, lập tức nảy sinh ước muốn thám hiểm cõi mênh mông ở cuối, ở xa hơn tầm mắt mình.
Lớn lên, ý thức được kích thước Vũ Trụ và giới hạn của đời người, biết đường dài dẫn tới một tinh cầu có thể đòi hỏi sự nối tiếp của muôn triệu kiếp người. Tỉnh ra và thất vọng. Ước muốn chỉ còn là ước mơ vương vấn nơi những truyện khoa học giả tưởng huyền hoặc vẽ ra hình ảnh một con tàu kỳ diệu: một ngày kia khoa học tiến bộ, hành khách đáp phi thuyền du lịch tối tân sẽ lọt vào cõi thời gian ngừng trôi, có cuộc đời dài vô tận, tha hồ chu du khắp cùng vũ trụ.
Mơ ước nhưng ngậm ngùi theo câu hát của Phạm Đình Chương: “… chỉ là giấc mơ thôi!”
Ngày 14 tháng 3 năm 1879, một thiên tài vật lý chào đời. 26 năm sau, Albert Einstein bất ngờ tặng cho tất cả những người tò mò trên thế gian một món quà quý hơn phép lạ. Chàng công bố hiện tượng thời gian thay đổi tốc độ có thật và đã tìm được phương thức bắt thời gian phải ngừng trôi.
Dựa vào mấy hình vẽ và một số bài toán, Einstein khám phá được lẽ huyền vi của đất trời: Thời gian thay đổi tốc độ trong con tàu di chuyển. Tàu chạy càng nhanh thì thời gian càng chậm lại. Khi tàu đạt tốc độ ánh sáng, thời gian ngừng trôi.
Thuyết “Tương Đối Đặc Biệt” (TĐĐB) tóm tắt như sau:
Hình 1
Hãy tưởng tượng có một toa tàu, trên trần treo ngọn đèn ở điểm A, một hành khách K ngồi trong toa và một quan sát viên Q đứng trên mặt đất.
Khi tàu đứng yên, khách K thấy ánh sáng đèn phải vượt chiều dài l để đến điểm B trên sàn tàu. Quan sát viên Q cũng thấy như vậy.
Nhưng khi tàu chạy, Q nhìn thấy ánh sáng đèn phải vượt chiều dài l’ (đoạn AC) mới đến sàn tàu, ở điểm C. Trong khi đó khách K vẫn chỉ thấy ánh sáng đèn chiếu thẳng góc xuống sàn tàu, nghĩa là chỉ cần vượt một chiều dài NGẮN hơn, vẫn bằng l (như đoạn AB hay DC), là tới đích.
Tốc độ ánh sáng không đổi, l và l’ dài ngắn khác nhau, người đứng trên mặt đất thấy ánh sáng mất nhiều “thời gian” hơn để vượt l’.
Như thế – Einstein kết luận – “đơn vị thời gian” trên mặt đất khác “đơn vị thời gian” trên tàu.
Tàu càng chạy nhanh thì AC càng dài, cách biệt giữa l và l’ càng lớn. Đến một tốc độ nào đó, một phút trên tàu sẽ dài bằng một năm trên mặt đất, thí dụ thế. Nếu tàu đạt tốc độ ánh sáng, thời gian trong lòng tàu (so với thời gian trên mặt đất) sẽ ngừng trôi.
Bạn biết tới đây là đủ.
(Phần toán học sẽ được ghi ở cuối bài)
Nhân loại đón nhận thuyết với tâm trạng của những tín đồ thình lình nhận được ân sủng, phép lạ từ Thượng Đế.
Món quà tuyệt vời hơn cả cõi Thiên Thai mà lâu nay chỉ là chuyện hoang đường con người tưởng tượng ra cho đời thêm đẹp.
Một ngày trên Thiên Thai bằng trăm năm trên trần thế. Nhưng trong cõi riêng của con tàu bay nhanh bằng ánh sáng, thời gian ngừng trôi, hàng triệu tỉ năm hay vô lượng thời gian qua đi, hành khách không già thêm một sát na! Thiên Thai hóa ra nhỏ nhoi, xoàng xĩnh!
Tác giả của cõi Siêu Thiên Thai này lại là nhà bác học vĩ đại nhất trong lịch sử loài người. Ngoài phần hình vẽ, lý luận lập thuyết, còn có những phương trình toán học để tính thật chính xác độ nở ra (hay tốc độ chậm đi) của thời gian tương ứng với tốc độ con tàu.
Rõ ràng đây không phải chuyện huyền hoặc mà là một sự thật vật lý.
Từ ngày đó các khoa học gia nỗ lực nghiên cứu, thí nghiệm, chứng minh thuyết đúng. Một nhóm thí nghiệm bằng cách để một đồng hồ nguyên tử trong lòng một phi cơ (hay hỏa tiễn, phi đạn gì đó) bay thật nhanh và thấy quả nhiên đồng hồ chạy chậm lại. Tất cả những chỗ nghịch lý, phi lý của thuyết cũng được giải thích ổn thỏa nhờ những hiệu ứng (effect), biến ứng (transformation) do các khoa học gia lẫy lừng tìm ra.
Tóm tắt: thuyết hoàn toàn đúng. Chuyện còn lại là đóng một con tàu…
Nhân loại ước mơ. Các khoa học gia xây đắp cho niềm mơ ước ấy to thêm. Phi thuyền bay nhanh như ánh sáng thì thời gian đứng lại. Nếu lỡ nó bay nhanh hơn ánh sáng thì sao? – Lại có ngay lời giải thích làm giấc mộng lớn hơn bội phần: Nếu vượt tốc độ ánh sáng, con tàu sẽ bay ngược thời gian, tiến thẳng vào quá khứ.
Nghĩa là thuyết Tương Đối Đặc Biệt của Einstein còn mở ra một lộ trình thênh thang cho những con tàu kỳ diệu tha hồ du hành xuôi ngược trong thời gian.
Chính con tàu xuyên thời gian ấy đã dẫn tôi vào ngõ cụt, thình lình phải đối diện với một sự thật trần truồng khiến mộng lớn vỡ tan tành.
Một ngày trong tháng ba năm 2006, tôi phải tiễn đưa người bạn thân qua đời vì bạo bệnh. Chiều về, thơ thẩn trong vườn, thương tiếc quá, lẩn thẩn mơ tưởng một con tàu bay về quá khứ để gặp lại bạn tôi, nghe bạn cười nói thêm một lần.
Rồi lẩn thẩn hơn, đem thuyết Tương Đối Đặc Biệt ra nghiền ngẫm lại, để tăng cường niềm tin rằng trong tương lai, những ai mất người thân sẽ may mắn hơn mình, chỉ cần mua vé, đáp con tàu bay nhanh hơn ánh sáng, là tha hồ tái ngộ cố tri.
Nhưng lúc nhìn kỹ lại hình vẽ lập thuyết của Einstein thì ngỡ ngàng, chưng hửng. Nó phạm những sai lầm nghiêm trọng, làm thuyết sụp đổ hoàn toàn.
Tia sáng chiếu từ đèn A xuống sàn tàu ở C – tạo thành đường chéo AC mà Einstein tin là người quan sát đứng trên mặt đất nhìn thấy khi con tàu di chuyển – không hề có trong lúc thí nghiệm.
Nói chính xác hơn: AC không hiện hữu cùng lúc với AB (tia sáng từ đèn chiếu thẳng góc xuống sàn tàu ở B), như Einstein tưởng tượng.
Trong khi thực hiện thí nghiệm trong trí tưởng (thought experiment), Einstein đã phạm những sai lầm này:
A) Không áp dụng những luật chi phối thị giác.
B) Tưởng tượng một môi trường không đầy đủ, bỏ sót những chi tiết tối quan trọng dẫn tới những nhận xét, suy diễn sai lầm.
C) Không tôn trọng những luật, những nguyên tắc về chuyển động.
Để tìm sự thật, ta làm lại thí nghiệm một cách cẩn trọng hơn. (Hình 1A)
Hình 1A
1) Toa tàu bất động. Người khách K trong toa thấy ánh sáng đèn từ A chiếu thẳng xuống sàn tàu ở B.
Quan sát viên Q đứng cách xa toa tàu, thí dụ một dặm, cũng nhìn thấy giống hệt như vậy. Chỉ khác – và đây là điểm tối quan trọng:
Q thấy ánh sáng và toàn thể toa tàu sau khách K đúng 1/286282 của một giây là thời gian cần có cho hình ảnh toa tàu vượt khoảng cách một dặm, đến mắt Q.
2) Khi tàu di chuyển: Thí dụ đúng 8 giờ sáng tàu đến vị trí VT1. (Hình 2)
Hình 2 – Toa tàu ở vị trí VT1- đúng 8:00 giờ sáng
Đúng khoảnh khắc đó, K thấy tia sáng AB.
Nhưng phải đợi tới 8 giờ + 1/286282 giây Q mới thấy toa tàu và tia AB. Thấy đúng tất cả những điều K thấy, chỉ chậm hơn. Nghĩa là Q thấy một hình ảnh toa tàu trong quá khứ.
Và khi Q thấy AB thì toa tàu thực sự đã di chuyển tới vị trí VT2 rồi.
3) Tại vị trí mới VT2: Đèn A tới điểm D, chiếu một tia sáng thẳng góc xuống C, (A thành D và B thành C). (Hình 3)
Hình 3 – Toa tàu ở VT2 – sau 8:00 giờ sáng
Khách K lập tức thấy hình ảnh tia sáng từ đèn ở điểm D chiếu thẳng góc xuống sàn tàu ở C.
Sau 1/286282 giây, quan sát viên Q cũng thấy hình ảnh của tia sáng DC. Nhưng chính lúc đó toa tàu đã di chuyển, xa chốn cũ: D đã đến F và C đã đến E.
Hiện tượng ấy tiếp diễn cho tới khi tàu ngưng chạy.
Suốt tiến trình của thí nghiệm, không hề thấy AC xuất hiện như một thành tố quan trọngcủa thuyết.
Vì ánh sáng đèn lan tỏa về mọi hướng, tia sáng AC có thật, nhưng nó hiện hữu vào những thời điểm hoàn toàn không ích lợi gì cho lý luận lập thuyết của Einstein. (Hình 4)
Hình 4
Dùng A làm tâm điểm, vẽ một vòng tròn bán kính AB.
AC gặp chu vi hình tròn ở B’.
Điều đó có nghĩa là: Khi ánh sáng đèn chiếu từ A xuống tới sàn tàu ở B thì cùng lúc ấy, tia sáng hướng về C, chỉ mới vượt được đoạn A – B’. Chiều dài AC chưa hoàn tất, AC chưa hiện hữu.
Khách K thấy A – B và A – B’ cùng lúc.
Sau 1/286282 giây, quan sát viên Q cũng thấy hệt như vậy.
Chuyện gì xảy ra khi, một sát na sau đó, A – B’ trở thành AC (nghĩa là tia sáng khởi hành từ A đã tới C), đường AC hoàn tất, hiện hữu?
Lúc đó, A đã di chuyển đến D, và B đến C. Tia sáng A – B đã biến vào quá khứ.
Vừa xuất hiện tức khắc là A – C và D – C (ánh sáng mới chiếu từ đèn ở D xuống sàn tàu ở C) (Hình 5)
Hình 5
Khách K, quan sát viên Q, kẻ trước người sau, đều thấy AC và DC hiện ra cùng lúc.
Như thế, suốt cuộc thí nghiệm, không khi nào có hiện tượng: trong cùng một thời điểm, K chỉ thấy AB và Q chỉ thấy AC.
Không xảy ra trong thí nghiệm và cũng không bao giờ xảy ra trong Vũ Trụ, vì thị giác bị chi phối bởi những định luật này:
1) Quan sát một vật thể từ khoảng cách khác nhau, sẽ thấy hình ảnh vật thể vào hai thời điểm khác nhau, một trước, một sau, không thể cùng lúc.
2) Hình ảnh nhận được xuất phát từ cùng một nguồn, một vị trí.
Đứng ở đâu cũng phải thấy vị trí gốc. Bạn thấy xe mình đậu trước nhà thì tất cả các vệ tinh GPS đều thấy nó ở đúng chỗ đó, không đậu lệch sang nhà hàng xóm. Ánh sáng từ đèn A chiếu xuống sàn tàu ở B thì hành khách K và bất cứ ai, đứng bất cứ chỗ nào, cũng phải thấy như thế. Nếu quan sát viên Q, đứng ngoài toa tàu, lại nhất quyết bảo rằng anh ta thấy tia sáng ấy chiếu xuống điểm C, thì cần bắt đi khám mắt cấp kỳ. Einstein tin anh chàng mắt mũi kèm nhèm này, dùng dữ kiện anh ta cung cấp để lập thuyết, nên phạm những sai lầm chí tử.
3) Hình ảnh nhận được là những bản sao của nhau.
Kích thước có thể khác, to nhỏ tùy khoảng cách, nhưng tuyệt đối giống nhau về chi tiết. Không bao giờ có chuyện khách trên tàu nhìn thấy cây cột giữa lòng tàu thẳng đứng, còn người quan sát trên mặt đất lại thấy nó đứng nghiêng lệch, tréo ngoe, như AC.
4) Khoảng cách xa gần làm hình ảnh bị biến dạng: gần thấy lớn, xa thấy nhỏ. Bảo rằng Khách K ở gần thấy tia sáng AB ngắn, còn người quan sát Q đứng xa lại thấy cùng tia sáng ấy dài ra thành đường AC, là chuyện phi vật lý, khôi hài.
Không biết hoặc không quan tâm đến những định luật thiên nhiên ấy, Einstein đã tưởng tượng ra tia sáng AC để làm nền so sánh với AB và lập thuyết. AC không có thực, tam giác vuông ABC để tính toán cũng tiêu tùng, lôi theo thuyết Tương Đối Đặc Biệt xuống tuyền đài.
Bảo rằng lý thuyết này như tòa lâu đài xây trên cát là còn vì cảm tình riêng với ông kiến trúc sư mà nói tốt cho nó. Lâu đài của Einstein, thực sự, không có nổi một viên đá, viên gạch thứ thiệt nào. Nó là đám khói sương tụ trên một nền móng ảo.
Thuyết là một cấu trúc phi vật lý, nhưng bản họa đồ thì dựng lên hình ảnh một lâu đài nguy nga, tráng lệ, hùng vĩ nhất thế gian. Nó đưa ta vào giấc mơ nhân loại chưa từng có: Chỉ với vài hình vẽ đơn sơ, dăm phép tính, con người nhỏ bé có trong tay phương thức điều khiển, biến đổi cả nhịp vận hành của thời gian, một sản phẩm huyền vi của Tạo Hóa. Ai nghe mà không thích mê tơi!
Einstein là khoa học gia có tâm hồn thi sĩ. Tương Đối Đặc Biệt là lý thuyết ngây ngô, viển vông, phi lý, giá trị không hơn một chuyện tầm phào… nhưng lại là một bài thơ tuyệt tác.
Cụ đáng kính, đáng phục lúc đúng, đã đành, khi sai vẫn khiến ta mến yêu, ngưỡng mộ vì cái sai ấy liên quan đến một vấn đề mênh mông, vĩ đại luôn làm ta bàng hoàng, choáng ngợp.
Einstein cho nhân loại nhìn thấy cõi vô cùng nhỏ của nguyên tử, phân tử . Cụ lập thuyết tương đối. Cụ giải thích được phần quan trọng nhất trong lý do tạo sinh Hấp Lực… rồi ngay cả lúc sai lầm, lẫn lộn nhất, vẫn cho nhân gian một giấc mộng tuyệt vời.
Lê Tất Điều
(4/9/2021)
___________
(Thuyết “Tương Đối Đặc Biệt” sụp đổ, phần toán học trở thành vô dụng. Xin ghi lại như tài liệu lưu trữ trong viện bảo tàng, dấu tích của một sự sai lầm thê thảm nhất, nhưng lại sống hùng, sống mạnh, và sống dai nhất trong lịch sử khoa học).
Xe lửa chạy với vận tốc v, do đó, sau thời gian t đã chạy được khoảng đường l = vt. Khách ngồi trong tàu thấy ánh sáng chiếu thẳng góc từ trần xuống sàn (AB) nhưng đối với người đứng dưới đất thì ánh sáng từ ngọn đèn trên trần xe đã phải “du hành” khoảng cách l’ (AC).
Vì vận tốc ánh sáng là c, l’ = ct.
Mặt khác, theo định lý Pythagore:
l’ = √ l2 + v2 t 2
Do đó: ct = Ö l 2 + v2 t2
c2 t2 - v 2 t 2 = l 2
l
t = ---------- (1)
√c2 – v2
Đối với hành khách trên xe, thời gian qua chỉ là thời gian cần thiết để ánh sáng đi từ trần xe xuống sàn xe:
T= l/ c (2)
Chia (1) cho (2), ta có:
t 1
--------- = ---------------- [ hoặc: t / T = 1 / √ (1 – v2/c2) ]
T √ (1 – v2/c2)
Hệ quả của phương trình trên là:
– Nếu xe lửa không chạy, v = 0, t/T = 1, tức là dù đứng dưới đất hay ngồi trên tàu thì thời gian qua cũng vậy.
– Xe lửa chạy càng nhanh, v càng gần c, thì t/T càng lớn, tức thời gian qua đối với người đứng dưới đất so với thời gian qua đối với người ngồi trên tàu càng trở nên chênh lệch.
