NHỮNG CON ĐƯỜNG CỦA ÁNH SÁNG - Tập 1

Tán đồng hay phản đối Newton

Sau khi cuốn Opticks xuất bản năm 1704 và trong suốt thế kỷ XVIII, không thể tranh luận về ánh sáng và màu sắc mà không đưa ra một lập trường đối với các quan điểm của Newton. Hai phe đã hình thành: những người theo Newton thì nhiệt tình bảo vệ các quan điểm của ông, còn những người chống Newton thì lại thấy ở đó có những điểm yếu. Những người chống Newton lập một nhóm tương đối dị đồng. Trong số họ có Huygens và Hooke, những người không hề thấy các thí nghiệm của Newton có sức thuyết phục và không chấp nhận lý thuyết hạt ánh sáng của ông. Nhưng phần lớn những người chống Newton thực chất là phản đối triết học cơ giới về thế giới của ông hơn là các quan điểm của ông về các hiện tượng quang học.

Vũ trụ của Newton là một chiếc đồng hồ trơn tru dầu mỡ nhất mực tuân theo các định luật có tính tất định và không dành một chỗ nào cho sự sáng tạo của tự nhiên. Sau khi khởi động cỗ máy vũ trụ này, Chúa rút lui ra xa và không còn can thiệp vào các công việc của trần thế nữa. Tới mức, khi nhà vật lý người Pháp, Pierre Simon de Laplace giới thiệu với Napoléon Bonaparte cuốn Luận về cơ học thiên thể của ông, Hoàng đế nước Pháp có hỏi tại sao không thấy ông không nhắc đến Người thợ đồng hồ vĩ đại, thì Laplace đã trả lời một cách kiêu hãnh: “Thưa bệ hạ, thần không cần tới giả thiết này!”. Newton đã trở thành biểu tượng của hệ tư tưởng thế tục mới trong đó khoa học chiếm đoạt vị trí của tôn giáo.

Cuộc tranh luận giữa những người theo Newton và những người chống Newton không tập trung nhiều vào cuốn Principia, một tác phẩm viết về thuyết vạn vật hấp dẫn của ông được trình bày bằng một ngôn ngữ toán học nhìn chung quá trừu tượng và quá khó đối với giới trí thức châu Âu, mà tập trung chủ yếu vào quan niệm về màu sắc được trình bày trong cuốn Opticks của ông. Trong suốt thế kỷ XVIII, các cuộc tranh luận tập trung nhiều vào bốn vấn đề chính liên quan đến ánh sáng và màu sắc, mà phải mãi tới thế kỷ sau mới có câu trả lời. Vấn đề thứ nhất liên quan đến mối quan hệ giữa ánh sáng và âm thanh: liệu có tồn tại một mối liên hệ chặt chẽ giữa ánh sáng và âm nhạc không? Vấn đề thứ hai liên quan đến các màu cơ bản: phải chăng chỉ có bảy màu cơ bản, như Newton tuyên bố? Vấn đề thứ ba liên quan đến sự phân biệt các màu sinh ra từ sự hòa trộn các sắc tố, mà người ta gọi là các “màu-vật chất”, và các màu sinh ra từ một hòa trộn quang học các chùm ánh sáng, mà người ta gọi là các “màu-ánh sáng”. Vấn đề thứ tư liên quan đến bản chất của ánh sáng: ánh sáng được tạo thành từ sóng hay hạt?

Có bao nhiêu màu cơ bản?

Về tất cả những vấn đề này, ảnh hưởng của Newton là vô cùng lớn. Bằng chứng là đoạn dưới đây do bá tước Buffon (1707-1788), một nhà tự nhiên học nổi tiếng người Pháp, viết năm 1743. Buffon nghĩ rằng ông có thể phân biệt được hơn bảy màu: “trong phổ ánh sáng, ta thấy rất rõ bảy màu; thậm chí có thể nhìn thấy nhiều hơn bảy màu nếu có một chút nghệ thuật. Khi nhìn các phần khác nhau của phổ ánh sáng được thanh lọc này xuất hiện lần lượt trên một sợi dây màu trắng, tôi vẫn thường đếm được mười tám hoặc hai mươi màu vẫn còn khác biệt rõ rệt đối với mắt tôi. Nếu có các thiết bị tốt hơn hoặc chú ý hơn, người ta còn có thể đếm được nhiều màu hơn nữa”. Tuy nhiên Buffon cũng cho biết ông đã bị các thí nghiệm của Newton thuyết phục và tán đồng quan điểm của Newton về bảy màu cơ bản: “Điều đó không ngăn cản việc người ta phải cố định số màu là 7, không hơn không kém; sở dĩ như vậy là vì một lý do hoàn toàn có cơ sở, đó là bằng cách chia phổ ánh sáng đã được thanh lọc thành bảy khoảng, và theo tỉ lệ mà Newton đã đưa ra, mỗi một khoảng này chứa các màu dù bị gộp lại tất cả với nhau vẫn không thể phân tách được bằng lăng kính và bất kỳ nghệ thuật nào, chính vì thế chúng có tên là màu nguyên thủy (hay cơ bản). Nếu, thay vì chia phổ thành bảy, ta chỉ chia thành sáu, hoặc năm, hoặc bốn, hoặc ba khoảng, thì khi đó các màu chứa trong mỗi một khoảng này sẽ bị lăng kính phân tách, và kết quả là các màu này không phải là thuần khiết nữa, và do đó không thể được coi là màu cơ bản”. Và Buffon đã đứng lên chống lại những người gièm pha Newton, trong đó có những người thậm chí còn chưa nghiên cứu một cách thấu đáo các quan điểm của nhà bác học người Anh này: “Mặc dù trong thời gian gần đây người ta quan tâm rất nhiều đến vật lý của các màu, nhưng dường như người ta đã không đạt được tiến bộ gì lớn kể từ Newton: không phải là vì ông đã khai thác cạn kiệt lĩnh vực này, mà là bởi vì phần lớn các nhà vật lý học chỉ tìm cách tấn công hơn là lắng nghe ông, và tuy các nguyên lý của ông là rõ ràng, các thí nghiệm của ông là không thể chối cãi, nhưng vẫn có ít người chịu bỏ công xem xét một cách kỹ lưỡng các báo cáo và tập hợp các phát hiện của ông”.

Nhưng cuộc tranh luận về số các màu cơ bản còn lâu mới đến hồi kết thúc. Các đề xuất được đưa ra về số lượng các màu này là từ hai đến vô hạn! Các họa sĩ, nhà điêu khắc và họa đồ cũng tham gia cuộc tranh luận. Một sự đồng thuận chung đã được thiết lập trong số những người làm việc với các “màu-vật chất” này: theo họ, chỉ tồn tại ba màu cơ bản, đó là đỏ, vàng và lam, tất cả các màu khác thu được bằng cách hòa trộn ba màu này. Quan điểm này đi ngược lại với quan điểm bảy “màu-ánh sáng” của Newton. Một số người còn đẩy lập luận đi xa hơn, gần như luẩn quẩn: tồn tại ba màu cơ bản, vì vậy phải có ba loại ánh sáng kích thích ba loại hạt trong võng mạc, gây ra sự tri giác ba màu cơ bản... Có điều lạ là, ngay cả nhà cách mạng Jean-Paul Marat (1743-1793), biên tập viên của tờ báo được những người cách mạng tư sản Pháp thế kỷ XVIII yêu thích, tờ Người bạn của nhân dân, cũng đã tham gia vào cuộc tranh luận này. Năm 1780, ông xuất bản tác phẩm Những phát minh về ánh sáng, trong đó ông tuyên bố (một cách sai lầm) rằng ánh sáng tự bản thân nó không có màu, nhưng được cấu thành từ ba loại chất lỏng tạo ra cảm giác về các màu đỏ, vàng và lam trong mắt thông qua dây thần kinh thị giác.

Euler, ánh sáng và âm thanh

Trong suốt thế kỷ XVIII, chỉ một tiếng nói cất lên chống lại sự thống trị gần như tuyệt đối của lý thuyết hạt ánh sáng của Newton, đó là tiếng nói của nhà toán học người Thụy Sĩ Leonhard Euler (1707-1783). Euler sinh ở Bâle. Cha ông là một mục sư, nên ông đã được định hướng nghiên cứu thần học. Nhưng ông đã được trời phú một tài năng toán học phi thường. Ông đã thực hiện nhiều công trình nghiên cứu tại các viện hàn lâm lớn ở châu Âu dưới sự bảo trợ của các quốc vương hùng mạnh. Trong thời gian đó, khoa học và văn học được sáng tạo trong các thiết chế của triều đình thường xuất sắc và có tính đổi mới hơn trong các trường đại học vẫn đang chìm đắm trong bảo thủ trì trệ. Năm 1728, khi mới 27 tuổi, Euler được mời đến làm việc tại Viện hàn lâm Saint-Pétersbourg vừa được nữ hoàng Catherine đệ Nhất, vợ góa của Pierre Đại Đế, thành lập. Mười ba năm sau, năm 1741, đến lượt vua Phổ Frédéric Đại Đế mời ông đến Berlin. Ông ở lại đây đến năm 1766, sau đó lại quay về Saint-Pétersbourg. Không một nhà toán học nào viết nhiều, về nhiều chủ đề khác nhau và với một chất lượng đồng đều cao như ông. Euler không chỉ nghiên cứu các phương trình đại số, các hàm mũ và logarit, các phương trình vi phân, phép tính vi tích phân, mà ông còn đóng góp cho nông nghiệp, cơ học, đóng tàu (đặc biệt là cột buồm) và hàng chục lĩnh vực khác. Thậm chí ông còn dành cả thời gian để viết cho công chúng. Cuốn sách Thư gửi một công chúa Đức của ông xuất bản năm 1746, chứa đựng các bài học vật lý dành cho mẹ của vua Phổ, vẫn là một trong những kiểu mẫu về sách phổ biến kiến thức vật lý. Bất chấp rất nhiều bất hạnh cá nhân (chỉ ba trong số mười sáu người con của ông còn sống sót và những ngày cuối đời ông bị mù), tính tới khi ông mất, các tác phẩm của ông choán đầy gần tám mươi tập.

Năm 1746, Euler xuất bản tại Berlin tác phẩm lớn về quang học, Một lý thuyết mới về ánh sáng và màu sắc. Ông đã phát triển quan niệm cho rằng ánh sáng là sóng bằng cách dựa vào sự tương tự giữa ánh sáng và âm thanh, đặc biệt là các phương thức lan truyền của chúng: “Có một mối quan hệ rất lớn giữa ánh sáng và âm thanh, tới mức càng nghiên cứu các tính chất của hai đối tượng này, người ta càng phát hiện ra ở chúng có nhiều điểm giống nhau. Ánh sáng và âm thanh đều đến với chúng ta theo đường thẳng nếu như không có gì ngăn cản chuyển động này, nhưng ngay cả trong trường hợp có các vật cản, thì cũng không vì thế mà chúng không giống nhau nữa. Bởi vì, như chúng ta thường thấy ánh sáng qua phản xạ hoặc khúc xạ, hai hiện tượng này cũng xảy ra trong sự tri giác âm thanh. Trong các tiếng vọng, chúng ta nghe thấy âm thanh bị dội lại tương tự như khi chúng ta nhìn ảnh trong gương. Khúc xạ ánh sáng là hiện tượng các tia sáng khi đi qua một vật trong suốt và bị vật này làm cho đổi hướng; điều tương tự cũng xảy ra trong âm thanh đi qua vách hoặc các vật khác trước khi đến tai ta: vách và các vật tương tự khác đối với âm thanh cũng giống như các vật trong suốt đối với ánh sáng {...}. Một sự tương đồng lớn đến thế khiến chúng ta phải tin rằng có một sự hài hòa tương tự giữa các nguyên nhân và các tính chất khác của âm thanh và của ánh sáng, và như vậy lý thuyết âm thanh chắc chắn sẽ làm sáng tỏ rất nhiều lý thuyết ánh sáng”.

Màu sắc bắt nguồn từ một sự phối hợp khổng lồ của các dao động

Euler nhận thấy rằng một âm thanh được sinh ra từ một dây hoặc một cột khí dao động với một tần số nhất định. Dao động này có dạng một sóng hình sin1 được truyền vào không khí (hoặc một môi trường khác), môi trường này đến lượt mình sẽ truyền đến màng nhĩ và tai trong làm cho chúng ta nghe thấy âm thanh. Tương tự, Euler nghĩ rằng ánh sáng có một màu sắc nào đó là kết quả của dao động của các hạt trong vật sáng. Các dao động này tạo ra các sóng trong ête, ête truyền chúng đến mắt chúng ta nhanh hơn rất nhiều so với không khí. Mỗi một màu, cũng như âm thanh, như vậy được đặc trưng bởi một bước sóng nhất định, tức là khoảng cách giữa hai đỉnh hoặc hai hõm liên tiếp của sóng hình sin (H. 20), và bởi một tần số nhất định, tức số các đỉnh hoặc hõm xuất hiện một cách tuần hoàn tại một điểm nhất định trong không gian trong một giây16 17 . Euler là người đầu tiên gắn kết các khái niệm bước sóng và tính tuần hoàn với màu sắc.

Chẳng hạn, Mặt trời là một tập hợp khổng lồ các hạt khác nhau, mỗi hạt dao động với một tần số nhất định, tất cả tạo ra màu trắng của Mặt trời. Thế giới đa sắc xung quanh ta là một bản giao hưởng khổng lồ của các hạt dao động. Sở dĩ một bông hoa mào gà trong cánh đồng làm vui mắt chúng ta bằng màu đỏ chói của nó, hay chúng ta thích thú ngắm nhìn bộ váy màu xanh dịu của một cô gái, thì chính là bởi vì các hạt cấu thành hoa mào gà hay váy của cô gái có một cấu trúc sao cho chúng dao động với tần số của màu đỏ hoặc màu xanh. Được phơi bày dưới ánh sáng trắng của Mặt trời, hoa mào gà và chiếc váy chỉ đáp ứng riêng với các dao động đỏ và xanh tương ứng của ánh sáng Mặt trời, và điều đó giải thích tại sao màu của ánh sáng được hoa mào gà phản chiếu lại có màu đỏ, và màu được chiếc váy phản chiếu lại có màu xanh. Như vậy ánh sáng Mặt trời được hoa mào gà và chiếc váy phản chiếu là thứ ánh sáng mới do các hạt ở bề mặt phản xạ của chúng tạo ra. Bản chất của nó là khác với bản chất của ánh sáng tới.

Quan niệm về màu sắc và ánh sáng này rất khác với quan niệm đã thắng thế trước đó, tức là quan niệm cho rằng ánh sáng phản xạ chỉ đơn thuần nảy lên từ bề mặt của một vật mà không thay đổi bất kỳ một tính chất nào của nó, như quả bóng tennis nảy trên bề mặt của sân bóng vậy. Quan điểm của Euler cũng rất khác với quan niệm của Galileo, người cho rằng ánh sáng là kết quả của các hạt (ngày nay gọi là nguyên tử) được giải phóng khỏi bề mặt của các vật do ma sát. Còn Christiaan Huygens và Robert Hooke thì cho rằng các hạt vốn sẵn đã chuyển động phi trật tự, chúng va vào nhau và va vào cát hạt ête kề bên; mà hành trạng hoàn toàn ngẫu nhiên như vậy sẽ chỉ sinh ra các sóng không đều và không tuần hoàn, làm sao mà có được dạng hình sin.

Hình 20. Các tính chất của sóng. Sóng được đặc trưng bởi bước sóng, biên độ và hướng truyền sóng. Trong một khoảng thời gian gọi là “chu kỳ”, sóng dịch chuyển được một bước sóng sang phải.

Cả Huygens, Hooke, và cả Newton vĩ đại nữa đều không đưa ra được một cách giải thích chấp nhận được về nguồn gốc của các màu. Theo Newton, một chùm ánh sáng có một màu cụ thể nào đó chỉ là một tia sáng bị lăng kính làm cho lệch đi một góc nhất định. Euler đã đưa ra được một cách giải thích ở chỗ mà các bậc tiền bối nổi tiếng của ông đã thất bại. Trực giác xuất chúng của ông về các nguyên tử dao động và “ca hát” gần hai thế kỷ sau đã được khẳng định một cách huy hoàng với sự lên ngôi của cơ học lượng tử. Tuy nhiên, khi được công bố, lý thuyết các nguyên tử dao động của Euler hoặc là hoàn toàn không được biết đến, hoặc bị bác bỏ bất chấp ông là một nhà toán học lừng danh. Tới mức mà dịch giả bản tiếng Đức năm 1792 đã cảm thấy buộc phải đưa vào dòng ghi chú lưu ý độc giả rằng lý thuyết được trình bày trong cuốn sách không được “bất kỳ một nhân vật ưu tú nào” ủng hộ. Nó đã vượt quá xa thời đại của mình.

Thêm ánh sáng vào ánh sáng có thể sinh ra bóng tối

Nhưng quan niệm ánh sáng là một sóng quả là có một cuộc sống chìm nổi. Như một con phượng hoàng tái sinh từ tro tàn của chính mình, quan niệm ánh sáng là một sóng đã trở lại. Nhân vật mới bước lên sân khấu trong câu chuyện truyền kỳ về ánh sáng là nhà vật lý học người Anh, Thomas Young (1773-1829) (H. 21), còn đẩy lý thuyết sóng ánh sáng đi xa hơn nữa. Là một thiên tài trong rất nhiều lĩnh vực, Young có năng khiếu về tất cả: trong các môn khoa học cũng như trong văn học, trong âm nhạc cũng như trong hội họa. Phát triển rất sớm, ông biết đọc ngay từ tuổi lên hai, và năm mười bốn tuổi đã thông thạo mười ngôn ngữ trong đó có tiếng Latinh, Hy Lạp, Do Thái, Ba Tư và Arập. Ông nghiên cứu y học tại London, rồi ở Édimbourg và Gottingen. Thông thạo nhiều lĩnh vực, ông đã có những đóng góp quan trọng vào việc giải mã các dòng chữ tượng hình Ai Cập cổ khắc trên phiến đá Rosette, độc lập với nhà Ai Cập học người Pháp, Jean-Francois Champollion (1790-1832). Ông đã đăng các bài báo về rất nhiều chủ đề khác nhau: luyện kim, huyết động học, hội họa, âm nhạc, ngôn ngữ, toán học, v.v... Ông cũng quan tâm đến cơ chế thị giác và năm 1794 đã phát hiện ra rằng chính thủy tinh thể của mắt đã tạo ra độ nét của ảnh trên võng mạc của các vật ở những khoảng cách khác nhau bằng cách làm thay đổi độ cong của nó. Người ta gọi hiện tượng này là “sự điều tiết” của mắt. Nhờ có phát hiện này, ông đã được bầu là thành viên của Royal Society đầy uy tín của Anh quốc năm mới hai mốt tuổi, trong khi vẫn còn là sinh viên! Ông cũng phát hiện ra hiện tượng loạn thị, một dị thường của thị giác do sự bất cân đối về độ cong của giác mạc hoặc do các bất thường trong các môi trường trong suốt của mắt. Các nghiên cứu này của Young về cơ chế sinh lý của mắt là quan trọng nhất kể từ thời Kepler.

Hình 21. Chân dung nhà bác học người Anh, Thomas Young (1773-1829). Bằng thí nghiệm cơ bản về các vân giao thoa, qua đó ông phát hiện ra rằng thêm ánh sáng vào ánh sáng có thể sinh ra bóng tối, Young đã chứng tỏ rằng ánh sáng phải có bản chất sóng. © Rue des archives. 

Nhưng hậu thế sẽ còn nhớ tên của Young trước hết là nhờ một thí nghiệm cơ bản về ánh sáng có tên là “các vân giao thoa” (thường còn gọi là thí nghiệm khe kép - ND) mà ông đã giới thiệu ở Royal Society năm 1801. Theo trật tự về mức độ quan trọng, trong lịch sử quang học, thì thí nghiệm này có lẽ chỉ đứng sau thí nghiệm của Newton sự phân tách ánh sáng trắng thành các thành phần khác nhau bởi lăng kính (H. 1 trong tập ảnh màu).

Young là người Anh đầu tiên dám tấn công vào công trình của Newton, và cũng là người đầu tiên cả gan thách thức uy tín vẫn còn sừng sững của Newton sau khi ông qua đời. Đặc biệt, ông nghiên cứu kỹ lưỡng cái mà ông cho là gót chân Achilles của lý thuyết hạt ánh sáng: đó là hiện tượng nhiễu xạ đã được Grimaldi phát hiện. Ông đã nhận thấy rõ rằng nếu tạo một khe nhỏ trên vách của một buồng tối, thì chùm sáng đi qua khe vào buồng, sẽ bị nhiễu xạ, nghĩa là loe rộng hơn và chiếu sáng một vùng rộng hơn với cường độ sáng yếu hơn so với trường hợp nếu giả định các hạt ánh sáng chỉ dịch chuyển theo đường thẳng. Bây giờ chúng ta sẽ tạo không phải một khe, mà hai khe rất gần nhau. Mỗi khe nằm ở gốc của một vùng ánh sáng được mở rộng. Young đặt một màn chắn ở sau hai khe để xem xét vùng, ở đó chùm sáng chồng chập lên nhau. Điều mà ông phát hiện thấy đã khiến ông hết sức sững sờ!

Người ta có thể hồn nhiên nghĩ rằng thêm ánh sáng vào ánh sáng thì vùng được chiếu sáng sẽ sáng hơn và rõ hơn. Vậy mà lại hoàn toàn không phải như thế. Young nhận thấy một hiện tượng thuộc loại bất ngờ nhất: ở vùng có hai chùm sáng chồng chập lên nhau đúng là có các dải sáng hơn, nhưng các dải này lại xen kẽ với các dải tối hoàn toàn (H. 22)! Nói cách khác, ở một số chỗ, thêm ánh sáng vào ánh sáng lại tạo ra bóng tối! Hãy hình dung bạn đi mua thêm một chiếc đèn nhằm thắp sáng hơn căn phòng của bạn và thật vô cùng thất vọng khi bật đèn lên bạn lại thấy các dải tối ở một số chỗ trên tường. Bạn có quyền nổi giận và đòi cửa hàng phải hoàn lại tiền ngay lập tức...

Các vân giao thoa của Thomas Young

Giải thích thế nào hiện tượng kỳ lạ này? Young ý thức được rằng một mô tả ánh sáng thuần túy là hạt sẽ không bao giờ giải thích được. Thêm các hạt ánh sáng vào các hạt ánh sáng, về logic, chỉ có thể tạo ra một lượng lớn hơn các hạt này, và như vậy sẽ tạo ra một vùng sáng hơn. Young cũng đã biết đến lý thuyết sóng ánh sáng của Huygens, lý thuyết mà Newton đã bác bỏ sạch trơn.

Hình 22. Một phiên bản hiện đại của thí nghiệm hai khe Young. Ánh sáng của một chùm laser đi qua hai khe song song và đập lên một màn chắn nằm ở phía sau. Các vân giao thoa xuất hiện trên màn hình, chứng tỏ ánh sáng chắc chắn có bản chất sóng.

Bất chấp lòng tôn kính đối với bậc tiền bối lừng danh, ông tự hỏi phải chăng chính Newton đã sai lầm và Huygens đã có lý. Thực tế, Young đã nhận thấy rằng ông có thể giải thích được phương trình kỳ lạ “ánh sáng + ánh sáng = bóng tối”, nếu ánh sáng là một sóng với các đỉnh và hõm như một sóng nước trên mặt đại dương.

Thật vậy, chúng ta hãy xét một điểm nào đó trên màn hình nhận hai sóng ánh sáng cùng tần số, nghĩa là có cùng số các đỉnh và hõm đi qua một điểm của không gian trong một giây18 . Một trong hai điều sẽ phải xảy ra: hoặc là hai sóng đến cùng pha ở một điểm nào đó (đỉnh của chúng đến đó đồng thời), biên độ của chúng cộng vào nhau và màn hình ở điểm này sáng lên gấp bốn (vì cường độ sáng tỷ lệ với bình phương biên độ - ND); hoặc là chúng bị ngược pha (các đỉnh của sóng này đến đồng thời với các hõm của sóng kia), biên độ của chúng triệt tiêu nhau và màn hình tối ở điểm đó. Sự chồng chập lên nhau của các sóng ánh sáng có các tần số bằng nhau được gọi là “giao thoa” (H. 23), và các dải sáng và tối xen kẽ nhau tạo thành từ sự giao thoa này được gọi là “các vân giao thoa”.

Tương tự, cũng với nguyên lý giao thoa của các sóng ánh sáng, Young đã giải thích được các vành sáng, tối, xen kẽ nhau, đã từng làm đau đầu Newton. Young đã mô tả nguyên lý của ông như sau: “Mỗi khi hai phần của cùng một ánh sáng đến mắt qua các hành trình khác nhau, chính xác hoặc gần chính xác theo cùng một phương, thì ánh sáng sẽ là mạnh nhất khi hiệu đường đi là bội số của một chiều dài nào đó, và yếu nhất là ở trạng thái trung gian giữa hai phần giao thoa nhau. Các ánh sáng có màu khác nhau thì chiều dài này cũng khác nhau”. Cũng giống như Euler, Young gắn kết mỗi màu với một bước sóng. Như vậy, mỗi một màu có thể được xác định bằng một đại lượng đặc trưng của dao động mang nó. Bước sóng là khoảng cách mà dao động truyền được trong chân không, từ một cực đại (một đỉnh) nó trở lại một cực đại khác sau khi đã đi qua một cực tiểu (một hõm) (H. 23). Thời gian giữa hai cực đại (hay hai cực tiểu) kế tiếp nhau xác định cái mà người ta gọi là một “chu kỳ”. Như vậy, bước sóng là khoảng cách sóng truyền được trong một chu kỳ.

Hình 23. Giao thoa cho phép hai hay nhiều sóng cộng với nhau, gọi là “giao thoa tăng cường nhau” (a) hay triệt tiêu nhau, gọi là “giao thoa hủy nhau” (b). Giao thoa tăng cường nhau xảy ra khi hai sóng đến cùng pha ở một điểm của không gian sao cho các đỉnh (và hõm) của chúng trùng khít với nhau. Chúng kết hợp với nhau tạo ra một sóng có biên độ lớn hơn, nghĩa là một ánh sáng mạnh hơn. Ngược lại, giao thoa hủy nhau xảy ra khi hai sóng lệch pha nửa bước sóng (còn gọi là ngược pha), sao cho các đỉnh (và hõm) của một sóng trùng với các hõm (và đỉnh) của một sóng khác, dẫn đến triệt tiêu hoàn toàn ánh sáng, nghĩa là có một vân tối.

Bước sóng của ánh sáng

Nhưng Young đã đi xa hơn Euler. Nhờ nguyên lý giao thoa, ông đã cho chúng ta biết làm thế nào để đo được bước sóng của một ánh sáng đơn sắc: chỉ cần xác định khoảng cách giữa các vân giao thoa mà hai chùm sáng của màu này tạo ra. Nếu chẳng hạn chúng ta tách ra một chùm sáng màu đỏ, và nếu chúng ta làm lại thí nghiệm hai khe, chúng ta sẽ quan sát thấy trên màn các vân đỏ và đen xen kẽ nhau. Young xác định được bước sóng của ánh sáng đỏ là 0,676 micron (một micron bằng một phần triệu mét), trong khi bước sóng của ánh sáng tím ngắn hơn, bằng 0,424 micron. Ngày nay chúng ta biết rằng ánh sáng khả kiến - tức ánh sáng mà mắt chúng ta có thể nhìn được - có bước sóng nằm trong khoảng từ 0,350 đến 0,720 micron.

Như vậy, thí nghiệm cơ bản của Young về các vân giao thoa bắt nguồn từ sự chồng chập của hai chùm ánh sáng có cùng tần số đi qua hai khe dẫn tới kết luận rằng ánh sáng là một sóng1 . Tuy nhiên, đóng góp to lớn của Young cho khoa học về ánh sáng không được thừa nhận khi ông còn sống. Sự sùng kính đối với các công trình của Newton vẫn còn mạnh hơn rất nhiều sự mở cửa đón nhận các ý tưởng mới. Hơn nữa, Newton đã có lý thuyết hạt để giải thích các vành sáng, tối xen kẽ nổi tiếng của ông: đó là lý thuyết “accès”. Theo nhà vật lý lừng danh này thì mỗi một hạt ánh sáng, khi tiến lại gần mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt, sẽ có một “accès” thuộc ba loại: một “accès” dễ truyền qua, một “accès” dễ phản xạ và một “accès” trung gian. Newton đã giải thích được hiện tượng các vành nói trên bằng cách kết hợp ba loại “accès” này. Nhưng khi làm như vậy ông đã phải đưa thêm vào các giả thiết mới, trong đó có giả thiết về các “accès ”. Phàm một lý thuyết đã phải đưa vào một giả thiết mới để giải thích mỗi một sự kiện mới là một lý thuyết không giải thích được gì cả.

Nhưng sự uy tín của Newton lớn đến mức không gì có thể khuất phục nổi. Young đã bị một số người đương thời chỉ trích mạnh mẽ. Họ nói thẳng: “Thật khó có thể coi là nghiêm túc một tác giả mà trí tuệ chỉ bận tâm đến một môi trường mà bản chất dao động của nó liên tục thay đổi19 20 , {...} một tác giả không cho thấy bất kỳ dấu hiệu nào về sự hiểu biết, sáng suốt hay chân thật ngõ hầu có thể bù lại sự thiếu hụt rành rành khả năng tư duy vững chắc”. Cả ở Anh lẫn ở Pháp, các quan điểm về bản chất hạt của ánh sáng đều không mảy may thay đổi sau những nghiên cứu phi thường về ánh sáng do Young tiến hành. Thậm chí không một ai chịu làm lại các thí nghiệm này.

Màu sắc và các cảm giác cơ bản

Một quan niệm khác trong số các quan niệm đi trước thời đại của Young liên quan đến thị giác các màu. Mặc dù đã chuyển sang lý thuyết sóng ánh sáng bằng sự tương tự giữa ánh sáng và âm thanh, nhưng nhà vật lý học người Anh vẫn nhận thấy rằng có một sự khác nhau căn bản giữa việc nhìn thấy các màu và việc nghe thấy âm thanh. Ông đã phỏng đoán chính xác rằng nếu âm thanh có thể được tri giác nhờ bộ phận thính giác nằm trong tai, cộng hưởng với mỗi một tông của một hợp âm, thì mắt không phải là một bộ phận đủ lớn để thích nghi với một hệ như thế. Ông viết: “Gần như không thể nghĩ rằng mỗi vị trí nhạy cảm của võng mạc chứa một số vô hạn các hạt, mỗi một hạt dao động ăn nhịp một cách hoàn hảo với mỗi sóng khả dĩ. Như vậy cần phải giả định rằng con số này là hữu hạn, chẳng hạn ở ba màu chính: đỏ, vàng và lam {...}. Mỗi một dây thần kinh gồm ba phần, mỗi phần ứng với một màu chính”. Như vậy, Young đã đưa ra quan điểm mới mang tính cách mạng rằng không tồn tại các màu cơ bản, như Newton bảo vệ, mà chính xác hơn là các cảm giác cơ bản. Một năm sau, ông đã thay đổi các màu cơ bản của ông thành đỏ, lục và tím. Nhưng, cũng giống các quan điểm về ánh sáng, quan điểm về màu sắc của ông cũng không được ủng hộ.

Được trời phú cho một trực giác phi thường, là thiên tài trong rất nhiều lĩnh vực, nhưng Young gặp rất nhiều khó khăn để khẳng định các quan điểm của ông, những quan điểm mà không phải lúc nào ông cũng cố gắng phát triển sâu. Công việc cuối cùng có tính quyết định mang lại sự tán đồng thì ông lại dành cho người khác. Young nghiên cứu chữ tượng hình Ai Cập cổ, nhưng Champollion mới là người giải mã phiến đá Rosette. Ông tìm ra nguyên lý giao thoa, nhưng như sau này chúng ta sẽ thấy chính Augustin Fresnel mới là người chứng minh nó bằng toán học. Nhà vật lý và sinh lý học người Đức, Hermann von Helmholtz (1821-1894) nhắc lại quan điểm của Young về ba cảm giác cơ bản về màu và viết về bậc tiền bối của mình thế này: “Ông là một trong những trí tuệ sắc sảo nhất. Nhưng ông thật không may đã đi trước quá xa thời đại mình. Những người đương thời với ông đã kính trọng ông pha lẫn ngạc nhiên, nhưng đã không thể đi theo ông trong các tư biện táo bạo. Chính vì vậy mà các ý tưởng quan trọng nhất của ông đã bị lãng quên và bị chôn vùi trong các kỷ yếu của Royal Society cho tới khi chúng được các thế hệ sau, các thế hệ biết đánh giá sức mạnh lập luận và sự chính xác của các kết luận của ông, dần phát hiện trở lại”.

Fresnel đưa ra cơ sở toán học cho nguyên lý giao thoa

Mọi việc chỉ thực sự bắt đầu thay đổi khi một sinh viên trường Đại học Bách khoa Paris tên là Augustin Fresnel (1788-1827) bước lên sân khấu (H. 24). Mặc dù Fresnel hoàn toàn không biết đến các nghiên cứu của Young, nhưng ông đã tái phát hiện một cách độc lập tất cả những kết luận của nhà vật lý người Anh này. Nhưng, thay vì ngôn ngữ trực giác và vật lý của Young, Fresnel, nhờ được đào tạo nghiêm túc ở trường Bách khoa, đã mô tả lý thuyết sóng ánh sáng và nguyên lý giao thoa bằng một ngôn ngữ toán học chính xác, và như vậy đã đã làm cho nó một cơ sở vững chắc hơn. Sau khi học xong trường Bách khoa, Fresnel chuyển sang học trường kỹ sư Cầu đường (cũng là một trường lớn nổi tiếng của Pháp - ND). Nhưng ánh sáng mới là niềm đam mê thực sự của chàng trai trẻ rụt rè này, và anh đã dùng tất cả những lúc rảnh rỗi trong cuộc đời ngắn ngủi của mình (bệnh lao đã quật ngã anh ở tuổi ba mươi chín) để giải mã các bí mật của hiện tượng huyền bí này.

Hình 24. Chân dung Augustin Fresnel (1788-1827).

Chàng kỹ sư Cầu đường người Pháp này đã tái phát hiện một cách độc lập các kết quả của Young về bản chất sóng của ánh sáng và các định luật giao thoa, và hơn thế nữa ông còn xây dựng cho chúng một cơ sở toán học vững chắc. © Rue des archives/ The Granger Collection NYC.

Mở đầu báo cáo Fresnel dẫn một căn cứ triết học để lập luận phản đối cách mô tả ánh sáng là hạt. Theo Fresnel, tự nhiên hành xử theo nguyên lý tiết kiệm: tự nhiên tạo ra tối đa hiệu quả bằng tối thiểu nguyên nhân. Vậy mà những người ủng hộ lý thuyết hạt ánh sáng không tôn trọng nguyên lý này. Để giải thích một sự kiện mới, họ đưa ra thêm một giả thiết. Chẳng hạn, để giải thích hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng, Newton phải giả định một lực làm lệch các hạt ánh sáng khi đi vào một môi trường khác, đồng thời lại giả định rằng không tồn tại bất kỳ lực nào tác dụng giữa các hạt. Do có quá nhiều giả thiết nên lý thuyết hạt ánh sáng không thể là lý thuyết đúng được. Trong báo cáo của mình, Fresnel mô tả nguyên lý tiết kiệm của tự nhiên như sau: “Chắc chắn rất khó phát hiện được lý do của sự tiết kiệm tuyệt vời này {...} Nhưng, ngay cả khi nguyên lý triết học của các khoa học này không trực tiếp dẫn đến Chân lý, thì nó vẫn có thể dẫn dắt các nỗ lực của trí tuệ rời xa những sơ đồ gắn kết các hiện tượng với một số quá lớn các nguyên nhân khác nhau, đồng thời hướng nó tìm đến các sơ đồ dựa trên một tối thiểu các giả thiết nhưng mang lại tối đa kết quả”21.Không biết tiếng Anh, nên Fresnel không hề biết đến các nghiên cứu của Young ở bên kia eo biển Manche. Ông tự đặt cho mình nhiệm vụ phải bảo vệ hết mình lý thuyết sóng ở một trong những bài báo đầu tiên của ông về ánh sáng viết nhân một cuộc thi về hiện tượng nhiễu xạ do Viện Hàn lâm Khoa học phát động. Đa số các thành viên của Hội đồng uy nghiêm này là những người ủng hộ lý thuyết của Newton về bản chất hạt của ánh sáng. Trong số những người này có nhà toán học Siméon Poisson (1781-1840), nhà vật lý Jean-Baptiste Biot (1774-1862), nhà thiên văn học Pierre Simon de Laplace (1749-1827). Thực ra, Viện phát động cuộc thi này với hy vọng một ai đó sẽ giải thích được hiện tượng nhiễu xạ bằng bản chất hạt của ánh sáng. Thay vì, vào năm 1819, họ nhận được từ Fresnel một báo cáo dày 140 trang, trong đó đã giải thích một cách chính xác và chi tiết hiện tượng nhiễu xạ dựa trên chỉ một giả thiết rằng ánh sáng là một sóng trong ête và nó tuân theo nguyên lý giao thoa. Các viện sĩ hàn lâm tỏ ra ấn tượng với khả năng tài tình của chàng sinh viên trẻ trường Bách khoa này. Mặc dù bảo vệ lý thuyết sóng ánh sáng, nhưng chàng trai Fresnel vẫn xuất sắc giành chiến thắng trong cuộc thi.

Tại sao âm thanh lại vòng quanh được các góc phố còn ánh sáng thì không?

Fresnel đã đưa ra một cách phát biểu lý thuyết hơn, đầy đủ hơn và hệ thống hơn về ánh sáng như một hiện tượng sóng. Hình thức luận toán học này đã cho phép ông không chỉ tổng quát hóa các kết quả của Young, mà còn trả lời được sự bắt bẻ chủ yếu của Newton chống lại bản chất sóng của ánh sáng: tại sao người ta có thể nghe thấy tiếng một ai đó ở chỗ rẽ của một con phố mà lại không nhìn thấy anh ta? Nếu ánh sáng là một sóng, như âm thanh, thì nó cũng phải chạy vòng quanh được các góc phố giống như âm thanh, và người ta phải nhìn thấy tất cả những gì ở bên kia góc phố, giống như đã nghe thấy.

Chàng kỹ sư trẻ đã chứng tỏ được rằng ánh sáng cũng chạy vòng quanh các góc phố, nhưng vì các sóng ánh sáng đi theo con đường này giao thoa với nhau và triệt tiêu nhau gần như hoàn toàn khiến cho chúng ta không nhìn thấy gì. Chính sự triệt tiêu gần như hoàn toàn các sóng này đã giải thích được hiện tượng nhiễu xạ đã được Grimaldi phát hiện vào năm 1665, tức là hơn một thế kỷ rưỡi trước. Cũng giống như sóng ánh sáng chạy vòng quanh góc phố triệt tiêu nhau gần như hoàn toàn, các sóng lan truyền trong vùng tối sau một vật cũng giao thoa với nhau và triệt tiêu nhau gần như toàn bộ, trong khi chúng tăng cường nhau trong vùng sáng. Fresnel tính toán rằng lượng ánh sáng đi vào vùng tối trên một khoảng cách nào đó phụ thuộc vào bước sóng (khoảng cách giữa hai đỉnh sóng liền kề). Bước sóng càng ngắn thì khoảng cách xâm nhập vào vùng tối càng nhỏ, và lượng ánh sáng đi vào vùng tối càng ít. Mà bước sóng ánh sáng nhỏ hơn một triệu lần bước sóng của âm thanh do miệng bạn phát ra. Các sóng ánh sáng chắc chắn cũng chạy vòng quanh góc phố, nhưng triệt tiêu nhau gần như hoàn toàn, điều này giải thích tại sao bạn có thể nghe thấy tiếng một người mà không nhìn thấy anh ta. Chính sự triệt tiêu gần như hoàn toàn này làm cho gần như toàn bộ ánh sáng mà chúng ta nhìn thấy lan truyền theo đường thẳng. Ánh sáng khúc xạ chỉ chiếm một phần rất nhỏ trong tổng lượng ánh sáng.

Fresnel và kính râm

Với cách phát biểu toán học của mình, Fresnel cũng đã giải thích được hiện tượng phân cực của ánh sáng. Tất cả chúng ta đều biết hiện tượng này. Khi lái xe ôtô chúng ta đeo kính râm để giảm độ chói của ánh sáng bị nhựa đường phản xạ, ánh sáng mà chúng ta nhìn thấy bị phân cực. Để hiểu thế nào là ánh sáng phân cực, hãy làm thí nghiệm sau: chiếu sáng một tinh thể đặc biệt có tên là “đá Băng Lan”. Ánh sáng đi ra từ tinh thể đã bị “phân cực”, tức là bị “định hướng” theo một phương đặc biệt. Các bạn có thể nhận thấy điều này bằng cách đưa ánh sáng từ tinh thể đi ra qua một tinh thể thứ hai y hệt như tinh thể thứ nhất. Đầu tiên hãy đặt chúng theo các hướng giống nhau, sau đó quay hai tinh thể này đối với nhau. Ánh sáng tiếp tục đi ra từ tinh thể thứ hai, nhưng tới một định hướng nào đó giữa hai tinh thể thì nó biến mất. Những người ủng hộ lý thuyết hạt giải thích hiện tượng kỳ lạ này bằng cách viện tới hình dạng của các hạt ánh sáng. Tinh thể đầu tiên được đặt theo sự định hướng đã cho sẽ chọn lọc và chỉ cho qua những ánh sáng có một hình dạng nào đó. Tinh thể thứ hai chỉ cho qua các hạt này nếu nó được định hướng giống như tinh thể thứ nhất. Nếu không sẽ là bóng tối.

Trước Fresnel, những người ủng hộ thuyết ánh sáng là sóng đã rất đau đầu với hiện tượng ánh sáng phân cực này, vì âm thanh không cho thấy bất kỳ hiệu ứng phân cực nào. Nhưng, nếu ánh sáng là một sóng giống như âm thanh, thì cả hai phải có cùng các hiệu ứng giống nhau. Fresnel đã đưa ra một lời giải thật tài tình: mặc dù cả âm thanh và ánh sáng đều có bản chất sóng, nhưng chúng khác nhau về mặt phẳng dao động.

Chẳng hạn, âm thanh là một sóng nén và dãn trong không khí. Hãy nói với một ai đó, khi đó li độ dao động trong không khí mà tiếng nói của bạn gây ra thay đổi theo phương lan truyền của sóng âm từ miệng của bạn đến tai của người nghe. Người ta nói rằng sóng này là “dọc”. Ngược lại, Fresnel tuyên bố, ánh sáng là một dao động của ête, và li độ của dao động này thay đổi không phải trong phương lan truyền của sóng, mà trong mặt phẳng vuông góc với phương truyền đó: đó là một sóng “ngang” (H. 25). Như vậy, sóng ánh sáng giống với các sóng nước ở đại dương hay với các dao động của một dây đàn violon hơn là giống sóng âm. Dây đàn violon có thể dao động từ thấp lên cao hoặc từ trái sang phải (hoặc ngược lại). Như vậy tồn tại hai phương ngang. Hai phương này tương ứng với hai phân cực khả dĩ của ánh sáng: một phân cực theo phương thẳng đứng, và một theo phương ngang. Ánh sáng Mặt trời phản xạ trên mặt đường bị phân cực theo phương ngang. Bằng cách loại bỏ thành phần ngang này và chỉ cho đi qua kính thành phần ngang thẳng đứng, kính râm “phân cực” sẽ loại bỏ được ánh sáng Mặt trời bị mặt đường phản chiếu làm cho ta không bị chói mắt, lái xe sẽ dễ chịu và bớt nguy hiểm hơn.

Sau báo cáo ở Viện hàn lâm khoa học, Fresnel tiếp tục phát triển và hoàn thiện các tính toán của mình. Cuối cùng, các chứng minh của ông đã có sức thuyết phục tới mức ông đã đẩy lùi được lý thuyết hạt của Newton và những người kế nghiệp Newton, và khẳng định lý thuyết sóng ánh sáng. Ngay khi biết đến các nghiên cứu của Young, Fresnel đã không ngần ngại viết thư cho Young để thừa nhận những công trình của Young đã được công bố trước mình: “Tôi đã nhiều lần vui vẻ thừa nhận trước công chúng rằng tôi đã đi sau các nghiên cứu của ngài.” Còn Young cũng vui vẻ thừa nhận rằng Fresnel đã có các phát hiện độc lập và rất độc đáo: “Lần đầu tiên tôi rất vui sướng được nghe về một nghiên cứu quang học được Ngài Fresnel trình bày, người đã tái phát hiện các định luật giao thoa bằng các nỗ lực riêng của mình”. Quả là một đối xử mẫu mực giữa hai nhà khoa học lớn, cả hai đều đáng được cảm phục. Cách ứng xử mẫu mực này cần phải luôn được đặt lên hàng đầu trong thế giới hàn lâm, mặc dù rất tiếc không phải lúc nào người ta cũng làm như vậy!

Hình 25. Quan niệm hiện đại về một sóng điện từ. Sóng này được cấu thành bởi một điện trường và một từ trường dao động vuông góc với nhau. Sóng điện từ lan truyền trong không gian với vận tốc ánh sáng theo phương vuông góc với cả điện trường và từ trường.

Điện và từ chỉ là hai mặt của cùng một thực tại

Phát hiện của Fresnel rằng ánh sáng là một sóng ngang - chứ không phải là dọc, như sóng âm - đặt ra vấn đề liên quan đến bản chất của ête, một chất lỏng giả thuyết được coi là tràn ngập toàn bộ vũ trụ và truyền các sóng ánh sáng. Young đã xác định đầy đủ những khó khăn về mặt khái niệm do khẳng định này gây ra khi ông viết vào năm 1823: “Giả thuyết của ngài Fresnel chí ít cũng rất tài tình và cho phép thực hiện các tính toán thỏa đáng. Nhưng nó cũng dẫn chúng ta đến một kết luận rụng rời: ête choán toàn bộ không gian không chỉ hoàn toàn đàn hồi, mà nó cũng rất rắn!” Trên thực tế, các sóng ngang chỉ có thể lan truyền trong chất rắn. Chúng có thể lan truyền qua một chất lỏng, nhưng chỉ trên bề mặt (như sóng trên mặt nước), chứ không phải ở bên trong chất đó. Như vậy ête phải rắn như nước đá. Nhưng, nếu quả thật là như vậy thì làm thế nào Trái đất và các hành tinh khác có thể di chuyển trong băng đá này mà không bị chậm lại? Liệu có thể ête chỉ tồn tại trong trí tưởng tượng quá phong phú của con người, cũng giống như các tinh cầu mà con người thời Trung cổ đã ương ngạnh gắn các hành tinh hay các con kỳ lân lên đó?

Bước tiến lớn trong hiểu biết về ánh sáng được thực hiện bằng một rẽ ngang sang lĩnh vực điện và từ. Tác giả chính của chương mới này là nhà vật lý người Anh, Michael Faraday (1791-1867) (H. 26), người được coi là nhà thực nghiệm lớn nhất thời đại ông. Hành trình của Faraday cho thấy khát vọng, sự kiên trì và thiên tài có thể vượt qua các rào cản xã hội kinh khủng nhất như thế nào. Xuất thân trong một gia đình nghèo khó, là con trai một người thợ rèn, Faraday không được học hết phổ thông. Năm 13 tuổi, Faraday học việc đóng sách trong một cửa hàng sách ở London, tại đây ông đã tự học bằng cách ngấu nghiến các cuốn sách của cửa hàng. Một hôm, ông tình cờ bắt gặp trong cuốn Bách khoa thư Britannica một bài viết liên quan đến điện. Bài viết này đã chinh phục ông. Thế là bắt đầu một niềm đam mê đối với các hiện tượng điện từ, và niềm đam mê ấy đã kéo dài suốt cả cuộc đời ông. Và chính ông đã có nhiều đóng góp để làm sáng tỏ các hiện tượng này.

Năm 21 tuổi, ông may mắn được tham dự những buổi nói chuyện cho công chúng về điện của nhà hóa học và vật lý học nổi tiếng Humphry Davy (1778-1829). Faraday đã ghi lại nội dung những buổi nói chuyện đó vào một cuốn vở và gửi cho Davy; ấn tượng với nhiệt huyết và trí tuệ của Faraday, ông đã nhận anh làm trợ tá cho mình, mở cửa đón anh vào làm việc tại phòng thí nghiệm của Royal Institution (Viện Hoàng gia) ở London.

Sau đó Faraday lao vào một loạt các thí nghiệm giúp ông trở nên nổi tiếng. Ông đặc biệt muốn tìm lời giải đáp cho câu hỏi cơ bản sau: các hiện tượng điện, từ và hấp dẫn liệu có liên hệ với nhau hay là hoàn toàn tách biệt nhau? Faraday rất gắn bó với chương trình thống nhất vật lý mà hiện nay vẫn còn đang được tiếp tục theo đuổi. Là người cực kỳ sùng đạo, ông có niềm tin mãnh liệt vào sự thống nhất của tự nhiên và xác tín rằng các hiện tượng bề ngoài tưởng như chẳng có liên hệ gì với nhau, nhưng thực tế chỉ là những biểu hiện khác nhau của một và chỉ một nguồn gốc. Faraday đã biết đến các nghiên cứu của nhà vật lý học người Đan Mạch, Christian Oersted (1777-1851). Năm 1820, Oersted đã xác lập được mối liên hệ chặt chẽ giữa các hiện tượng điện và từ khi nhận thấy một dòng điện làm lệch kim la bàn. Bởi vì la bàn chỉ nhạy với một hiện tượng từ, nên điều này có nghĩa là điện đã sinh ra từ. Faraday tự hỏi liệu điều ngược lại có đúng không. Năm 1831, ông đã chứng minh được rằng một nam châm chuyển động sinh ra một dòng điện. Một tình huống rất đối xứng: các điện tích dịch chuyển sinh ra một hiệu ứng từ, và một từ trường chuyển động sinh ra một hiệu ứng điện. Điểm quan trọng cần ghi nhớ ở đây là dòng điện hay hiệu ứng từ luôn được sinh ra nhờ chuyển động: chuyển động của nam châm hay chuyển động của các điện tích. Nếu tất cả đều đứng yên, bất động, thì sẽ chẳng có gì xảy ra. Như vậy, điện và từ chắc chắc phải là hai mặt của cùng một hiện tượng. Người ta nghĩ ra từ “điện từ” để liên kết chúng về mặt ngôn ngữ.

Hình 26. Chân dung Michael Faraday (1791-1867). Nhà vật lý học người Anh này đã chứng tỏ sự liên quan mật thiết giữa điện và từ, ông là tác giả của khái niệm đường sức của điện trường và từ trường. © Rue des archivess/PVDE.

Một khi sự gắn bó mật thiết giữa điện và từ đã được xác lập, thì chỉ còn một bước nhỏ cần phải vượt qua để làm ra các động cơ và máy phát điện, làm thay đổi căn bản cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Một dòng điện sinh ra một từ trường, và đến lượt mình từ trường lại làm chuyển động một tấm sắt: đó chính là nguyên lý của động cơ điện.

Các đường sức từ của Faraday

Thế giới quan thắng thế vào thế kỷ XIX chắc chắn là thế giới quan duy vật: vũ trụ chứa các vật thể vật chất tắm trong ête, bản thân ête cũng được cấu thành từ vật chất và là môi trường truyền các lực hấp dẫn, ánh sáng, điện và từ của vật này sang vật khác. Thực thể vật chất hiện diện ở khắp nơi. Tuy nhiên, việc lực điện có thể tác dụng từ xa, một dòng điện có thể làm lệch kim la bàn mà không tiếp xúc với nó, vẫn khiến người ta bối rối. Có thể là điện có một bản chất kép: nó không chỉ gồm các điện tích, mà, do khả năng hoạt động từ xa của nó, nó hẳn phải có một đặc tính phi vật chất cho phép nó xuyên qua dễ dàng kim loại và lan truyền trong không gian.

Dựa vào kết quả thí nghiệm, Faraday đã quét sạch tất cả các quan niệm này. Không được học đại học, ông không phải chịu những gánh nặng và sự kìm hãm của một hành trang các tư tưởng định sẵn, và tinh thần của ông tự do đi đến nơi mà trực giác dẫn đến. Để giải thích ảnh hưởng từ xa của các lực điện và từ, ông tưởng tượng ra các đường sức đi từ một điện tích hay một trong các cực của nam châm để lan toả trong không gian và tạo thành ở đó một “trường” điện hoặc từ rộng lớn.

Khái niệm “trường” này mang tính cách mạng và có ảnh hưởng lớn đến sự phát triển của vật lý học trong những thế kỷ tới. Nó cho phép giải thích các hiện tượng trong cuộc sống hàng ngày. Chẳng hạn, ở sân bay, khi bạn đi qua cửa an ninh, bằng cách nào một chiếc máy không chạm vào người bạn mà lại có thể xác định được bạn có mang theo kim loại hay không? Hay bằng cách nào kim của la bàn lại luôn chỉ hướng bắc? Câu trả lời sẽ rất rõ ràng nếu bạn nghĩ đến từ trường. Trong trường hợp thứ nhất, các đường sức từ mà chiếc máy tạo ra tiếp xúc với cơ thể bạn và “định vị” vật kim loại; trong trường hợp thứ hai, chính các đường sức từ của từ trường Trái đất đã làm lệch hướng kim của la bàn.

Bạn cần phải ý thức rằng tất cả chúng ta đều tắm trong một đại dương khổng lồ điện từ trường. Các trường điện từ này hiện diện ở mọi nơi, mọi lúc trong cuộc sống của chúng ta. Chỉ cần bạn bật tivi hoặc mở radio là các trường điện từ này tự biến thành hình ảnh hoặc âm thanh. Chính các trường điện từ này đã chuyển tải qua không gian các chương trình truyền hình hay bản nhạc yêu thích của bạn từ đài phát cho tới tivi hay radio của bạn. Cũng chính chúng cho phép bạn giao tiếp với bạn bè qua điện thoại di động hoặc kết nối máy vi tính xách tay của bạn với mạng Internet mà không cần bất kỳ sự kết nối hữu tuyến nào.

Trên băng ghế nhà trường, tất cả chúng ta đều đã thấy thí nghiệm chứng tỏ một cách thuyết phục rằng các trường điện từ này không phải chỉ là sản phẩm của trí tưởng tượng phong phú của Faraday. Hãy đặt một nam châm lên một cái khăn trải bàn và rắc mạt sắt lên xung quanh. Lắc nhẹ chiếc khăn và bạn thấy mạt sắt tự sắp xếp lại với nhau như có phép thần theo các đường vòng cung đi từ cực bắc đến cực nam của nam châm. Các đường này là bằng chứng hữu hình chứng tỏ rằng nam châm đã tạo ra các đường sức từ vô hình choán đầy không gian và hút các mạt sắt (H. 27)

Nhưng đâu là mối liên hệ của các đường sức điện từ này với ánh sáng? Như chúng ta đã thấy, Faraday rất sùng đạo, ông tin vào sự thống nhất của tự nhiên, bởi vì tự nhiên là biểu hiện của Chúa và Chúa là Một: “Tôi từ lâu đã có quan điểm, và nó đã trở thành gần như một đức tin, rằng các dạng thể hiện khác nhau của các lực của vật chất có một nguồn gốc chung”. Ông có trực giác rằng ánh sáng là một sóng ngang chuyển động dọc theo các đường sức điện hoặc từ, như một sóng chạy dọc theo một sợi dây căng ngay khi người ta truyền một chuyển động đột ngột cho một trong hai đầu của nó. Nhưng, vì tự học, nên ông không có hành trang cần thiết để chứng minh bằng toán học sự gắn bó mật thiết giữa điện, từ và ánh sáng. Nhiệm vụ này được trao cho nhà vật lý học vĩ đại người Scotland, James Clerk Maxwell (1831-1879) (H. 28).

Hình 27. Các đường sức của từ trường. Mạt sắt đã vạch nên các đường sức từ nối cực bắc (N) và cực nam (S) của nam châm.

Ánh sáng sinh ra từ cuộc hôn phối giữa điện và từ

Nguồn gốc xã hội và con đường học vấn của Maxwell hoàn toàn khác với Faraday. Sinh ở Édimbourg trong một gia đình địa chủ giàu có và trí thức, Maxwell học Đại học Édimbourg, sau đó là Cambridge và trở thành giáo sư của trường này vào năm 1870. Ông khâm phục các thí nghiệm tài tình của Faraday về điện và từ. Ông tin rằng các ý tưởng về trường của các đường sức choán đầy không gian chắc chắn là đúng: “Faraday đã thấy trong đầu ông các đường sức xuyên qua toàn bộ không gian, trong khi các nhà toán học chỉ thấy các tâm của lực hút từ xa”. Ông đã quyết định vận dụng khả năng toán học phi thường của mình để diễn đạt trực giác của Faraday bằng ngôn ngữ tự nhiên, tức là ngôn ngữ toán học. Bài báo Một lý thuyết động lực về trường điện từ công bố năm 1864, trong đó ông tổng hợp - dưới dạng một hệ bốn phương trình - các kiến thức tản mát ở thời ông về điện và từ, đã đánh dấu một bước quyết định trong lịch sử vật lý. Bốn phương trình này hiện được đặt tên là các phương trình Maxwell. Mỗi phương trình chỉ dài một dòng; nó được biểu diễn bằng một ngôn ngữ toán học cô đọng, nhìn chúng không khỏi không gợi nhớ tới vẻ đẹp hình thức của các chữ tượng hình cổ Ai Cập hay các biểu tượng thần bí của giả kim thuật. Các phương trình này gọn ghẽ tới mức người ta có thể viết tất cả lên mặt trước của một cái áo phông, và một số thương gia đã không bỏ lỡ cơ hội kiếm lời đó...

Hình 28. Chân dung James Maxwell (1831-1879). Nhà vật lý người Scotland là nhà lý thuyết về sóng điện từ. Ông ca ngợi sự hôn phối giữa điện và từ bằng bốn phương trình toán học được viết một cách cô đọng tới mức chúng có thể được ghi trọn chỉ ở mặt trước chiếc áo phông! © Rue des Archives/ The Granger Collection NYC.

Phương trình thứ nhất mô tả bằng cách nào các điện tích sinh ra lực, các lực làm cho một mẩu hổ phách sau khi được chà xát có khả năng hút các mẩu giấy nhỏ.

Phương trình thứ hai mô tả các đường sức của một từ trường, như các vòng cung duyên dáng mà các mạt sắt sắp theo quanh nam châm.

Hai phương trình còn lại mô tả sự kết hợp giữa điện và từ. Một phương trình cho biết bằng cách nào các biến thiên của một từ trường sinh ra các hiệu ứng điện; còn phương trình kia cho biết các biến thiên của một điện trường sinh ra một từ trường như thế nào.

Richard Feynman (1918-1988), giải Nobel Vật lý, đã bình luận thành tựu tuyệt vời của Maxwell thế này: “Không còn nghi ngờ gì nữa, trong một vạn năm nữa, hậu thế vẫn sẽ coi phát hiện về các định luật điện động lực học của Maxwell như một sự kiện lớn nhất của thế kỷ XIX. So với nó, cuộc Chiến tranh Ly khai của Mỹ chỉ như một sự kiện tầm thường ở tỉnh lẻ”.

Nhưng mối quan hệ của các hiện tượng điện từ với ánh sáng là gì? Các phương trình Maxwell phát lộ cho tác giả của chúng một sự kiện thật bất ngờ: các sóng điện từ không gì khác cũng chính là các sóng ánh sáng! Các phương trình này đã kể lại với ông kịch bản sau: một điện trường biến thiên theo thời gian sinh ra một từ trường; do chính sự xuất hiện của mình mà từ trường biến thiên và do đó, đến lượt mình, từ trường lại sinh ra một điện trường biến thiên, điện trường này lại cho ra đời một từ trường và từ trường này đến lượt nó lại sinh ra một điện trường, và cứ như vậy tiếp diễn mãi. Cuộc hôn phối giữa điện và từ vậy là đã hoàn tất. Chúng sẽ tạo thành, từ nay và mãi mãi về sau, một cặp thống nhất không thể rời xa. Chúng là hai thành phần của một sóng điện từ lan truyền trong không gian giống như một sóng lan truyền dọc theo sợi dây đàn violon khi được kéo. Sóng này là sóng ngang, nghĩa là các đỉnh và hõm nằm trong một mặt phẳng vuông góc với phương lan truyền (H. 25).

Năm 1873, Maxwell còn tính toán được rất chính xác vận tốc lan truyền trong không gian của sóng điện từ này. Đáp số thật là kỳ lạ: vận tốc của sóng này lại chính là vận tốc của ánh sáng1 .

Như vậy, một sóng điện từ không gì khác chính là ánh sáng! Sau khi Newton đã thống nhất trời và đất, đến lượt Maxwell được coi là nhà thống nhất vĩ đại thứ hai của vật lý học. Như có phép màu, ông đã thống nhất không chỉ điện và từ, mà còn cả quang học nữa!

Một thế giới kết nối với nhau bằng ánh sáng

Phát hiện của Maxwell đã tạo ra một cuộc cách mạng trong các phương thức giao tiếp của con người. Maxwell nói với chúng ta rằng, nếu tại một điểm nào đó của Trái đất, chúng ta tạo ra một tín hiệu dưới dạng một nhiễu động điện từ, chẳng hạn như làm cho một điện tích dao động, thì tín hiệu này sẽ lan truyền trong không gian với vận tốc ánh sáng và sẽ thu được ở một vị trí khác. Tuy nhiên, cần phải có thời gian để công nghệ theo kịp lý thuyết. Mãi đến năm 1887, tức là 14 năm sau công trình thống nhất vĩ đại của Maxwell, nhà vật lý người Đức, Heinrich Hertz (1857-1894) mới phát được một tín hiệu từ một máy phát đến một máy thu nằm cách xa nhau không quá một mét, từ đó mở ra con đường cho điện tín vô tuyến bằng sóng điện từ, còn được gọi là “sóng Hertz”. Hertz đã bày tỏ sự khâm phục các phương trình kỳ diệu của Maxwell như sau: “Người ta không thể nghiên cứu lý thuyết lỗi lạc này mà không có ngay cảm giác rằng các công thức toán học ở đó có một sức sống mãnh liệt và một ý nghĩa thật rõ ràng, như thể chúng trí tuệ hơn chúng ta, tinh tế hơn cả người đã phát hiện ra chúng, như thể chúng mang lại nhiều hơn điều mà người ta kỳ vọng lúc đầu”.

Kể từ đó, các công cụ và phương tiện truyền tin ngày càng tinh vi hơn đã ra đời nhằm kết nối chúng ta ngày một chặt chẽ hơn: rada, radio, truyền hình, tranzito, dàn hi-fi, điện thoại, máy trả lời tự động, laser, chíp và máy tính, cáp quang, fax, mạng Internet... Chúng là một bộ phận không thể tách rời của cuộc sống hàng ngày của chúng ta đến mức chúng ta thậm chí không thể hình dung nổi thời kỳ mà chúng chưa xuất hiện. Nhờ có ánh sáng, Trái đất đã trở thành một ngôi làng toàn cầu.

Nhưng phát minh của Maxwell không chỉ kết nối con người với đồng loại. Nó còn kết nối chúng ta với toàn thể vũ trụ. Chuyển động của các electron và proton trong từ trường của một sao nơtron trong mặt phẳng của Thiên hà, các

Hiện nay người ta đo được vận tốc của ánh sáng trong chân không là 299.792,458km/s. xung điện bên trong một thiên hà cách xa chúng ta hàng tỉ năm ánh sáng, đã sinh ra các sóng ánh sáng vượt qua không gian giữa các vì sao và giữa các thiên hà xa xôi để được đón nhận trên Trái đất trong các chảo anten thu khổng lồ mà người ta gọi là các kính thiên văn. Các nhà thiên văn học trên Trái đất hối hả giải những mật mã vũ trụ được mang theo ánh sáng đi đến chúng ta từ những thuở xa lắc xa lơ. Chúng thuật lại lịch sử của vũ trụ, và lịch sử này không là gì khác, nó chính là lịch sử nguồn gốc của chúng ta.

Không gian tuyệt đối của Newton

Một câu hỏi căn bản vẫn còn bị bỏ ngỏ: nếu các sóng điệu từ lan truyền trong không gian như các sóng trên mặt nước, thì nước của các sóng ánh sáng của Maxwell là gì? Đâu là giá đỡ vật chất cho phép các sóng này lan truyền? Mặc dù, trong mọi trường hợp, các phương trình của ông không đòi hỏi sự hiện diện của một chất choán đầy vũ trụ nào, nhưng Maxwell vẫn nghĩ rằng các sóng ánh sáng của ông lan truyền trong một môi trường gọi là “ête”. Ông viết trong bộ Bách khoa toàn thư Britannica năm 1878: “Bất chấp những khó khăn mà chúng ta có thể gặp phải khi hình thành trong đầu một ý tưởng chặt chẽ về cấu trúc của ête, thì việc tồn tại một dạng vật chất hoặc một thể nào đó choán toàn bộ không gian giữa các hành tinh và giữa các vì sao là một điều không thể nghi ngờ...”

Khi viện đến ête, Maxwell là người kế thừa về mặt trí tuệ của một chuỗi dài các nhà tư tưởng. Aristote cho rằng trời, lãnh hạt của các hành tinh và các vì sao, chứa đầy ête bởi vì giữa các vì sao không thể có không gian trống rỗng, bản thân các ngôi sao cũng là nơi tập trung ête bức xạ bằng toàn bộ ngọn lửa của mình. Theo Descartes, người định nghĩa không gian là một dạng vật chất, nên sự hiện diện của ête cũng là một đòi hỏi tất yếu. Còn Newton cần ête vì nhiều lý do. Trước hết, bởi vì ông không thể chấp nhận lực hấp dẫn thân thiết của ông hay lực điện lại có khả năng tác dụng từ xa; ête được dùng làm tác nhân để truyền các lực này. Trong đoạn văn tuyệt vời khép lại tác phẩm Principia, ông viết: “Và bây giờ, chúng tôi phải thêm vào một chất thuộc loại tinh tế nhất, hiện diện ở khắp mọi nơi và được ẩn giấu trong tất cả các vật thể. Nhờ có lực và tác dụng của chất này, mà các hạt của các vật thể này có thể hút lẫn nhau ở các khoảng cách gần, và kết tụ lại với nhau nếu chúng chạm vào nhau; các vật thể tích điện có thể tác dụng ở các khoảng cách lớn hơn, đẩy hoặc hút các hạt cạnh nhau; và ánh sáng có thể được phát, phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, và làm nóng các vật thể”. Trong đầu Newton, chất tinh tế này không là gì khác mà chính là ête. Mặt khác, Newton cần một hệ quy chiếu để mô tả chuyển động của các vật: khi nói một vật nằm yên hoặc chuyển động, thì đó là so với cái gì? Newton trả lời rằng đó là so với một môi trường trong suốt mà tất cả chúng ta đều tắm trong đó. Ông gọi môi trường này là “không gian tuyệt đối”. Theo ông, khi chúng ta vòng xe đột ngột khi đang chạy với vận tốc cao, là chúng ta đã gia tốc đối với không gian tuyệt đối. Khi một máy bay gia tốc trên đường băng để cất cánh, có một lực ép chúng ta vào lưng ghế, thì chuyển động này được biểu hiện là đối với không gian tuyệt đối. Vậy không gian tuyệt đối này là gì? Newton trả lời bằng một định nghĩa khá mập mờ và không chính xác: “Không gian tuyệt đối, do chính bản chất của nó, không quy chiếu với một vật nào khác bên ngoài. Nó luôn luôn giống với chính nó và không thay đổi”. Nhưng, trong đầu ông, đóng vai trò của không gian tuyệt đối đó chính là ête.

Maxwell cũng phải đương đầu với vấn đề hệ quy chiếu tuyệt đối khi các phương trình của ông nói với ông rằng các sóng điện từ (hay ánh sáng) lan truyền trong không gian với vận tốc 300.000km/s. Vận tốc này được tính so với cái gì? Các phương trình của Maxwell không trả lời được cho câu hỏi này. Điều này cũng tựa như người ta nói với bạn rằng điểm hẹn nằm cách xa 10 kilômét, mà không nói rõ là cách mười kilômét là so với địa điểm nào. Đi theo vết chân của Newton, Maxwell nghĩ hoàn toàn tự nhiên rằng ánh sáng lan truyền với vận tốc 300.000km/s là so với một chất ête tĩnh choán đầy toàn vũ trụ.

Tại sao ête lại không kìm hãm chuyển động của Trái đất?

Nhưng ête này được làm từ gì? Nó bắt nguồn từ đâu và có những tính chất gì?

Bản chất của ête phải tương thích với một số quan sát. Trước hết, khỏi cần nói ai cũng biết, nó phải trong suốt, vì chúng ta ngắm nhìn ánh sáng của các hành tinh và các vì sao mà không gặp bất kỳ sự cản trở nào. Mặt khác, cần phải giải thích là tại sao chúng ta lại không hề cảm nhận được một cơn gió ête nào, khi con tàu Trái đất rẽ không gian với vận tốc 30km/s trên hành trình của nó quanh Mặt trời. Thực tế, Trái đất đã và đang rẽ lối đi qua ête với vận tốc lớn như thế, hết thế kỷ này sang thế kỷ khác, thế mà người ta không thấy nó bị chậm đi tí nào. Các tính toán của Newton về chuyển động của các hành tinh chứng tỏ rằng việc các hành tinh không bị chậm lại chỉ có thể hiểu được nếu ête không tác dụng bất kỳ lực nào lên chúng. Nếu không, tất cả các hành tinh đều phải chuyển động chậm lại và rơi theo đường xoắn ốc vào Mặt trời từ lâu lắm rồi.

Phát hiện của Augustin Fresnel về hiện tượng ánh sáng bị phân cực và là sóng ngang (các dao động của sóng ánh sáng vuông góc với phương lan truyền) - chứ không phải là sóng dọc, như sóng âm (các dao động của các sóng âm theo phương lan truyền) - lại hạn chế hơn nữa bản chất huyền bí của ête: nó phải rắn, như Thomas Young đã ghi nhận. Thật vậy, như chúng ta đã thấy, nếu các sóng ngang có thể lan truyền trên bề mặt của một chất lỏng giống sóng biển, thì chúng lại không thể đi qua một chất lỏng. Để làm được điều này, môi trường lan truyền phải có một độ cứng nhất định. Nhưng bằng cách nào mà Trái đất lại có thể chuyển động trong một môi trường cứng mà không bị chậm lại và rơi vào Mặt trời? Bằng cách nào mà ête lại có thể cùng lúc vừa là một chất rắn đàn hồi lại vừa là một chất lỏng tinh tế được? Hay có thể đơn giản là nó không tồn tại?

Đó là các đám mây đen báo hiệu một cơn bão tố sắp nổi lên quét sạch ête... Trong khi chờ đợi, vấn đề này vẫn là một trong những mối quan tâm chính của các nhà vật lý vào cuối thế kỷ XIX. Nhà vật lý người Đức, Heinrich Hertz trong một hội nghị khoa học năm 1889 đã tóm tắt tình hình như thế này: “Vấn đề lớn của tự nhiên liên quan đến các tính chất của ête choán đầy không gian: cấu trúc của nó như thế nào, nó đứng yên hay chuyển động, nó trải rộng hữu hạn hay vô hạn? Chúng ta ngày càng nghĩ rằng đó là vấn đề quan trọng nhất, và rằng việc giải quyết vấn đề này sẽ cho chúng ta biết không chỉ bản chất của cái mà chúng ta gọi là “không trọng lượng”, mà còn cả bản chất của chính vật chất và các tính chất cơ bản của nó - tức trọng lượng và quán tính của nó {...} Đó chính là các vấn đề tối hậu của các khoa học vật lý, mà các đỉnh cao nhất của nó còn đang phủ đầy tuyết”.

Sự cáo chung của ête

Cách tốt nhất để nắm bắt các tính chất của ête khó lường này chỉ có thể là quan sát nó một cách trực tiếp. Năm 1887, nhà vật lý người Mỹ, Albert Michelson (1852-1931) và đồng nghiệp của ông là Edward Morley (1838-1923) đã thực hiện một thí nghiệm tài tình để kiểm tra sự tồn tại của ête (H. 29 a và b). Cũng giống tất cả các thí nghiệm lớn, ý tưởng xuất phát rất đơn giản.

Để hiểu thí nghiệm này, ta hãy cùng Eddy đến bờ biển. Eddy lội xuống nước và bơi theo hướng vuông góc với bờ biển, đến một con sóng đang tiến vào bờ. Eddy thấy con sóng tiến lại gần mình với vận tốc bằng tổng vận tốc của sóng và vận tốc bơi của mình. Eddy quyết định thay đổi hướng, không bơi về phía con sóng nữa mà bơi song song với bờ biển. Anh thấy con sóng tiến đến mình chậm hơn, bởi vì vận tốc tiến gần lại của con sóng chỉ còn là vận tốc của chính con sóng ấy.

Tương tự, ánh sáng là một sóng lan truyền với vận tốc 300.000km/s trong ête choán đầy vũ trụ, kể cả Hệ Mặt trời của chúng ta. Nếu Trái đất chuyển động trong ête theo phương của một sóng ánh sáng, thì vận tốc của ánh sáng phải lớn hơn 300.000km/s, bằng với vận tốc của ánh sáng cộng thêm vận tốc của Trái đất. Ngược lại, nếu hành tinh của chúng ta chuyển động theo phương vuông góc với phương truyền của ánh sáng, thì người ta phải đo được một vận tốc bằng 300.000km/s, tức là vận tốc của chính ánh sáng. Hành tinh của chúng ta thực hiện chuyến chu du của nó quanh Mặt trời với vận tốc 30km/s, tức là bằng một phần mười nghìn vận tốc ánh sáng. Như vậy, nếu ête tồn tại thực sự, thì Michelson và Morley phải đo được một chênh lệch vận tốc là 30km/s giữa một chùm sáng lan truyền cùng phương với chuyển động của Trái đất và một chùm sáng khác truyền theo phương vuông góc.

Để đo những biến thiên nhỏ của vận tốc như thế, Michelson và Morley đã chế tạo một dụng cụ gọi là “giao thoa kế”, dựa trên nguyên lý giao thoa của Thomas Young. Trong giao thao kế này, một chùm sáng có một tần số (hay một bước sóng) duy nhất bị chia thành hai chùm. Hai chùm này đi theo hai con đường khác nhau nhưng có cùng chiều dài, một theo phương chuyển động của Trái đất, một theo phương vuông góc, rồi sau đó lại kết hợp với nhau. Đúng ở thời điểm chúng tách khỏi nhau, các đỉnh và hõm của hai chùm sáng trùng khít vào nhau (người ta nói là chúng cùng pha), nhưng cái cách mà chúng kết hợp lại với nhau phụ thuộc vào vận tốc của chúng ở thời điểm kết hợp. Nếu hai chùm sáng vẫn giữ cùng vận tốc, thì các đỉnh và các hõm của chúng khi đó cũng vẫn cùng pha và, khi kết hợp lại với nhau, chúng sẽ giao thoa tăng cường nhau: kết quả là thu được một chùm sáng hơn. Ngược lại, nếu các chùm có các vận tốc khác nhau do hành trình của một chùm theo phương chuyển động của Trái đất và chùm kia theo phương vuông góc, thì chúng sẽ lệch pha nhau. Trong một tình huống như thế, các đỉnh của chùm đầu tiên có thể đến đồng thời ở cùng vị trí như các hõm của chùm thứ hai: khi đó chúng sẽ giao thoa triệt tiêu nhau, tức là khi này thêm ánh sáng vào ánh sáng, như chúng ta đã thấy, lại tạo ra bóng tối (H. 29c).

Với giao thoa kế của mình, Michelson và Morley về nguyên tắc có thể đo được các chênh lệch vận tốc cỡ 1,5km/s, tức một phần hai mươi vận tốc của Trái đất qua chất ête giả thuyết. Nếu có “gió ête”, dù là nhỏ bé nhất, do chuyển động của Trái đất gây ra, thì hai nhà vật lý hẳn đã phát hiện ra chúng một cách dễ dàng. Michelson và Morley so sánh vận tốc của ánh sáng đo theo phương chuyển động của Trái đất quanh Mặt trời với vận tốc đo theo phương vuông góc. Hoàn toàn thất vọng và hết sức kinh ngạc, vì họ tin rằng ête tồn tại, nhưng họ lại không thấy một chút chênh lệch vận tốc nào giữa hai phương. Tuyệt vọng, họ lặp lại các phép đo theo tất cả các hướng khác khả dĩ của chuyển động của Trái đất quanh Mặt trời. Nhưng vận tốc của ánh sáng không thay đổi dù nó lan truyền theo phương nào.

Hình 29. Thí nghiệm của Michelson và Morley. Hai nhà vật lý ngưòi Mỹ (a và b) chứng minh bằng giao thoa kế rằng vận tốc của ánh sáng luôn luôn không thay đổi, bất chấp chuyển động của người quan sát. Hình (c) cho thấy nguyên lý hoạt động của giao thoa kế của Michelson và Morley: một chùm sáng tới SO chiếu đến một gương bán mạ G, song song với phương chuyển động của Trái đất. Gương G cho một phần chùm sáng tới đi qua, phần này phản xạ trên gương E, sau đó phản xạ trên gương G rồi tới máy dò F (ở dưới). Phần còn lại của chùm sáng tới phản xạ trên gương G nên bị lệch theo hướng vuông góc với phương chuyển động của Trái đất. Phần này bị phản xạ trên gương E', rồi truyền qua gương G đến F, rồi giao thoa với phần kia của chùm sáng. Nếu có một chênh lệch về vận tốc của ánh sáng theo các phương song song và vuông góc với chuyển động của Trái đất, thì các vân giao thoa của hai chùm sáng sẽ biến thiên theo chuyển động của Trái đất trong chuyến chu du hằng năm của nó quanh Mặt trời. Vậy mà hoàn toàn không phải thế. Các vân giao thoa vẫn y nguyên một cách ương bướng: điều này có nghĩa là vận tốc của ánh sáng không thay đổi, độc lập với chuyển động của người quan sát. 29 a © AKG-Images. 29 b © Cosmos.

Cần phải thừa nhận rằng vận tốc của ánh sáng không thay đổi có nghĩa là Trái đất không chuyển động trong ête. Ête chỉ tồn tại trong trí tưởng tượng của con người. Nó nằm trong nghĩa địa của những khái niệm chết, cũng giống như các tinh cầu và các con kỳ lân. Đương nhiên là đã có những cố gắng vô vọng để cứu vớt khái niệm ête. Một số người thậm chí còn khẳng định rằng Trái đất không chuyển động đối với ête, chính hành tinh của chúng ta đã kéo ête đi theo. Nhưng đó là một giả thiết phi lý, vì tại sao ête, vốn được giả định là choán đầy vũ trụ, lại đi theo chuyển động của Trái đất, một hạt cát vô nghĩa mất hút trong mênh mông vũ trụ?

Sự việc dừng lại ở đó, cho tới khi một nhân viên quèn làm việc tại Văn phòng cấp bằng sáng chế phát minh của thành phố Berne, Thụy Sĩ, tên là Albert Einstein (1879-1955) (H. 30), đã bước ra từ vô danh để phù phép cho vật lý hiện đại, để xua tan những đám mây đen che khuất chân trời và tống khứ ête ra khỏi quang cảnh trí tuệ của con người.

Chạy với vận tốc ánh sáng

Tìm câu trả lời cho các vấn đề khó thường phụ thuộc vào cách đặt các vấn đề ấy. Einstein đã phát triển đến cực điểm nghệ thuật đặt vấn đề một cách rõ ràng và đơn giản. Để làm điều này, ông không thực hiện các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm, mà tiến hành trong đầu cái mà ông gọi là “thí nghiệm tưởng tượng”.

Một câu hỏi làm ông day dứt suốt thời niên thiếu: đó là nếu một người có thể chạy nhanh như ánh sáng, thì một sóng ánh sáng có thể trình hiện trước mắt anh ta như thế nào? Bởi vì người này và ánh sáng băng qua ête giả thuyết chính xác có cùng vận tốc, khoảng cách giữa người này và ánh sáng phải luôn như nhau, cũng giống như khoảng cách giữa hai ôtô trên đường luôn không đổi nếu cả hai chiếc xe chạy cùng một vận tốc. Nói cách khác, ánh sáng phải đứng yên so với người chạy này. Người đó có thể chìa tay ra và vốc ánh sáng giống như hái một quả táo. Nhưng ở đây có một điều không ổn. Các phương trình Maxwell nói rằng ánh sáng luôn luôn chuyển động, rằng nó phải lan truyền với vận tốc 300.000km/s; đứng yên và tĩnh là điều không thể đối với ánh sáng. Không một ai có thể giữ được trong tay mình một vốc ánh sáng. Vậy thì làm thế nào để giải quyết nghịch lý này?

Hình 30. Tháng 6 năm 1902, nhờ sự giúp đỡ của bố của một người bạn tên là Marcel Grossman, chàng trai trẻ người Đức, Albert Einstein được nhận vào làm “chuyên viên kỹ thuật thực tập bậc ba” của Văn phòng cấp bằng sáng chế phát minh liên bang đặt tại Berne. Nhiệm vụ của Einstein là xem xét các đơn xin cấp bằng sáng chế bẫy chuột, máy chẻ rau cơ học, lò nướng bánh mì, những máy móc dùng động cơ vĩnh vửu và các máy móc khác thường khác. Văn phòng sở hữu trí tuệ này là một dạng “tu viện thế tục” mang đến cho nhà vật lý trẻ một sự an toàn tương đối về tài chính và yên ổn về tinh thần để lao vào các nghiên cứu vật lý. Chính tại Berne, Einstein đã phát triển lý thuyết photon, thuyết tương đối hẹp và lý thuyết về chuyển động Brown. Về sau, ông đã mô tả thời kỳ này như là một thời kỳ sáng tạo thành công và viên mãn: “Việc soạn các văn bằng sáng chế là một diễm phúc, một trò giải trí bổ ích với một người như tôi”. Einstein làm việc tại Văn phòng sở hữu trí tuệ này trong vòng bảy năm. Được nâng lên chuyên viên kỹ thuật bậc hai tháng tư năm 1906, ông xin thôi việc vào tháng bảy năm 1909. © AKG-Images.

Einstein đã trả lời được câu hỏi này hơn một thập kỷ sau, vào tháng 6 năm 1905, ở tuổi hai mươi sáu, trong một bài báo nổi tiếng có nhan đề Về điện động học của các thể chuyển động. Bài báo đánh dấu sự ra đời của thuyết tương đối hẹp. Nó sẽ làm thay đổi vĩnh viễn các quan niệm của chúng ta về thời gian và không gian, vật chất và năng lượng, đồng thời rung chuông báo sự cáo chung của ête.

Einstein có lẽ đã biết đến kết quả thí nghiệm của Michelson và Morley và các nhà khoa học khác, những người do không phát hiện ra sự biến thiên vận tốc nào của ánh sáng dù đo nó theo hướng nào so với chuyển động của Trái đất, đã buộc phải xem xét lại chính sự tồn tại của ête. Thay vì đưa ra các giải thích cầu kỳ phức tạp, như cho rằng ête chuyển động cùng với Trái đất, Einstein, được dẫn dắt bởi một trực giác phi thường về sự vận hành của tự nhiên, đã chọn con đường đơn giản: sở dĩ các thí nghiệm này không phát hiện được sự tồn tại của ête, chỉ đơn giản là vì ête hoàn toàn không tồn tại! Vả lại, các phương trình Maxwell mô tả sự lan truyền của các sóng ánh sáng không hề đòi hỏi sự hiện diện của môi trường lan truyền nào. Theo Einstein, kết luận đó là tất yếu: cả thí nghiệm lẫn lý thuyết đều nói với chúng ta rằng các sóng ánh sáng, trái với các sóng khác, không cần phải có một môi trường đỡ nó. Ánh sáng hoàn toàn có thể lan truyền trong không gian trống rỗng. Ête chỉ là một sáng tạo của đầu óc con người.

Một năm kỳ diệu

Năm 1905 là một năm kỳ diệu đối với vật lý, cũng giống như năm 1666 khi chàng trai trẻ Newton, để thoát khỏi dịch hạch đang hoành hành, đã trở về nhà mẹ ở quê và phát hiện ra định luật vạn vật hấp dẫn, sáng tạo ra phép tính vi tích phân và có những phát hiện quan trọng về bản chất của ánh sáng. Làm việc hoàn toàn tách biệt với thế giới hàn lâm, bằng thiên tài của mình, Einstein đã làm thay đổi diện mạo của vũ trụ bằng bốn bài báo quan trọng đăng từ tháng ba đến tháng sáu trong tạp chí khoa học của Đức Annalen der Physik, những bài báo mà chỉ cần một thôi cũng đủ đã để đưa ông vào lâu đài vật lý và lên tột đỉnh vinh quang.

Bài báo thứ nhất đề cập đến thuyết tương đối hẹp. Bài báo thứ hai liên quan đến chuyển động zíc zắc không đều và hỗn độn của các hạt phấn hoa nhỏ xíu lơ lửng trong nước, mà người ta gọi là “chuyển động Brown”, theo tên của nhà thực vật học người Scotland, Robert Brown (1773-1858), người đã phát hiện ra chuyển động này. Trong bài báo này, Einstein đã xác lập một cách dứt khoát tính hiện thực của các nguyên tử bằng cách tính toán kích thước của chúng và chứng minh rằng các va chạm của chúng đã gây ra chuyển động Brown như thế nào.

Bài báo thứ ba, mà ông tự đánh giá là “thiên cảm” trong một bức thư gửi bạn, đề cập đến “hiệu ứng quang điện”: ánh sáng cực tím bứt các electron ra khỏi bề mặt của một miếng kim loại như thế nào. Einstein gợi ý rằng các thí nghiệm này chỉ có thể hiểu được nếu ánh sáng có một bản chất hạt (dưới dạng các hạt mà ngày nay ta gọi là “photon”), chứ không phải là sóng. Chúng ta sẽ trở lại vấn đề này sau. Chính bài báo về ánh sáng này đã mang lại cho Einstein giải Nobel Vật lý năm 1921, chứ không phải bài báo về thuyết tương đối hẹp như người ta vẫn nhầm tưởng.22

Trong bài báo thứ tư, Einstein thống nhất năng lượng và vật chất. Ông chứng tỏ rằng hai khái niệm này chỉ là hai mặt khác nhau của cùng một và chỉ một thực tại. Chúng được liên hệ với nhau bằng công thức có lẽ là nổi tiếng nhất của lịch sử vật lý: năng lượng của một vật bằng khối lượng nhân với bình phương vận tốc ánh sáng (E = mc2). Chính công thức này cho phép không những khám phá được bí mật năng lượng của các sao, mà còn chế tạo ra bom nguyên tử tàn phá hai thành phố Nhật Bản Hiroshima và Nagasaki.

Thời gian và không gian cặp đôi và trở nên co giãn

Sau khi ête bị loại bỏ, một câu hỏi khác lại xuất hiện. Vận tốc của một vật chuyển động được đo đối với một điểm mốc cố định, với một cái gì đó đứng yên. Nếu đã tống cổ ête vào trong quên lãng, thì cái gì sẽ đóng vai trò vật mốc này? Các phương trình Maxwell nói với chúng ta rằng vận tốc lan truyền của ánh sáng là 300.000km/s. Nhưng 300.000km/s là so với cái gì? Một lần nữa Einstein, được dẫn dắt bởi niềm tin siêu hình rằng các định luật của tự nhiên phải đơn giản, đã trả lời rằng nếu lý thuyết của Maxwell không đòi hỏi điểm mốc cố định, thì đó là bởi vì không có một điểm mốc duy nhất. Vận tốc của ánh sáng phải luôn cố định, bằng 300.000km/s, bất kể ta đo nó đối với vật mốc nào. Dù bạn có rượt đuổi ánh sáng, chạy ra xa nó hay là bạn đứng yên, thì ánh sáng vẫn luôn chuyển động, nó không bao giờ đứng yên cả.

Điều này đặt lương tri của chúng ta trước thử thách khắc nghiệt và làm đảo lộn hoàn toàn các khái niệm thông thường về thời gian và không gian. Thật vậy, theo Einstein, không phải là thời gian và không gian, mà chính vận tốc của ánh sáng mới là phổ quát. Nhưng ánh sáng chỉ có thể bất biến, độc lập với chuyển động của người quan sát, nếu như khoảng cách và khoảng thời gian được đo bởi những người quan sát chuyển động khác nhau phải mất đi sự cứng nhắc và trở nên mềm dẻo và co giãn. Vì, xét cho cùng, vận tốc là gì? Vận tốc bằng không gian (quãng đường) chia cho thời gian (thời gian của hành trình). Chặng hạn, thành phố Tours nằm cách Paris 225 km về phía Tây Nam. Nếu bạn phải mất hai giờ ôtô để đi từ Paris đến đó thì vận tốc trung bình của bạn là 225/2, nghĩa là 112,5km/h. Theo Newton và những người kế tục ông, thì không gian và thời gian được coi là tuyệt đối “không phải quy chiếu tới cái gì ở bên ngoài”. Trong thế giới Newton, thời gian và không gian là phổ quát, là như nhau đối với tất cả mọi người, bất kể họ chuyển động và vị trí của họ như thế nào chăng nữa. Einstein đã vứt bỏ tính chất tuyệt đối của thời gian và không gian.

Các lữ khách trong không gian

Trong vũ trụ của Einstein, mỗi một người trong số chúng ta có một đồng hồ riêng và một thước đo khoảng cách riêng. Mỗi một đồng hồ, mỗi một thước đo đều chính xác như đồng hồ và thước đo của người khác, nhưng chúng không còn đo được cùng các khoảng thời gian và khoảng cách khi chúng ta chuyển động. Cần phải hiểu rằng “chuyển động” ở đây không chỉ được sử dụng trong cách hiểu thông thường. Khi chúng ta nói chuyển động của một vật hay một người, chúng ta thường nghĩ ngay đến một dịch chuyển trong không gian. Nhưng, với thuyết tương đối hẹp, Einstein nhắc chúng ta vào năm 1905 rằng tất cả chúng ta đều là những lữ khách cả trong thời gian. Thật vậy, thời gian trôi là điều không thể tránh khỏi đối với tất cả chúng ta và với tất cả những gì xung quanh chúng ta. Mỗi giây trôi qua là chúng ta xa thêm một chút chiếc nôi chào đời và tất yếu xích gần hơn tới nghĩa địa. Ngay cả khi đứng yên, chúng ta vẫn chuyển động trong thời gian. Newton cho rằng chuyển động trong thời gian là hoàn toàn tách biệt với chuyển động trong không gian, rằng thời gian và không gian là các chủ thể riêng biệt, tách rời, trên sân khấu vũ trụ. Còn Einstein nói với chúng ta rằng quan niệm này là sai lầm và rằng, trái lại, thời gian và không gian tạo thành một cặp thống nhất, không thể tách rời, rằng mọi chuyển động phải được mô tả trong một vũ trụ bốn chiều ở đó chiều thời gian thêm vào ba chiều của không gian. Và ông chứng tỏ được rằng vận tốc tổng hợp của chuyển động không gian và chuyển động thời gian của mọi đối tượng vật chất đúng bằng vận tốc ánh sáng. Hay, chính xác hơn, tổng của bình phương vận tốc không gian và thời gian bằng bình phương vận tốc của ánh sáng.

Thoạt nhìn kết luận này có vẻ kỳ lạ. Chúng ta đã quen nghĩ rằng mọi vật chuyển động với vận tốc thấp hơn vận tốc ánh sáng, chứ không phải bằng vận tốc ánh sáng. Quan điểm này là chính xác nếu đó là vận tốc thuần túy không gian. Nhưng, bởi vì ngoài ánh sáng mọi đối tượng vật chất còn chuyển động qua thời gian, và do đó có một vận tốc thời gian không âm, nên vận tốc không gian của nó phải nhỏ hơn vận tốc ánh sáng vốn là tổng của vận tốc không gian và thời gian. Điều này cũng hàm ý rằng chuyển động không gian càng nhanh thì chuyển động thời gian càng chậm, bởi vì tổng bình phương của chúng là không đổi. Nói cách khác, bạn đi càng nhanh trong không gian thì thời gian của bạn trôi càng chậm lại và trở nên bất động hoàn toàn khi đạt đến vận tốc của ánh sáng. Như vậy, chỉ ánh sáng mới không có chuyển động thời gian; đối với ánh sáng, thời gian là không trôi. Chỉ riêng ánh sáng là tìm thấy bí mật của suối nước cải lão hoàn đồng; chỉ ánh sáng mới có thể chuyển động vượt không gian với vận tốc 300.000km/s.

Người ta có thể nói rằng thời gian không còn tồn tại đối với ánh sáng. Nếu chúng ta xét tình huống trên theo quan điểm của hạt ánh sáng, thì các kết luận rút ra cũng hết sức khác thường. Photon “nghĩ” rằng nó là bất động và khung cảnh trôi qua trước mắt nó với vận tốc ánh sáng. Nó thấy không gian co lại tới mức tất cả các khoảng phân cách giữa các vật bị rút xuống bằng không. Đối với photon, khái niệm khoảng cách không còn tồn tại nữa. Nó tiếp xúc đồng thời với toàn bộ vũ trụ. Nó đồng thời hiện diện ở khắp nơi trong không gian. Theo quan điểm của photon, thời gian không tồn tại, vì không cần một khắc nào để ánh sáng vượt qua 384.000 km ngăn cách hành tinh của chúng ta với Mặt trăng, 2,3 triệu năm ánh sáng giữa Trái đất và thiên hà Andromède hay 14 tỉ năm ánh sáng giữa Trái đất và các vùng xa xôi của vũ trụ quan sát được.

Để hiểu mối liên hệ mật thiết giữa thời gian và không gian, hãy nhìn chiếc xe của bạn đỗ cạnh vỉa hè. Nó bất động: không có bất kỳ chuyển động nào trong không gian; chuyển động của nó chỉ diễn ra trong thời gian. Nhưng, ngay khi bạn khởi động xe và cho xe chạy với một vận tốc nào đó, thì chuyển động trong không gian của nó tăng lên. Sự tăng tốc chuyển động trong không gian này được bù lại bằng sự giảm tốc chuyển động trong thời gian. Chuyển động trong không gian được thực hiện làm ảnh hưởng đến chuyển động trong thời gian. Một sự giảm tốc chuyển động trong thời gian đồng nghĩa với một thời gian trôi chậm hơn. Nói cách khác, ngay khi xe chuyển động, thì thời gian của người lái xe chậm lại so với thời gian của một ai đó đứng yên.

Nguồn nước cải lão hoàn đồng cho phép du hành trong tương lai

Bằng cách đưa vào chuyển động trong thời gian, thuyết tương đối hẹp không chỉ mang lại cho chúng ta một cái nhìn vô cùng phong phú và trung thực về hiện thực, mà còn cung cấp cho chúng ta một nguồn nước cải lão hoàn đồng cho phép chúng ta đi vào tương lai. Để đánh giá được sự việc này, chúng ta hãy nhập hội với anh em sinh đôi Jules và Jim.

Jules có máu phiêu lưu và thực hiện một chuyến du hành không gian trên một tên lửa bay với vận tốc bằng 87% vận tốc ánh sáng. Còn Jim, một người không thích xê dịch, nên ở lại Trái đất. Trong chuyến chu du của Jules, hai anh em vẫn giữ liên lạc với nhau và gửi cho nhau các sóng vô tuyến. Jim nhận thấy rằng với các dụng cụ đo thời gian và khoảng cách mà anh có trên Trái đất, thì Jules bay trong không gian sẽ già chậm hơn mình hai lần, và phi thuyền của Jules cũng ngắn lại hai lần so với chiều dài của nó trên Trái đất. Nói cách khác, Jim nhận thấy rằng khi thời gian dãn ra, tức là nó trôi chậm hơn, thì không gian lại co lại đúng chừng ấy. Ngược, lại, khi thời gian co lại, thì không gian sẽ lại dãn ra. Do vậy những biến dạng liên quan đến thời và không gian có thể được coi như sự chuyển hóa giữa không gian và thời gian và ngược lại. Thời gian dài ra được biến hóa thành không gian bị rút ngắn lại, và thời gian co lại (tức là trôi nhanh hơn) được biến hóa thành không gian rộng hơn. “Tỉ giá” của ngân hàng vũ trụ này là 300.000 kilômét không gian cho mỗi một giây thời gian.

Khi vận tốc càng cao thì các biến dạng của thời gian và không gian sẽ càng lớn. Chẳng hạn, nếu phi thuyền không gian của Jules bay với vận tốc bằng 50% vận tốc ánh sáng, thì một giây của Jules trở thành 1,15 giây của Jim, và một mét của Jules trở thành 87cm của Jim. Với vận tốc bằng 87% vận tốc của ánh sáng, một giây của Jules bằng hai giây của Jim, và một mét của Jules trở thành 50cm của Jim. Nếu vận tốc lên đến 99% vận tốc của ánh sáng thì một giây của Jules trở thành 7 giây của Jim, và một mét của Jules trở thành 14,1cm của Jim. Nếu vận tốc lên đến 99,9999999% vận tốc của ánh sáng thì một giây của Jules trở thành 6,2 giờ của Jim, và một mét của Jules ngắn lại chỉ còn 0,045 mm.

Như vậy, Einstein đã ban cho chúng ta một dạng nước cải lão hoàn đồng. Jules chỉ cần tăng tốc và đi ngày càng nhanh hơn để làm cho thời gian trôi chậm hơn. Đây cũng là một công thức để du hành trong thời gian: thật vậy, thời gian chậm lại của Jules cho phép anh ta du hành trong tương lai của Jim. Giả định rằng Jules bắt đầu chuyến đi của mình vào năm 2000 và chuyến đi kéo dài mười năm theo lịch trên phi thuyền. Nếu vận tốc của phi thuyền bằng 99% vận tốc của ánh sáng, thì Jules sẽ làm chậm lại tốc độ già đi của mình xuống 7 lần. Khi trở về, lịch trên Trái đất của Jim sẽ chỉ năm 2070 thay vì 2010 như lịch của Jules. Lúc đó sẽ có một sự khác biệt thực sự về sinh lý giữa hai anh em sinh đôi. Jules sẽ có ít tóc bạc và nếp nhăn hơn Jim. Tim của Jules đập ít hơn. Nếu Jules bốn mươi tuổi lúc khởi hành, thì lúc trở về anh ta mới chỉ 50 tuổi vẫn còn hoạt bát và nhanh nhẹn. Ngược lại, Jim ở lại trên Trái đất đã chết từ lâu rồi. Nếu còn sống thì Jim đã 110 tuổi. Jules sẽ thấy buồn vì không được gặp lại người anh mình nữa. Sẽ chỉ có con cháu của Jim còn trên Trái đất để đón chú mình. Như vậy trong một chừng mực nào đó Jules đã đến được tương lai của Jim.

Như vậy, công thức để đi vào tương lai là lên một phi thuyền không gian, đi rất nhanh, sau đó quay ngược lại và trở về Trái đất cũng thật nhanh. Nếu bạn muốn biết điều gì sẽ xảy ra trên Trái đất và loài người trong vòng một trăm năm, một nghìn năm, thậm chí một triệu năm, thì bạn chỉ cần đi với vận tốc bằng 99,9999999996% vận tốc của ánh sáng, và hoàn thành chuyến đi chỉ kéo dài lần lượt 2,4 giờ, một ngày và hơn 2,7 năm một chút.

Tuy nhiên một vấn đề khiến bạn phải đau đầu. Hoàn cảnh của Jules và của Jim phải là đối xứng. Nếu Jim ở lại Trái đất thấy Jules bay trong không gian với vận tốc 99% vận tốc ánh sáng và thời gian của Jules chậm hơn 7 lần so với thời gian của mình, thì Jules đang ở trên phi thuyền không gian cũng sẽ thấy Jim được Trái đất mang theo với vận tốc bằng 99% vận tốc của ánh sáng và nghĩ ngược lại rằng chính thời gian của Jim mới bị chậm lại 7 lần so với thời gian của mình. Làm sao thời gian của Jules lại có thể trôi vừa chậm hơn lại vừa nhanh hơn thời gian của Jim? Ở đây phải chăng có một nghịch lý? Thuyết tương đối hẹp phải chăng đã bộc lộ một điểm yếu?

Câu trả lời là không, vì hoàn cảnh của Jules và của Jim không hoàn toàn đối xứng. Để hoàn thành chuyến chu du khứ-hồi trong không gian, để đạt đến vận tốc ổn định của tên lửa, Jules đã phải chịu sự gia tốc kinh hoàng ép chặt anh vào lưng ghế. Sau đó anh ta lại phải giảm tốc khi quay đầu trở lại, rồi lại phải tăng tốc để đạt trở lại vận tốc cũ, rồi lại giảm tốc một lần nữa để đáp xuống Trái đất. Tất cả những lần tăng và giảm tốc này là có thực và ảnh hưởng mạnh mẽ đến cơ thể yếu ớt khốn khổ của Jules. Hoàn toàn không có gì chắc chắn rằng cơ thể con người có thể chịu được các cú tăng tốc như thế mà không bị vỡ vụn. Trong khi đó, trên Trái đất, Jim trải qua những ngày bình yên. Anh không hề cảm thấy các hiệu ứng kinh hoàng này. Đó chính là điều giải thích tại sao anh ta già đi theo nhịp của mình. Bởi lẽ, nếu Jules có được một dạng nước cải lão hoàn đồng cho phép anh ta ghé thăm tương lai, thì anh ta cũng sẽ rất mạo hiểm phải trả giá bằng sự nguyên vẹn cơ thể của mình!

Bức tường vận tốc ánh sáng

Như vậy, mọi đối tượng vật chất đều chuyển động trong không gian với vận tốc thấp hơn vận tốc ánh sáng. Thuyết tương đối đã cấm vượt qua “bức tường” vận tốc ánh sáng. Để thấy rõ điều này, ta hãy lấy lại thí nghiệm tưởng tượng của Einstein.

Hãy cưỡi lên một vật chuyển từ một vận tốc chậm hơn sang vận tốc nhanh hơn vận tốc ánh sáng. Như vậy chúng ta sẽ đuổi kịp một tia sáng đi trước chúng ta, và vượt qua nó. Chúng ta sẽ thấy vận tốc biểu kiến của ánh sáng so với chúng ta giảm xuống, bằng không, rồi tăng lên, điều này mâu thuẫn với quan sát của Michelson và Morley, theo đó một người quan sát luôn đo được cùng một vật tốc ánh sáng trong chân không (300.000km/s) bất chấp chuyển động của anh ta. Tính bất biến của vận tốc ánh sáng là cơ sở của thuyết tương đối hẹp. Tương tự, không có bất kỳ một đối tượng vật chất nào có thể vượt qua “bức tường” theo chiều ngược lại, tức là chuyển từ một vận tốc cao hơn sang một vận tốc nhỏ hơn vận tốc ánh sáng.

Còn một lý do khác, lý do thực tiễn, không cho phép một vật tăng tốc lên tới vận tốc ánh sáng. Thuyết tương đối nói với chúng ta rằng vận tốc của một vật càng tăng, thì khối lượng của nó cũng tăng theo cùng một tỉ lệ như sự kéo giãn thời gian và thu hẹp không gian. Giờ chúng ta lại đến thăm anh bạn Jules của chúng ta đang lao trong không gian trên phi thuyền không gian với vận tốc bằng 99% vận tốc ánh sáng. Không chỉ thời gian của Jules chậm lại bảy lần so với thời gian của anh trai Jim trên Trái đất và phi thuyền nhỏ lại 7 lần, mà khối lượng của phi thuyền cũng tăng lên 7 lần. Điều này đòi hỏi phải có nhiều nhiên liệu hơn để đẩy nó đi, bản thân trọng lượng của nhiên liệu này cũng làm tăng lên khối lượng của phi thuyền, và như vậy lại phải mất nhiều nhiên liệu hơn nữa để làm nó cất cánh và phóng đi. Ở đây có một cái vòng luẩn quẩn: với vận tốc ánh sáng, khối lượng của tên lửa là vô cùng lớn và đòi hỏi một lượng nhiên liệu vô cùng nhiều. Đó là một điều kiện không thể vượt qua, và điều này giải thích tại sao chúng ta sẽ không bao giờ có thể tăng tốc một vật có khối lượng đạt đến vận tốc ánh sáng. Vận tốc của nó có thể ngày càng xích gần 99,99%, 99,999%, 99,9999%... vận tốc ánh sáng, nhưng không bao giờ bằng, càng không bao giờ vượt được vận tốc ánh sáng.

Các hạt chuyển động nhanh hơn ánh sáng?

Nhưng nếu thuyết tương đối loại trừ khả năng vượt qua “bức tường” ánh sáng, thì ngược lại với những gì người ta vẫn tin, nó không cấm sự tồn tại của các hạt hay các hiện tượng chuyển động nhanh hơn ánh sáng với điều kiện chúng không bao giờ giảm tốc để chuyển động chậm hơn ánh sáng. Các hạt giả thuyết chuyển động nhanh hơn ánh sáng được đặt tên là “tachyon” (từ tiếng Hy Lạp tachus nghĩa là “nhanh”). Đó là các thực thể lý thuyết sinh ra từ trí tưởng tượng phong phú của các nhà vật lý và không bị thuyết tương đối cấm. Chưa bao giờ người ta phát hiện được trong vũ trụ của chúng ta các tachyon này. Rất may đối với sức khỏe tinh thần của chúng ta, vì nếu chúng tồn tại trên thế giới này thì sẽ có rất nhiều nghịch lý trong vật lý. Logic như chúng ta đang biết sẽ hoàn toàn không còn ý nghĩa gì nữa.

Sự hiện diện của các tachyon trong vũ trụ chúng ta sẽ cho phép, trong một số hoàn cảnh, kết quả lại xảy ra trước nguyên nhân: món trứng rán tồn tại trước khi quả trứng bị đập vỡ, đinh được đóng trước khi búa nện xuống, và viên đạn đến đích trước khi người ta bóp cò. Nhờ các tachyon, tôi có thể gửi các tín hiệu về quá khứ, thay đổi các sự kiện đã diễn ra trước khi tôi sinh ra, như ngăn cha mẹ tôi gặp nhau và hủy bỏ chính sự ra đời của tôi!23 Einstein đã ý thức rất rõ về những nghịch lý khó chịu nhạo báng logic này. Mặc dù thuyết tương đối hẹp của ông không cấm sự tồn tại của các tachyon, nhưng ông đã tuyên bố một cách dứt khoát trong bài báo viết năm 1905 của mình rằng các hạt không được phép chuyển động nhanh hơn ánh sáng.

Vũ trụ giãn nở và bức tường vận tốc ánh sáng

Năm 1929, nhà thiên văn học người Mỹ, Edwin Hubble (1889-1953) đã phát hiện ra rằng phần lớn các thiên hà đều chạy trốn ra xa Ngân hà của chúng ta cứ như thể nó bị dịch hạch! Chuyển động chạy ra xa này không phải là ngẫu nhiên, mà theo một quy luật nhất định. Vận tốc chạy ra xa của một thiên hà tỉ lệ với khoảng cách của nó: thiên hà càng xa Ngân hà thì tốc độ chạy trốn của nó càng cao. Chính định luật này là nguồn gốc của thuyết Vụ nổ lớn (Big Bang). Thật vậy, thời gian mà một thiên hà phải mất để đi từ điểm khởi thủy đến vị trí của nó hiện nay bằng tỉ số giữa khoảng cách và vận tốc của nó. Nhưng, bởi vì khoảng cách và vận tốc biến thiên tỉ lệ với nhau, nên thời gian này là chính xác như nhau đối với tất cả các thiên hà.

Chúng ta hãy cho quay ngược bộ phim các sự kiện: tất cả các thiên hà gặp nhau ở cùng một điểm và ở cùng một thời điểm. Từ đó nảy ra ý tưởng cho rằng vũ trụ là kết quả của một vụ bùng nổ khởi thủy khổng lồ từ một điểm vô cùng nhỏ, nóng và đặc - Big Bang.

Nhưng nếu vận tốc chạy trốn ngày càng lớn đối với các thiên hà ngày càng xa, thì liệu điều này có nghĩa là, khi đã vượt qua một khoảng cách nào đó, các thiên hà sẽ rời xa Ngân hà với vận tốc cao hơn vận tốc ánh sáng? Liệu điều này có trái ngược với thuyết tương đối hẹp cấm vượt qua “bức tường” vận tốc ánh sáng không?

Câu trả lời cho câu hỏi thứ nhất là một khẳng định dứt khoát; còn câu trả lời cho câu hỏi thứ hai là một phủ định cũng rất dứt khoát.

Để hiểu điều này, cần phải ghi nhớ trong đầu ý tưởng rằng, trong thuyết vụ nổ lớn, một vũ trụ giãn nở không có nghĩa là hàng tỉ thiên hà bị phóng hết tốc lực vào trong một không gian trống rỗng, tĩnh và bất biến, có thể đã tồn tại từ lâu, trước cả khi Vụ nổ lớn xảy ra. Như chúng ta đã thấy, Einstein đã phủ định quan niệm của Newton về một không gian tĩnh và bất động bị choán bởi một chất vô hình gọi là ête truyền lực hấp dẫn. Ông đã vứt bỏ quan điểm cho rằng không gian chỉ là một sân khấu thụ động nơi diễn ra tấn kịch vũ trụ vĩ đại. Nhờ có Einstein, không gian trở nên động, và ngoài ra còn là một diễn viên thực thụ trong vở kịch đó. Không gian và thời gian được sinh ra từ Big Bang. Vô cùng nhỏ khi được sinh ra, không gian mở rộng dần cùng với sự trôi của thời gian. Trong vũ trụ của Einstein, không phải các thiên hà chuyển động trong một không gian bất động, mà ngược lại, một không gian giãn nở liên tục được tạo ra và kéo theo nó các thiên hà đứng yên. Einstein nói với chúng ta rằng không gì có thể chuyển động trong không gian nhanh hơn ánh sáng, nhưng không có gì trong thuyết tương đối hẹp của ông ngăn hai điểm của chính không gian tách ra khỏi nhau với vận tốc lớn hơn vận tốc ánh sáng.

Chúng ta sống trong một thế giới Newton hơn là Einstein

Để đảm bảo cho vận tốc của ánh sáng là không đổi, bất chấp chuyển động của người quan sát, như đã được thể hiện trong các phương trình của Maxwell, mà thuyết tương đối hẹp đã ra đời. Einstein đã tiếp bước các nhà thống nhất vĩ đại của vật lý học. Sau Newton, người đã thống nhất đất và trời, sau Maxwell, người đã thống nhất điện, từ và quang học, Einstein đã thống nhất thời gian và không gian. Cần phải tập quen với ý nghĩ rằng các vật bao quanh chúng ta không chỉ chuyển động trong không gian, mà còn cả trong thời gian nữa. Cần phải có trong đầu ý nghĩ rằng các câu nói bột phát chưa được suy nghĩ kỹ của chúng ta, như “chiếc xe này dài 3 mét” hay “bây giờ là 12 giờ mười lăm phút”, chứa đựng nhiều mập mờ. Chúng chỉ có một ý nghĩa rõ ràng nếu chúng ta xác định rõ chuyển động của xe hay của đồng hồ đối với với người thực hiện các quan sát này. Một giây của tôi không giống một giây của bạn nếu tôi chuyển động đối với bạn.

Sự co giãn của thời gian và không gian chế nhạo lương tri của chúng ta. Nhưng quả thật lương tri là một người dẫn đường tồi khi ở vận tốc cao. Hiện tượng thời gian chậm lại ở vận tốc cao đã được quan sát rất nhiều lần, và luôn phù hợp với các tiên đoán của thuyết tương đối hẹp. Mà trong khoa học, nếu các tiên đoán của một lý thuyết được thực nghiệm kiểm chứng thì cần phải chấp nhận nó, dẫu nó có kỳ lạ đến đâu. Xin nêu một ví dụ, các nhà vật lý gia tốc các hạt cơ bản lên tới các vận tốc gần với vận tốc ánh sáng trong các máy gia tốc hạt nhân mạnh như máy gia tốc ở CERN (Trung tâm Nghiên cứu hạt nhân châu Âu), Geneve, Thụy Sĩ. Các hạt này có một thời gian sống rất ngắn, khoảng một micro giây, thậm chí còn ngắn hơn. Nhưng khi đạt đến vận tốc rất cao, người ta quan sát thấy rằng thời gian của chúng chậm lại và thời gian sống của chúng kéo dài tới một phần nghìn giây, một giây..., tùy theo vận tốc của chúng và theo các tỉ lệ luôn phù hợp với thuyết tương đối hẹp.

Điều đó nói lên rằng, trong cuộc sống hàng ngày, vận tốc của ôtô, tàu hỏa, tàu thủy hay máy bay là vô cùng nhỏ so với vận tốc của ánh sáng, nên sự chênh lệch về thời gian và khoảng cách của người quan sát này so với người quan sát khác là vô cùng nhỏ. Chẳng hạn, đồng hồ của một hành khách đi tàu tốc độ cao (TGV) chạy với vận tốc 300km/h sẽ chỉ chậm hơn so với đồng hồ của người đứng trên sân ga một phần mười ngàn tỉ giây. Một giây đối với một hành khách đi trên máy bay siêu âm ứng với 1,0000000000014 giây của người đứng yên trên mặt đất. Chỉ có các đồng hồ nguyên tử mới phát hiện được sự chênh lệch vô cùng nhỏ này. Thế giới vận tốc thấp của chúng ta giống với một thế giới Newton hơn là thế giới Einstein. Rất may cho sự bình yên của chúng ta, vì nếu không, sẽ có biết bao cuộc hẹn hò bị lỡ, các mảnh tách rời sẽ không bao giờ gắn lại với nhau nếu thời gian và các đại lượng thay đổi rõ rệt tùy theo sự chuyển động hàng ngày của mỗi người!

Không còn khái niệm “bây giờ” phổ quát nữa!

Trong số các đảo lộn về khái niệm do thuyết tương đối hẹp gây ra thì việc thời gian mất đi tính tuyệt đối và phổ quát chắc chắn là đảo lộn lớn nhất đối với lương tri của chúng ta. Theo Newton, thời gian được điều chỉnh bằng một đồng hồ vũ trụ đổ chuông chính xác từng giờ một như nhau ở khắp mọi nơi trên thế giới. Ông viết thế này trong cuốn Principia: “Thời gian tuyệt đối, xác thực và toán học, tự nó và bởi bản chất của nó, trôi một cách đồng nhất mà không cần sự quy chiếu nào tới một hệ bên ngoài”. Ngược lại, Einstein cho rằng khái niệm thời gian của chúng ta được hình thành từ các hiện tượng tạo nhịp điệu cho sự tồn tại của chúng ta. Chẳng hạn, chúng ta đo sự trôi qua của ngày và đêm bằng chuyển động của Trái đất quanh trục của nó, đo tháng bằng chuyển động của Mặt trăng quay quanh Trái đất, và đo năm bằng hành trình chu du của Trái đất quanh Mặt trời. Chúng ta đo thời gian trôi bằng chuyển động tuần hoàn của con lắc đồng hồ treo tường hoặc bằng những tiếng tíc tắc đều đặn của đồng hồ đeo tay của chúng ta. Các nhà vật lý làm điều đó bằng cách đếm các dao động đều đặn của nguyên tử cesi. Xét đến cùng thì sự đánh giá thời gian của chúng ta luôn gắn với tính đồng thời của hai sự kiện độc lập. Như Einstein đã viết trong bài báo tháng sáu năm 1905 của mình: “Khi tôi nói rằng tàu đến ga lúc 7 giờ thì thực ra là tôi muốn nói rằng việc kim đồng hồ của tôi chỉ bảy giờ và việc tàu đến ga là hai sự kiện đồng thời”. Ở đây, ánh sáng đóng vai trò căn bản, vì nếu các sự kiện vừa nhắc tới ở cách nhau một khoảng nào đó, thì những đánh giá về tính đồng thời chỉ có thể thực hiện được bằng sự truyền đi các tín hiệu ánh sáng từ vị trí này đến vị trí kia.

Dựa trên hai tiên đề cơ bản tạo nên nền tảng của thuyết tương đối hẹp -các định luật vật lý phải như nhau đối với mọi người quan sát, và vận tốc của ánh sáng phải như nhau bất chấp chuyển động của người quan sát -, Einstein đã chứng tỏ rằng khái niệm đồng thời, sự đánh giá theo đó hai sự kiện xảy ra tại “cùng một thời điểm”, là không như nhau đối với tất cả mọi người, mà phụ thuộc vào chuyển động của người quan sát. Để xem xét cặn kẽ hơn, chúng ta hãy đi lại con đường của Einstein và làm lại thí nghiệm tưởng tượng của ông: sét đánh vào đoàn tàu đang đi qua nhà ga với vận tốc cao.

Một cơn giông ập đến và sét đánh vào hai đầu của một toa tàu. Có ba người chứng kiến sự kiện trên: Jacques đứng trên sân ga, Jean ngồi trên tàu đang chạy, và Stéphanie ngồi ở tàu bên cạnh chạy theo chiều ngược lại. Cả ba nhân chứng của chúng ta thấy hậu quả của sự kiện trên không giống nhau. Jacques thấy sét đánh đồng thời ở trước và sau toa. Ngược lại, Jean, ngồi ở giữa toa tàu, thấy sét đánh đầu tiên ở đầu toa và ngay sau đó ở cuối toa. Lý do của sự khác nhau này rất đơn giản: vì tàu chuyển động nên ánh sáng của tia chớp đánh vào đầu toa để đến được với Jean chuyển động cùng với tàu, nó phải vượt qua một khoảng cách ngắn hơn so với ánh sáng đến từ đuôi tàu do phải đuổi theo Jean. Vận tốc của ánh sáng là không đổi, nên ánh sáng đến từ phía trước mất ít thời gian hơn ánh sáng đến từ phía sau. Và hậu quả của sự kiện diễn ra ngược lại đối với Stéphanie ngồi ở tàu chạy theo chiều ngược lại: cô thấy sét đánh vào phần sau trước rồi mới đến phần trước.

Ai có lý? Cả ba, Einstein trả lời, vì tất cả các quan điểm của họ đều đúng. Vận tốc của ánh sáng không đổi, nên trật tự xảy ra các sự kiện có thể bị thay đổi tùy theo chuyển động của người quan sát. Khái niệm “bây giờ” phổ quát không còn tồn tại nữa.

Một lần nữa, sự chênh lệch giữa các “bây giờ” của chúng ta là vô cùng nhỏ, vì vận tốc mà chúng ta đạt được trong cuộc sống hàng ngày là rất nhỏ so với vận tốc ánh sáng. Nhưng chúng sẽ trở nên càng rõ nét hơn nếu vận tốc tương đối càng cao. Chẳng hạn, các thiên hà xa xôi nhất, do sự giãn nở của vũ trụ, rời xa Ngân hà với vận tốc hơn 90% vận tốc của ánh sáng. Khi tôi chuyển động, cái “bây giờ” của các thiên hà xa xôi khác hàng nghìn năm so với cái “bây giờ” của chúng khi tôi ngồi im.

Như vậy hiện tại của tôi có thể là quá khứ của bạn, và là tương lai của một người thứ ba, nếu người thứ ba này và bạn chuyển động đối với tôi. Nhận định này có một hậu quả sâu sắc: nếu, đối với một ai đó khác, tương lai đã tồn tại và quá khứ vẫn còn đang hiện diện, thì tất cả các thời điểm đều có giá trị như nhau, khi đó là thời gian vật lý. Tuy nhiên, trong lòng mình, chúng ta cảm thấy “thời gian trôi”; chúng ta hình dung thời gian như nước của một dòng sông chảy, đưa những con sóng của quá khứ vĩnh viễn rời xa chúng ta và mang đến những con sóng của một tương lai đầy hứa hẹn. Như vậy, cảm giác về thời gian trôi của chúng ta, tức “thời gian sinh lý” của chúng ta, là rất khác với thời gian vật lý. Theo Einstein, thì thời gian không trôi: nó đơn giản ở đó, bất động, như một đường thẳng trải đến vô tận theo cả hai hướng. Einstein đã thể hiện quan niệm này trong một bức thư viết năm 1955 sau khi một người bạn thời thơ ấu của ông là Michele Besso qua đời (và chỉ vài tháng trước khi ông mất) như để tự làm vơi đi nỗi buồn của mình: “Đối với những nhà vật lý xác tín như chúng tôi, sự tách biệt giữa quá khứ, hiện tại và tương lai chỉ là một ảo ảnh, dẫu rằng nó rất dai dẳng”.

Liệu tôi có thể sinh ra trước mẹ tôi?

Như vậy, để tôn trọng nguyên tắc bất khả xâm phạm về tính không đổi của vận tốc ánh sáng bất chấp chuyển động của người quan sát, thuyết tương đối hẹp đã phải vứt bỏ hoàn toàn các khái niệm thời gian tuyệt đối và tính đồng thời phổ quát. Trong một số hoàn cảnh, nó thậm chí còn cho phép sắp xếp lại trật tự của các sự kiện theo chuyển động của người quan sát. Sự tái sắp xếp thời gian này đã làm nổi lên một vấn đề rất quan trọng: liệu nó có làm đảo lộn nguyên lý nhân quả hay không? Kết quả liệu có thể xảy ra trước nguyên nhân được không? Để hai sự kiện gắn với nhau bằng quan hệ nhân quả, thì thông tin phải được truyền từ nguyên nhân đến kết quả. Bởi vì không gì có thể đi nhanh hơn ánh sáng, nên ánh sáng là phương tiện truyền tin nhanh nhất và do đó là hiệu quả nhất trong vũ trụ. Như vậy, hai hiện tượng gắn với nhau bằng quan hệ nhân quả khi ánh sáng có thời gian lan truyền từ nguyên nhân đến kết quả trong khoảng thời gian ngăn cách chúng.

Liệu tôi có thể sinh ra trước mẹ tôi không? Liệu cái đinh có thể được đóng trước khi búa nện xuống nó? Quả bóng gôn có thể bắt đầu quỹ đạo bay của nó trước khi tôi vụt? Trả lời cho tất cả các câu hỏi này là một từ “không” dứt khoát. Thuyết tương đối không đặt lại vấn đề về nguyên lý nhân quả, vì trật tự của hai sự kiện chỉ có thể bị thay đổi nếu chúng ở đủ xa trong không gian hoặc đủ gần trong thời gian để ánh sáng không thể đi từ một sự kiện này sang một sự kiện khác trong khoảng thời gian ngăn cách chúng. Nói cách khác, quá khứ, hiện tại và tương lai của hai sự kiện này chỉ mất đi bản sắc của chúng nếu chúng không thể liên hệ với nhau một cách nhân quả bằng các thông tin được truyền bởi ánh sáng.

Trong ví dụ về sét đánh hai đầu toa tàu, ánh sáng không có thời gian để đi từ một chớp này đến chớp khác, bởi vì Jacques thấy sét đánh đồng thời cả hai đầu toa. Hai chớp như vậy không thể có quan hệ nhân quả với nhau. Trong trường hợp này, trật tự của các sự kiện có thể thay đổi do chuyển động, nên Jacques, Jean và Stéphanie là nhân chứng của các kết quả khác nhau trong thời gian. Ngược lại, ánh sáng có rất nhiều thời gian để đi từ búa tới đinh và từ gậy đến quả bóng golf, nên trật tự của các sự kiện này không thể được sắp xếp lại bởi chuyển động tương đối của những người quan sát khác nhau. Quan hệ nhân quả được bảo toàn: tôi không thể sinh ra trước mẹ tôi.

Các hiệu ứng của lực hấp dẫn và của gia tốc là như nhau

Thuyết tương đối hẹp chỉ giới hạn mô tả chuyển động của các vật theo đường thẳng với một vận tốc đều và không đổi. Nó không còn đứng vững khi mô tả các chuyển động có gia tốc, tức là khi một vật thay đổi vận tốc hoặc hướng chuyển động của nó. Nó không thể mô tả, chẳng hạn, chuyển động của xe ôtô khi ta nhấn ga hoặc rẽ.

Einstein đã nhận thấy rất rõ các hạn chế của thuyết tương đối hẹp. Sau bài báo năm 1905, nhà vật lý trẻ đã bắt đầu suy nghĩ đến cách ngoại suy thuyết tương đối của ông cho các chuyển động có gia tốc, và đặc biệt là gộp vào đó lực hấp dẫn của vạn vật rất thân thiết của Newton, vốn hoàn toàn vắng bóng một cách đáng thất vọng trong thuyết tương đối hẹp. Một ngày vào tháng 11 năm 1907, trong khi ông đang ngồi mơ màng trong phòng làm việc, thì trong đầu ông chợt lóe lên một ý tưởng - một ý tưởng mà sau này ông đánh giá là “hạnh phúc nhất cuộc đời tôi”. Ông mô tả nó như thế này: “Tôi đang ngồi trong Văn phòng sở hữu trí tuệ ở Berne thì bỗng một ý nghĩ chợt xuất hiện: nếu một ai đó rơi tự do, thì anh ta sẽ không cảm thấy trọng lượng của mình nữa. Tôi đã rất ngạc nhiên. Suy nghĩ rất đơn giản này đã có một tác động sâu sắc đối với tôi”. Thật vậy, khi bạn vấp phải một hòn đá trên đường, thì trong khoảng thời gian giữa thời điểm bạn bắt đầu ngã và thời điểm bạn cảm thấy đau khi cơ thể bạn đập xuống đất, bạn sẽ cảm thấy mất trọng lượng, giống như một nhà du hành vũ trụ trên phi thuyền không gian.

Một lần nữa “nhà ảo thuật” Einstein lại sử dụng tài tình các thí nghiệm tưởng tượng của ông. Thí nghiệm chạy nhanh như ánh sáng đã cho ra đời thuyết tương đối hẹp, góp phần vứt bỏ vĩnh viễn thời gian và không gian tuyệt đối cũng như chất ête. Còn thí nghiệm tưởng tượng về cảm giác thấy mất trọng lượng khi rơi tự do chính là nguồn gốc của thuyết tương đối rộng.

Chúng ta hãy lại gặp Jules trong phi thuyền. Xa mọi hành tinh và các ngôi sao, Jules không chịu bất cứ một lực hấp dẫn nào. Để tiết kiệm nhiên liệu, anh cho dừng tất cả các động cơ. Theo đà phi thuyền tiếp tục rẽ không gian theo đường thẳng và với vận tốc không đổi, nghĩa là không có gia tốc. Nhà du hành của chúng ta, bị gắn chặt với ghế bằng dây an toàn, bắt đầu thiu thiu ngủ. Cuốn sách anh đang đọc trước khi ngủ trôi nổi không trọng lượng ở bên cạnh. Nếu không có dây an toàn, chắc chắn Jules cũng sẽ trôi nổi trong khoang lái. Nhưng Jules chợt tỉnh dậy và quyết định đổi hướng bay. Anh cho chạy các động cơ. Phi thuyền tăng tốc. Sàn phi thuyền tới dính sát vào quyển sách đang trôi nổi. Tất cả hệt như có một trường hấp dẫn được sinh ra trong phi thuyền không gian, hút quyển sách xuống mặt sàn. Các hiệu ứng do gia tốc không đổi của phi thuyền gây ra và các hiệu ứng do một trường hấp dẫn gây ra là hoàn toàn đồng nhất với nhau. “Nguyên lý tương đương” này là cơ sở của thuyết tương đối rộng được công bố năm 1915, mười năm sau khi thuyết tương đối hẹp ra đời. Nguyên lý này nói rằng, khi bị giam trong một cabin kín, bạn sẽ không thể làm bất cứ một thí nghiệm nào khả dĩ chỉ cho bạn biết áp lực của chân bạn là do cabin của bạn đang tăng tốc đi lên (như trong thang máy đi lên hay trong một phi thuyền rời khỏi bệ phóng) hay là do lực hấp dẫn của Trái đất.

Ánh sáng đi theo các đường viền uốn lượn của cấu trúc không-thời gian

Nguyên lý tương đương này có những hậu quả thuộc loại kỳ lạ và bất ngờ nhất đối với hành trạng của ánh sáng. Hãy trở lại với Jules trong phi thuyền không gian đang tăng tốc xuyên không gian. Với khẩu súng bắn tia laser trong tay, nhà du hành của chúng ta đang chơi trò ngắm một bia cố định gắn vào vách của buồng lái. Tia laser (chuyển động với vận tốc ánh sáng) chỉ mất một phần rất rất nhỏ của giây để bay đến đích. Trong thời gian này, sàn của phi thuyền đang tăng tốc tiếp tục cao lên, khiến cho tia laser không chạm vào bia, mà một vị trí nằm hơi thấp hơn. Như thể là đường đi của ánh sáng hơi bị bẻ cong một chút. Nhưng, do các hiệu ứng của một chuyển động gia tốc đồng nhất với các hiệu ứng của một trường hấp dẫn, nên điều này muốn nói rằng đường đi của ánh sáng cũng bị lực hấp dẫn làm cho lệch hướng. Nhưng mọi khối lượng vật chất đều sinh ra một trường hấp dẫn. Do đó chúng ta đi đến một kết luận tất yếu và kỳ lạ là đường đi của ánh sáng bị vật chất bẻ cong.

Nhưng liệu có đúng là đường đi của ánh sáng bị bẻ cong trong một không gian phẳng, hay là ánh sáng chuyển động thẳng nhất trong một không gian cong? Einstein tuyên bố một cách dứt khoát: chính câu trả lời thứ hai mới là đúng. Pierre Fermat đã cho chúng ta thấy rằng ánh sáng tuân theo nguyên lý tiết kiệm. Nó đi từ điểm này sang điểm khác theo một con đường ngắn nhất có thể trong một thời gian ngắn cực tiểu. Trong một không gian phẳng, con đường này là đường thẳng. Nhưng trong một không gian cong, đó là một đường cong. Nói rằng ánh sáng bị bẻ cong bởi vật chất trên thực tế là tương đương với nói rằng vật chất làm uốn cong không gian. Thuyết tương đối rộng dạy chúng ta rằng vật chất quyết định hình học của không gian, và đến lượt mình, hình học này lại quyết định đường đi của ánh sáng. Ánh sáng không đi theo đường thẳng nữa, mà đi theo đường viền uốn cong của cấu trúc không-thời gian do vật chất nhào nặn nên. Như vậy, mọi thiên thể đều bẻ cong không gian quanh nó, và ánh sáng đi gần nó sẽ bị lệch hướng.

Hãy xem xét ví dụ về Mặt trăng. Mặt trăng hoàn thành chuyến chu du hàng tháng của nó quanh Trái đất theo một quỹ đạo elip với Trái đất nằm ở một trong các tiêu điểm của nó. Theo Newton, quỹ đạo elip bắt nguồn từ lực hấp dẫn mà Trái đất tác dụng lên Mặt trăng, và lực này được truyền đi bởi ête. Einstein đã loại bỏ hoàn toàn các khái niệm lực và ête này: sở dĩ Mặt trăng đi theo một quỹ đạo elip bởi vì đó là đường đi ngắn nhất (mà người ta gọi là “đường trắc địa”) trong không gian bị khối lượng của Trái đất uốn cong.

Chính sự không đổi của vận tốc ánh sáng là cơ sở của thuyết tương đối hẹp. Nó cũng đóng một vai trò không kém phần quan trọng trong thuyết tương đối rộng. Ánh sáng không chỉ chạy theo và phát lộ cho chúng ta thấy những đường viền uốn cong của cấu trúc vũ trụ, mà còn là phương tiện nhanh nhất đề truyền thông tin từ điểm này của continuum không-thời gian tới một điểm khác.

Các sóng hấp dẫn lan truyền với vận tốc ánh sáng

Ném một viên đá xuống ao, các sóng tròn sẽ lan tỏa trên mặt ao từ điểm viên đá rơi xuống mặt nước cho tới khi choán một phần lớn của mặt ao. Tương tự, chúng ta hãy đặt một vật có khối lượng lớn vào một vùng của continuum không-thời gian mà trước đó hình học của nó là phẳng, nghĩa là nó không bộc lộ một độ cong nào. Các biến dạng không gian do lực hấp dẫn của vật gây ra sẽ lan truyền với vận tốc nào? Cần phải mất bao nhiêu thời gian để ảnh hưởng hấp dẫn của vật mới cảm nhận được và không gian quanh nó mới trở nên cong? Nhờ thuyết tương đối rộng, Einstein đã tính được vận tốc lan truyền qua không gian của các biến dạng hình học mà lực hấp dẫn của vật gây ra. Người ta gọi các sóng biến dạng này là “sóng hấp dẫn”. Đáp số thật là đẹp: vận tốc này đúng bằng vận tốc ánh sáng. Nói cách khác, nếu có một bàn tay khổng lồ nhấc Mặt trăng đi chỗ khác, thì chúng ta sẽ thấy, do không còn chịu lực hấp dẫn của Mặt trăng nữa, thủy triều sẽ biến mất sau 1,3 giây, thời gian đủ để các biến dạng hình học của không gian vượt qua được khoảng cách 384.400km giữa Mặt trăng và Trái đất. Thời gian này cũng chính là thời gian ánh sáng phải mất để đi từ Mặt trăng đến Trái đất. Nói cách khác, thủy triều sẽ biến mất vào đúng thời điểm chúng ta nhận thấy rằng Mặt trăng không còn nằm trên bầu trời nữa, điều này là hoàn toàn logic và nhất quán.

Hiện trạng này thỏa mãn tinh thần của thuyết tương đối rộng của Einstein hơn là tinh thần của lý thuyết Newton. Theo Newton, sự truyền lực hấp dẫn của Trái đất đến Mặt trăng là tức thời, tức vận tốc là truyền của nó là vô hạn; trong ví dụ trên, thủy triều (phụ thuộc vào sự lan truyền của các biến dạng không gian) sẽ biến mất 1,3 giây trước khi Mặt trăng biến mất, bởi vì thông tin Mặt trăng đã biến mất chỉ lan truyền với vận tốc ánh sáng. Trong thuyết của Newton, kết quả lại biến mất trước nguyên nhân, điều này rõ ràng không gì kỳ lạ hơn!

Thiên tài được ngưỡng mộ và cô đơn

Nhưng làm thế nào kiểm tra được ánh sáng bị vật chất làm cho lệch hướng hay không? Einstein cho rằng bằng cách quan sát các ngôi sao mà vị trí của chúng được phóng chiếu trên bầu trời ở gần với trục thẳng nối Trái đất với Mặt trời. Để đến được chúng ta, ánh sáng của các ngôi sao này phải đi qua rất gần Mặt trời và như vậy sẽ bị trường hấp dẫn của nó làm cho lệch hướng. Sự lệch hướng này được thể hiện bằng một độ dịch chuyển góc nhỏ (cỡ 1,7 giây góc, tức cỡ góc trương của một đồng euro đặt ở khoảng cách ba kilômét). Nhưng, để có thể chụp ảnh các ngôi sao này, cần phải chờ cho ánh sáng chói lòa của Mặt trời bị “chắn”. Điều này xảy ra khi có nhật thực, tức khi đĩa Mặt trăng che khuất đĩa Mặt trời. Nhưng thuyết tương đối rộng ra đời trong khi thế giới phương Tây đang chìm đắm trong một trong những cuộc xung đột đẫm máu nhất trong lịch sử nhân loại, và đã phải chờ đến cuối đại chiến thế giới thứ nhất, năm 1919, nhà thiên văn học người Anh, Arthur Eddington (1882-1944) mới thực hiện được một cuộc thám hiểm để quan sát nhật thực trên hòn đảo nhỏ Principe của Bồ Đào Nha, ngoài khơi bờ tây của châu Phi. Bất chấp thời tiết xấu, Eddington đã chụp được một số ngôi sao qua các đám mây. Ánh sáng của các ngôi sao này đúng là bị lệch hướng, chính xác bằng góc mà Einstein tính toán. Vật chất đã uốn cong không gian, làm lệch hướng ánh sáng đúng như thuyết tương đối rộng đã tiên đoán.

Ngay ngày hôm sau, Einstein đã được đẩy lên đỉnh cao của vinh quang. Báo chí trên toàn thế giới rầm rộ thông báo sự lên ngôi của một “Newton mới”, tác giả của một cuộc “đại cách mạng khoa học”. Einstein đã được nồng nhiệt chào đón bởi một thế giới chết chóc, đẫm máu, vừa thoát ra khỏi một cuộc chiến kinh hoàng và đang mong mỏi phát hiện ra một khía cạnh cao quý hơn của loài người. Công chúng, vốn còn đang mệt mỏi vì chiến tranh, đã rất vui sướng khi có thể được giải thoát bằng cách theo đuổi các khái niệm bí ẩn về tính tương đối của thời gian và không gian. Các nhà lãnh đạo chính trị, trí thức, nghệ sĩ tranh nhau đứng về phía thiên tài mới hoặc tìm cách tiếp xúc với

ông: trong số họ có Rabindranath Tagore (H.31b), Sigmund Freud và Charlie Chaplin (H.31a). Trường phái tả khuynh đấu tranh cho hòa bình của Einstein đã mang lại cho ông rất nhiều cảm tình, nhưng cũng cả những ẩn họa ở quê hương ông. Ông di cư sang Mỹ năm 1935 và làm việc cho đến cuối đời ở Viện nghiên cứu cao cấp, tại Princeton. Ông là người ủng hộ mạnh mẽ Hiệp hội các quyền con người và chỉ trích công khai Hội Quốc liên năm 1928 đã pháp điển hóa các luật lệ chiến tranh: “Chiến tranh không phải là một trò chơi mà người ta chơi bằng các luật lệ. Chiến tranh phải bị từ chối bằng mọi giá, và điều này có thể thực hiện được thực sự nếu quảng đại quần chúng từ chối quân dịch, ngay cả trong thời hòa bình”. Trên chuyến tàu chở ông đến Mỹ, Einstein đã lớn tiếng tuyên bố chủ nghĩa hòa bình của mình: “Nếu chỉ hai phần trăm số người được gọi đi nghĩa vụ quân sự từ chối và yêu cầu mọi cuộc xung đột quốc tế phải được giải quyết bằng con đường hòa bình, thì các chính phủ sẽ bất lực”.

Hình 31. Sau khi thuyết tương đối rộng được kiểm tra bằng thực nghiệm của đoàn thám hiểm nhật thực năm 1919 của nhà thiên văn học người Anh, Arthur Eddington, tên tuổi của Albert Einstein đã đi vào huyền thoại. Công chúng và báo chí ngợi ca ông. Những nhân vật lớn nhất của thời đó tranh nhau đứng về phía ông mặc dù không một ai trong số họ thực sự hiểu công trình này của ông. Hollywood săn đón ông. Trong bức ảnh (a), Einstein đứng bên cạnh Charlie Chaplin trong buổi ra mắt bộ phim Ánh sáng kinh thành. Chaplin có lẽ đã nói với cha đẻ của thuyết tương đối: “Tôi, người ta hoan hô tôi bởi vì tất cả mọi người hiểu tôi, còn ngài, người ta hoan hô ngài bởi vì không một ai hiểu ngài cả”. Bức ảnh (b) chụp Einstein cùng nhà thơ Ấn Độ, Rabindranath Tagore (1861-1941). Bằng cách nào một nhà nghiên cứu đơn độc mà các công trình của ông chỉ một số nhỏ các nhà vật lý hiểu được lại có thể trở thành con người nổi tiếng nhất thời đại ông? 31 a © Rue des Archives/The Granger Collection NYC. 31 b © Rue des Archives/ RDA.

Nhưng, dẫu được công chúng ngưỡng mộ và kính trọng, Einstein vẫn là người cô đơn. Trong hai mươi năm cuối đời, ông ngày càng xa dần vật lý đương đại. Đối với các nhà vật lý trẻ, ông ngày càng trở thành một nhân vật huyền bí mà người ta tôn kính từ xa vì những thành tựu kì diệu trong quá khứ của ông, nhưng là người không còn thực sự tiếp xúc trực tiếp với sự phát triển hiện thời của khoa học nữa. Ông chưa bao giờ thôi đối lập với cách giải thích hiện thực bằng xác suất của cơ học lượng tử, và tỏ ra rất ít quan tâm đến các phát hiện mang tính cách mạng làm đảo lộn vật lý các hạt cơ bản trong những năm 1950. Bởi vì ông không tin là đúng khi đưa thêm hai lực hạt nhân, mạnh và yếu, vào dự án đại thống nhất của ông đối với các lực cơ bản của tự nhiên, nên dự án này đã thất bại. Ông để cho các đồng nghiệp trẻ mặc sức khám phá thế giới kỳ lạ của các “lỗ đen”, những thứ mà ông chưa bao giờ tin. Có thể Einstein cần một khoảng lùi để giữ mình và để có thể suy nghĩ và sáng tạo trong sự yên tĩnh. Nhưng ông cảm thấy rằng mong muốn được đơn độc xâm chiếm toàn bộ con người ông là một phần không thể tách rời khỏi nhân cách ông. Năm 1931, ở tuổi năm mươi hai, ông viết: “Cảm giác đam mê công lý và trách nhiệm xã hội của tôi đã luôn tương phản một cách kỳ lạ với việc trong tôi không hề có mong muốn tiếp xúc trực tiếp với đồng loại. Tôi thực sự là một “lữ hành cô đơn” và chưa bao giờ có cảm giác mình thực sự hoàn toàn thuộc về một đất nước, một quê hương, bạn bè hay thậm chí chính gia đình tôi; đối mặt với những tình cảm gắn bó này, tôi luôn cảm thấy một khoảng cách nhất định, một nhu cầu được đơn độc”.

Ánh sáng bị cầm tù bởi các “lỗ đen”

Lực hấp dẫn của vật chất uốn cong không gian, và ánh sáng, khi đi theo con đường ngắn nhất trong không gian cong này, bị lệch hướng. Năm 1915, trong khi xây dựng thuyết tương đối rộng để mô tả hành trạng của vật chất và của ánh sáng trong một trường hấp dẫn mạnh, Einstein đã nhanh chóng nhận ra rằng, bị đẩy đến cực điểm, lý thuyết của ông tiên đoán sự tồn tại của các đối tượng có trường hấp dẫn mạnh tới mức ánh sáng bị cầm tù ở đó. Lực hấp dẫn của chúng lớn tới mức không gian bị cuộn lại, và ánh sáng đi theo những đường viền uốn lượn của không gian bị uốn cong này không thể thoát ra ngoài được nữa. Vì lực hấp dẫn này cầm tù ánh sáng, nên độ cong cực hạn (hay kỳ dị) trong không-thời gian không bức xạ và được gọi là “lỗ đen”.

Thực ra không phải đợi đến thuyết tương đối rộng khái niệm “lỗ đen” mới ra đời. Trên thực tế, triết gia người Anh, John Mitchell ngay từ năm 1973 đã nhắc đến lỗ đen và một cách độc lập, nhà toán học và vật lý học người Pháp, Pierre Simon de Laplace (1749-1827) đã tranh luận về nó năm 1796.24 Lập luận của Mitchell và Laplace không dựa trên không gian bị uốn cong, mà dựa trên vận tốc của ánh sáng. Cần phải đạt đến một vận tốc nhất định để thoát khỏi một trường hấp dẫn. Chẳng hạn, phi thuyền không gian phải được phóng lên bầu trời với vận tốc lớn hơn 11,2km/s thì mới thoát khỏi lực hút của Trái đất, và các nhà du hành vũ trụ phải cất cánh với vận tốc 2,38km/s mới có thể đưa phi thuyền không gian của mình thoát khỏi lực hút của Mặt trăng. Giả định rằng - Michell và Laplace lập luận - tồn tại một khối lượng có lực hút mạnh đến mức vận tốc cần thiết để thoát khỏi lực hút của nó lớn hơn vận tốc của ánh sáng. Trong trường hợp như vậy, ánh sáng không thể thoát ra được và vật trở nên tối đen, không nhìn thấy được nữa.

Ngay cả Einstein, một người có thiên cảm, cũng không thể chấp nhận ý tưởng kì dị như thế về một cái “lỗ” trong không gian có thể cầm tù ánh sáng. Ông cho rằng thuyết tương đối của ông không đúng, rằng nó không thể mô tả hiện thực được nữa khi trường hấp dẫn trở nên quá mạnh, và rằng tự nhiên phải tỏ ra đủ khéo léo để ngăn cản sự tồn tại của các hiện tượng quái dị như thế. Về điểm này, ông đã nhầm. Các “lỗ đen” thực sự tồn tại. Chúng đã để lộ diện trong nhiều hoàn cảnh.

Trước hết là các lỗ đen sao, chúng bắt nguồn từ cái chết của các ngôi sao nặng. Các nhà vật lý thiên văn đã tìm được trong dải Ngân hà của chúng ta một số lượng lớn các xác sao có lõi nặng gấp ba lần khối lượng Mặt trời và khối lượng tổng cộng của chúng lớn hơn khoảng 25 lần khối lượng Mặt trời. Do thiếu nhiên liệu để duy trì lò luyện hạt nhân của mình, lõi của các ngôi sao nặng đã kiệt quệ này co mạnh lại dưới tác dụng của lực hấp dẫn, và cho ra đời một lỗ đen, trong khi đó các lớp bên ngoài của chúng chứa đầy các thành phần sinh ra từ lò luyện hạt nhân bị phóng vào môi trường giữa các vì sao trong một vụ bùng nổ khổng lồ gọi là sao siêu mới.

Ở một thái cực khác có các lỗ đen “siêu nặng” có khối lượng bằng nhiều tỉ lần Mặt trời và tụ tập ở tâm của các vật kinh dị gọi là các “quasar” (chuẩn tinh). Các quasar là những thiên thể phát ra một năng lượng phi thường bằng khoảng 100.000 tỉ Mặt trời từ một vùng chỉ lớn hơn Hệ Mặt trời chút xíu.

Các quasar không phải là các vật duy nhất chứa quỷ dữ trong lòng. Các “thiên hà có nhân hoạt tính” cũng có một tâm rất sáng, cũng phát ra một năng lượng kinh hoàng, nhưng yếu hơn khoảng từ 10 đến 100 lần năng lượng của các quasar, với các lỗ đen có khối lượng bằng từ 10 đến 100 lần khối lượng mặt trời. Ngay cả một thiên hà “bình thường” như Ngân hà của chúng ta cũng chứa trong lòng nó một lỗ đen bằng 3 triệu lần khối lượng Mặt trời!

Các lỗ đen háu ăn và tia X

Nhưng, các bạn sẽ phản bác lại rằng nếu lỗ đen cầm tù ánh sáng thì người ta không thể nhìn thấy nó được; vậy bằng cách nào có thể biết chắc chắn là nó tồn tại? Không có ánh sáng, nhà vật lý thiên văn chẳng phải là hoàn toàn “đui” hay sao?

Câu trả lời dứt khoát là không. Các lỗ đen để lộ sự hiện diện của chúng bằng thói háu ăn. Chúng lộ diện khi ngấu nghiến nuốt lớp vỏ khí của một (trong trường hợp lỗ đen sao) hay nhiều sao (trong trường hợp lỗ đen siêu nặng) không may gặp hoặc tiến đến gần nó. Lực hấp dẫn của chúng làm cho khí của các sao ở gần này chảy theo đường xoắn ốc tới cái miệng há hốc của lỗ đen và tạo thành một đĩa dẹt quanh lỗ đen. Trong chuyển động này của khí, các nguyên tử khí va chạm với nhau dữ dội và nóng lên đến hàng triệu độ, phát ra vô số tia X. Các tia X có thể dễ dàng bị phát hiện, vì chúng được phát ở bên ngoài miệng của lỗ đen. Như vậy bằng cách thu các tia X qua kính thiên văn tia X, các nhà vật lý thiên văn có thể phát hiện được các lỗ đen háu ăn này.25

Thời gian chậm lại trong trường hấp dẫn

Không gian bị trường hấp dẫn của vật chất uốn cong. Điều này có nghĩa là ánh sáng phải bám sát các đường ngoằn ngoèo của không gian cong, đường đi như vậy dài thêm và phải mất nhiều thời gian hơn mới đến được chúng ta. Nếu trường hấp dẫn mà nó đi qua càng mạnh và không gian càng bị uốn cong thì ánh sáng càng mất nhiều thời gian hơn nữa. Cách nhanh nhất để so sánh thời gian của chúng ta với thời gian của một người khác chính là trao đổi các tín hiệu ánh sáng với người đó, điều này có nghĩa là, theo thuyết tương đối rộng, thời gian bị một trường hấp dẫn làm cho chậm lại. Hãy cùng Martine và Amélie thăm tháp Montparnasse ở Paris, chúng ta sẽ thấy điều đó.

Martine leo lên đỉnh tháp cao 210 mét còn Amélie đứng dưới chân tháp. Là người thích nghiên cứu vật lý, Amélie quyết định so sánh thời gian của mình với thời gian của Martine bằng cách cứ mỗi giây theo đồng hồ của mình lại gửi cho Martine một tín hiệu ánh sáng. Amélie, ở dưới chân tháp, vì gần tâm Trái đất hơn nên chịu một lực hấp dẫn của Trái đất mạnh hơn Martine, và các tín hiệu ánh sáng mất nhiều thời gian hơn một chút để thoát ra khỏi không gian quanh Amélie bị uốn cong hơn một chút so với không gian quanh Martine. Các tín hiệu đến với Martine sau khoảng hơn một giây. Theo quan điểm của Martine ở trên đỉnh tháp, thời gian của Amélie đã chậm lại.

Trong thực tế, sự chênh lệch thời gian giữa Martine và Amélie là vô cùng nhỏ, và các đồng hồ bình thường của họ không thể phát hiện ra được. Nhưng sự chênh lệch thời gian giữa đỉnh và chân của tháp là thực sự tồn tại. Sử dụng các máy đo tinh vi, hai nhà vật lý học người Mỹ, Robert Pund và Glen Rebka của trường Đại học Harvard đã đo được độ chênh lệch tương đối của thời gian giữa đỉnh tháp và chân tháp cao 22,5 mét là 2,5 phần triệu tỉ, hoàn toàn phù hợp với tiên đoán của thuyết tương đối rộng. Điều này có nghĩa là đồng hồ ở chân tháp và đồng hồ ở đỉnh tháp sẽ chênh nhau một giây sau một trăm triệu năm.

Việc thời gian bị trường hấp dẫn làm cho chậm lại là hoàn toàn có thực. Đối với những người sống ở tầng trệt, thời gian trôi chậm hơn so với thời gian của những người sống ở tầng cao hơn. Nhưng các hiệu ứng này là vô cùng nhỏ trong cuộc sống hàng ngày. Thật là may nếu không sẽ nổ ra khủng hoảng vì, để sống lâu hơn, ai cũng muốn sống ở tầng trệt và chẳng ai muốn lên sống ở các tầng cao!

Các hiệu ứng này sẽ trở nên lớn hơn nhiều khi lực hấp dẫn trở nên mạnh hơn, như ở gần một ngôi sao, chẳng hạn. Một tín hiệu vô tuyến đi gần đến bề mặt Mặt trời sẽ bị chậm lại cỡ khoảng hai phần triệu lần. Ở cực điểm, thời gian chậm lại tới mức nó hầu như là đứng yên Chẳng hạn, nó sẽ không trôi nữa ở gần một lỗ đen (chính xác hơn là ở bán kính không thể quay lui của nó). Trường hấp dẫn mạnh và không gian bị cuộn lại tới mức ánh sáng không thể thoát ra được nữa. Các hình ảnh từ bên trong phi thuyền mà Jules gửi cho Jim đang ở trên Trái đất sẽ không thể đến được với Jim nữa. Khi Jules vượt qua bán kính không thể quay lui của lỗ đen, các hình ảnh này không thể được cập nhật nữa và sẽ đứng yên mãi mãi. Đối với Jim, thời gian của Jules đã dừng lại.

Ánh sáng và các ảo ảnh vũ trụ

Như mọi lý thuyết khoa học lớn, thuyết tương đối rộng chứa các kho báu thật bất ngờ; nó không ngừng phát lộ cho chúng ta thấy sự giàu có đáng kinh ngạc, thậm chí đôi khi còn làm cho chính tác giả của nó cũng phải sững sờ. Nó không chỉ hé mở cho chúng ta biết sự giãn nở của vũ trụ (mà ban đầu chính Einstein cũng không tin; ông đã sửa các phương trình của mình để mô tả một vũ trụ tĩnh, không giãn nở; mãi đến năm 1929 ông mới rút lại quyết định, khi Hubbe phát hiện ra sự chạy trốn ra xa nhau của các thiên hà, và đã tuyên bố rằng thay đổi này là một “sai lầm lớn nhất đời tôi”) và sự tồn tại của các lỗ đen (mà Einstein cũng không tin nốt), mà còn nói với chúng ta về các “ảo ảnh vũ trụ”.

Ngay từ năm 1936 Einstein đã nhận thấy rằng nếu ánh sáng đi theo sự nuốn cong của không gian được qui định bởi trường hấp dẫn của các thiên thể như sao hay thiên hà, thì các “ảo ảnh hấp dẫn” sẽ phải tồn tại. Einstein chứng minh rằng nếu hai ngôi sao nằm thẳng hàng với Trái đất, thì ánh sáng của sao xa nhất, để đến được chúng ta, sẽ phải đi qua trường hấp dẫn của ngôi sao ở gần hơn, và như vậy sẽ phải đi qua không gian cong bao quanh nó. Do đó ánh sáng sẽ bị lệch hướng. Sự lệch hướng này làm cho ảnh của ngôi sao ở xa bị biến dạng: ngoài ảnh bình thường của điểm sáng, còn tồn tại một ảnh thứ hai có hình chiếc nhẫn sáng bao quanh điểm này. Ảnh thứ hai này là một dạng ảo ảnh của ảnh “thật” thứ nhất, nó giống như ốc đảo xinh đẹp mà người bộ hành khát nước hy vọng sẽ được giải khát ở đó, nhưng thật thất vọng, vì đó chỉ là ảo ảnh của một ốc đảo thật ở xa hàng trăm kilômét. Vành sáng này trên thực tế không tồn tại. Giống như ảo ảnh ốc đảo được sinh ra từ sự lệch hướng của ánh sáng tới từ ốc đảo thật do không khí nóng bốc lên trên sa mạc, ảo ảnh vành sáng bắt nguồn từ sự lệch hướng của ánh sáng tới từ ngôi sao xa do trường hấp dẫn của ngôi sao ở gần hơn gây ra: từ đó mà có tên “ảo ảnh hấp dẫn”. Ngôi sao gần là một “thấu kính hấp dẫn”, vì, cũng giống như mắt kính của bạn, nó làm lệch hướng và tụ tiêu ánh sáng.

Einstein nghĩ rằng rất khó xảy ra việc hai ngôi sao nằm thẳng hàng với Trái đất như thế, rằng các “ảo ảnh hấp dẫn” chỉ tồn tại trong trí tưởng tượng phong phú của ông mà thôi và vẫn mãi mãi chỉ là các thực thể lý thuyết. Ông đã không tin vào khả năng sáng tạo kỳ diệu của tự nhiên. Tự nhiên không dùng các sao làm thấu kính hấp dẫn, mà dùng các thiên hà hay các đám thiên hà. Vì thiên hà và đám thiên hà rộng hơn (các thiên hà có đường kính hàng trăm nghìn năm ánh sáng và các đám thiên hà có đường kính khoảng ba mươi triệu năm ánh sáng), nên ánh sáng của các thiên thể ở xa có nhiều cơ hội bị các vật này chặn và làm lệch hướng hơn. Bởi vì chúng nặng hơn (các thiên hà có khối lượng lớn gấp hàng nghìn tỉ lần khối lượng Mặt trời, còn các đám thiên hà khoảng một nghìn lần lớn hơn thế), nên trường hấp dẫn của chúng mạnh hơn rất nhiều trường hấp dẫn của một ngôi sao. Không gian như vậy bị uốn cong mạnh hơn và ánh sáng bị lệch hướng cũng nhiều hơn.

Ngày nay, các nhà thiên văn học đã phát hiện được rất nhiều ảo ảnh vũ trụ của các thiên thể khác nhau trong không gian. Đầu tiên là các quasar, tức là các thiên hà chứa trong lòng chúng một lỗ đen siêu nặng cỡ một tỉ lần khối lượng của Mặt trời và phát ra năng lượng bằng một nghìn thiên hà trong một thể tích chỉ lớn hơn Hệ Mặt trời tí chút. Khi một thiên hà nằm giữa Trái đất và quasar, nó có tác dụng như một thấu kính hấp dẫn làm nhân lên các ảnh của quasar. Ảnh của quasar này trở thành hai, ba, hoặc vô số. Chính hiện tượng nhân các ảnh lên này đã từng làm các nhà thiên văn học phải đau đầu và đã giúp họ phát hiện ra thấu kính hấp dẫn đầu tiên. Năm 1979, người ta phát hiện ra một cặp quasar có các tính chất cực kỳ giống nhau: liệu có thể cái nọ là ảo ảnh của cái kia? Nhưng, nếu đúng như vậy thì một thiên hà phải tồn tại trên đường ngắm của hai quasar và đóng vai trò là thấu kính hấp dẫn. Miệt mài tìm kiếm, các nhà thiên văn học đã phát hiện ra một thiên hà đóng vai trò này.

Như vậy trực giác của Einstein đã đúng. Ngày nay, nghiên cứu các thấu kính hấp dẫn đã trở thành một lĩnh vực nở rộ của vật lý thiên văn. Các nhà thiên văn học đã phát hiện được khoảng năm chục ảo ảnh của quasar. Họ cũng đã phát hiện thấy rằng nếu thiên hà-thấu kính có dạng cầu thì ánh sáng của quasar, thay vì sinh ra vô số các ảnh, được phân bố lại dưới dạng chiếc nhẫn sáng bao quanh ảnh của quasar, chính xác như Einstein đã hình dung.1

Không phải chỉ có thiên hà đóng vai trò thấu kính hấp dẫn. Các đám thiên hà, tập hợp hàng nghìn thiên hà được liên kết với nhau bằng lực hấp dẫn, cũng không nằm ngoài cuộc chơi này. Chúng phân tách ảnh của thiên thể xa xôi không phải thành rất nhiều ảnh, mà thành một kính vạn hoa của các cung tròn sáng. Nghiên cứu hình dạng, vị trí, độ sáng và kích thước của các cung sáng quanh các thiên hà nằm trong đám này, các nhà thiên văn học có thể suy ra tổng khối lượng vật chất của đám đó, dù nó có phát sáng hay không phát sáng. Như vậy các đám-thấu kính, cũng giống như các thiên hà-thấu kính, là các “kính thiên văn” hảo hạng để phát hiện vật chất tối không phát ra bất kỳ một dạng bức xạ nào, và phát hiện được chỉ nhờ tác dụng hấp dẫn của nó. Vật chất tối cấu thành phần lớn (gần 98%) khối lượng của vũ trụ.

Để vinh danh ông, các vòng nhẫn này được gọi là “vòng nhẫn Einstein”.

Nhưng thấu kính hấp dẫn không chỉ giúp phát hiện vật chất tối. Chúng còn là các “kính thiên văn” tuyệt vời để nghiên cứu vật chất sáng của vũ trụ, vật chất nằm trong các sao và thiên hà. Trên thực tế chúng có thể khuếch đại lên hàng chục, thậm chí hàng trăm lần độ sáng của các vật nằm sau chúng trong cùng đường ngắm từ Trái đất, cho phép nhìn được các thiên thể còn ở xa hơn nữa trong vũ trụ, và như vậy cho phép lần ngược xa hơn trong quá khứ của vũ trụ.

Vũ trụ như một trò chơi ảo tượng khổng lồ chưa đầy các ảo ảnh thách thức trí tưởng tượng của chúng ta. Thật nghịch lý, chính một phần nhờ vào những nghiên cứu về các ảo tượng vũ trụ này mà chúng ta hiểu chính xác hơn về hiện thực!

Vật chất giải thoát electron

Einstein đã đạt được những thành công lớn nhất là nhờ các suy nghĩ về ánh sáng. Tìm cách trả lời cho câu hỏi: thế giới sẽ trình hiện trước mắt ta như thế nào nếu ta chạy cũng nhanh như một hạt ánh sáng, đồng thời nhấn mạnh đến sự không đổi của vận tốc ánh sáng bất chấp chuyển động của người quan sát, ông đã tạo ra một cuộc cách mạng đối với các khái niệm thời gian và không gian và thống nhất vật chất với năng lượng bằng thuyết tương đối hẹp. Bằng cách xem xét ánh sáng bị lệch hướng như thế nào bởi lực hấp dẫn của một vật, ông đã dựng nên tòa nhà tráng lệ của thuyết tương đối rộng. Nhưng thế vẫn chưa hết. Cũng trong năm 1905 kỳ diệu, trên tờ tạp chí vật lý của Đức Annalen der Physik (vài tháng sau cũng chính tạp chí này đã đăng bài báo về thuyết tương đối hẹp), Einstein đã công bố một bài báo nhan đề Về một quan điểm khám phá (heuristic) liên quan đến sự tạo và biến đổi ánh sáng. Bài báo được công bố đầu tiên này của nhà vật lý trẻ làm việc âm thầm như một “chuyên viên kỹ thuật hạng ba” tại Văn phòng sở hữu trí tuệ liên bang ở Berne sau đó đã khởi phát một cuộc cách mạng khái niệm thực sự về bản chất của ánh sáng. Giả thuyết mà Einstein đưa ra sau đó còn được dùng làm nền tảng cho cơ học lượng tử và đã hé lộ bản chất lưỡng tính của ánh sáng, vừa là sóng vừa là hạt. Nhờ nó ông đã được trao giải Nobel Vật lý năm 1921.

Để xác định bản chất của ánh sáng, Einstein suy nghĩ đến một tính chất của các kim loại gọi là “hiệu ứng quang điện”. Hiệu ứng này được nhà vật lý học người Đức, Heinrich Hertz (1857-1894) phát hiện năm 1887. Hiệu ứng quang điện là một hiện tượng trong đó các electron thoát ra khỏi bề mặt của một tấm kim loại khi có ánh sáng chiếu vào. Trong kim loại, các electron tự do liên kết rất yếu với các nguyên tử của chúng (chính điều đó giải thích tại sao chúng là các chất dẫn điện tuyệt vời). Khi một chùm sáng đập vào bề mặt của một kim loại, nó truyền năng lượng của mình cho kim loại đó - giống như khi ánh sáng Mặt trời vuốt ve cơ thể bạn, nó truyền năng lượng của nó cho da bạn, làm cho bạn cảm thấy ấm áp. Năng lượng của ánh sáng truyền cho kim loại làm khuấy động các electron và các electron liên kết yếu nhất sẽ sẽ bị bắn ra ngoài. Theo tiên nghiệm, bạn tự nhủ rằng nếu muốn tăng vận tốc thoát ra của các electron, và như vậy tức là tăng năng lượng của chúng (năng lượng này phụ thuộc vào bình phương của vận tốc), thì bạn chỉ cần tăng cường độ của chùm sáng. Vậy mà, bạn sẽ hết sức ngạc nhiên khi thấy không phải như thế. Khi ánh sáng mạnh hơn, thì nó làm tăng, không phải vận tốc thoát ra của các electron, mà là số lượng của chúng. Trên thực tế, chỉ có một cách duy nhất để tăng vận tốc và như vậy là tăng năng lượng của các electron thoát ra, đó là thay đổi tần số của ánh sáng, chẳng hạn bằng cách thay đèn phát ánh sáng nhìn thấy được bằng một đèn khác phát ánh sáng cực tím mắt thường không nhìn được. Một ánh sáng có tần số cao, như các tia cực tím, chẳng hạn, thì ngay cả khi cường độ rất nhỏ, cũng giải phóng được các electron giàu năng lượng hơn một ánh sáng có tần số thấp hơn, như ánh sáng nhìn thấy, chẳng hạn, ngay cả khi ánh sáng nhìn thấy này có cường độ rất mạnh.

Trong vùng ánh sáng nhìn thấy, giảm tần số cũng có nghĩa là thay đổi màu sắc của ánh sáng từ tím sang đỏ, trải qua lần lượt tất cả các màu cầu vồng khác: chàm, lam, lục, vàng và da cam. Nếu chúng ta tăng tần số cao hơn ánh sáng màu tím, chúng ta sẽ lần lượt có ánh sáng cực tím (tử ngoại), tia X và tia gamma. Ngược lại, nếu chúng ta giảm tần số xuống dưới ánh sáng đỏ, chúng ta sẽ gặp (theo trật tự tần số giảm dần) ánh sáng hồng ngoại, vi sóng và sóng vô tuyến. Tập hợp tất cả các ánh sáng này sẽ tạo thành cái mà người ta gọi là “phổ điện từ” (H. 32) (từ “phổ” chỉ sự phân tách ánh sáng thành các tần số khác nhau). Người ta quan sát thấy rằng càng giảm tần số của ánh sáng thì vận tốc của các electron thoát ra khỏi bề mặt của kim loại giảm dần đến 0. Giảm các tần số xuống thấp hơn nữa, các electron không thoát ra, dù cường độ của ánh sáng có mạnh thế nào chăng nữa. Vì một lý do huyền bí nào đó, chính tần số của ánh sáng - và cũng tức là màu của nó - lại quyết định hành trạng của các electron, chứ không phải cường độ của ánh sáng.

Để giải thích hành trạng kỳ lạ này của các electron bị bứt ra khỏi bề mặt của kim loại, Einstein không phải tìm đâu xa. Ông đã đặt vấn đề xét lại quan niệm đã được chấp nhận rộng rãi lữc bấy giờ về bản chất sóng của ánh sáng và đưa ra giả thuyết táo bạo rằng hiệu ứng quan điện chỉ có thể hiểu được nếu ánh sáng bị kim loại hấp thụ không phải là một sóng liên tục, mà được cấu thành từ các “hạt” hay các lượng tử năng lượng, hay còn được gọi là “photon”. Mỗi một photon mang một lượng năng lượng xác định. Năng lượng này không thể tùy tiện lấy bất kỳ giá trị nào, mà phải đúng bằng một bội của tần số ánh sáng.

Hình 32. Phổ điện từ. Đó là tập hợp các loại ánh sáng khác nhau. Tính chất duy nhất phân biệt loại ánh sáng này với loại ánh sáng khác chính là bước sóng, tần số hoặc năng lượng của nó. Bước sóng càng dài thì tần số và năng lượng càng nhỏ, và ngược lại. Theo trật tự bước sóng giảm dần (hay tần số và năng lượng tăng dần) ta có: sóng vô tuyến, vi sóng, hồng ngoại, các ánh sáng nhìn thấy được, tia cực tím và các tia X và gamma. Thang tương ứng với bước sóng được minh họa bằng các vật tiêu biểu. Chỉ có các sóng vô tuyến và ánh sáng nhìn thấy được mới có thể xuyên qua dễ dàng khí quyển Trái đất mà không bị hấp thụ (hình dưới). Để thu nhận tất cả các loại ánh sáng, các nhà thiên văn phải đưa lên quỹ đạo các kính thiên văn vượt ra ngoài khí quyển Trái đất. 

Trong khuôn khổ giả thuyết này, Einstein đã giải thích được tất cả các sự kiện thực nghiệm quan sát được. Chẳng hạn, một ánh sáng có tần số cao chứa các hạt ánh sáng giàu năng lượng hơn một ánh sáng có tần số thấp. Các hạt ánh sáng bị kim loại hấp thụ sẽ truyền một phần năng lượng của chúng cho các electrong thoát ra (năng lượng này bằng tổng năng lượng của photon trừ đi năng lượng cần để bứt electron khỏi kim loại), và chính vì thế một ánh sáng có tần số cao, và do đó có năng lượng cao, sẽ cho các electron thoát ra với năng lượng cao hơn. Tăng cường độ của ánh sáng nghĩa là tăng số photon đập vào bề mặt kim loại, và như vậy là tăng số electron thoát ra. Bằng cách đó, ta không làm tăng năng lượng của các electron thoát ra, bởi vì tần số của ánh sáng không thay đổi. Mặt khác, bởi vì cần phải có một năng lượng tối thiểu để bứt một electron ra khỏi bề mặt kim loại, nên một ánh sáng có tần số thấp gồm các photon có năng lượng thấp hơn năng lượng tối thiểu này sẽ không bao giờ làm cho electron thoát ra được, dù cường độ của nó có mạnh thế nào chăng nữa.

Vấn đề lò phát năng lượng vô hạn

Ý tưởng kỳ lạ cho rằng các hạt ánh sáng không thể làm bất cứ điều gì chúng thích cũng như không thể chấp nhận bất kỳ giá trị nào cho năng lượng của chúng, mà chỉ có thể nhận một số giá trị, rất xác định, tỉ lệ với tần số của ánh sáng, không phải là của Einstein, mà là của nhà vật lý học người Đức, Max Planck (1858-1947). Ngay từ cuối thế kỷ XIX Planck đã quan tâm tới bài toán nhìn có vẻ rất đơn giản về bức xạ do một vật bị nung nóng đến một nhiệt độ nào đó phát ra. Planck ngay lập tức nhận ra rằng vật lý cổ điển đã mang lại cho ông một kết quả vô nghĩa: nó ương ngạnh nói với ông rằng một vật nóng phải phát ra một lượng vô hạn năng lượng, một điều rõ ràng là phi lý.

Hãy xét ví dụ về một cái lò. Maxwell nói với chúng ta rằng bức xạ điện từ phát ra từ các thành nóng của lò bao gồm vô số các sóng. Các sóng này có các đỉnh và hõm, như sóng nước ở đại dương. Khoảng cách giữa hai đỉnh hay hai hõm liên tiếp là “bước sóng”. Số các đỉnh và hõm vượt qua một điểm của không gian trong một giây là tần số ánh sáng. Tần số thay đổi tỷ lệ nghịch với bước sóng. Một bước sóng dài ứng với một tần số thấp, một bước sóng ngắn ứng với một tần số cao. Để hiểu rõ hơn, ta hãy rung đầu của một sợi dây căng. Nếu bạn rung nhẹ nó, với một tần số thấp của tay bạn, thì bước sóng lan truyền dọc theo sợi dây sẽ dài. Ngược lại, nếu bạn rung mạnh, với một tần số cao của tay bạn, bước sóng sẽ ngắn.

Maxwell cũng cho chúng ta biết rằng mỗi một sóng điện từ phải sắp xếp trong lò sao cho tồn tại một số nguyên các đỉnh và hõm giữa hai thành đối diện của lò. Lý thuyết nhiệt động lực học (khoa học về nhiệt) của thế kỷ XIX dạy chúng ta rằng năng lượng của mỗi sóng là không đổi, dù bước sóng của nó thế nào, năng lượng này chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của lò. Nhưng bởi vì có một số vô hạn các sóng, mỗi sóng lại chứa cùng một năng lượng, nên tổng năng lượng của lò phải là vô hạn. Kết quả hiển nhiên là phi lý: lò không thể bùng nổ như quả bom nguyên tử khi người ta mở cửa của nó!

Sở dĩ có nghịch lý lò phát ra năng lượng vô hạn, chính là bởi vì, trong khuôn khổ của vật lý cổ điển, năng lượng của một sóng là “liên tục”: nó có thể lấy bất kỳ giá trị nào tùy thích. Để thoát khỏi nghịch lý năng lượng vô hạn, nghịch lý đã làm cho vật lý cổ điển rơi vào khủng hoảng cuối thế kỷ XIX, Planck thấy buộc phải bác bỏ định đề đã được chấp nhận rộng rãi về một năng lượng liên tục. Năm 1900, ông đã mở đầu một thế kỷ mới bằng cách buộc lòng phải đưa ra một giả thiết “đầy tuyệt vọng” nhưng mang tính cách mạng về một năng lượng không liên tục, và chính giả thuyết này đã mang lại cho ông giải Nobel Vật lý năm 1918. Theo Planck, năng lượng tối thiểu gắn với một sóng bên trong lò không thể lấy giá trị bất kỳ, mà chỉ có thể lấy một số giá trị xác định, tỷ lệ với tần số của sóng. Nói cách khác, năng lượng trở nên bị “lượng tử hóa”, và mỗi một sóng gắn với một quantum (lượng tử) năng lượng.

Cơ học lượng tử đã ra đời như thế. Do năng lượng được lượng tử hóa nên số các sóng đóng góp vào tổng năng lượng của lò không còn là vô hạn, mà là hữu hạn, điều này có nghĩa là năng lượng của lò cũng không còn là vô hạn nữa.

Hơn nữa, bằng cách sử dụng giả thuyết về năng lượng bị lượng tử hóa, Planck cũng giải thích được sự phân bố năng lượng bức xạ của lò. Để đạt được sự phù hợp giữa lý thuyết và các kết quả thực nghiệm, ông chỉ cần điều chỉnh một thông số: đó là hệ số tỷ lệ giữa tần số của một sóng ánh sáng và năng lượng tối thiểu mà nó có thể chứa. Hằng số tỷ lệ đó ngày nay được gọi là “hằng số Planck”. Giá trị của nó là vô cùng nhỏ, chỉ cỡ sáu phần mười triệu tỉ tỉ tỉ tính theo các đơn vị thông dụng.1 Vì hằng số Planck là vô cùng nhỏ nên các hiệu ứng của tính không liên tục của năng lượng sóng chỉ có thể cảm nhận được trong thế giới nguyên tử và dưới nguyên tử, ở các thang cỡ khoảng một trăm phần triệu centimet (đường kính của một nguyên tử), thậm chí nhỏ hơn. Nếu hằng số Planck lớn hơn (cỡ khoảng 1, chẳng hạn), thì các hiệu ứng lượng tử sẽ biểu lộ ngay trong cuộc sống hằng ngày, và chúng ta sẽ thấy kỳ dị và vô cùng khó chịu. Chẳng hạn, nếu các đại lượng của cuộc sống hằng ngày đều bị lượng tử hóa và không liên tục thì chúng ta sẽ chỉ có thể đi với các bước 20, 40, 60... cm; uống 120, 240, 390...mililít; ăn 13, 26, 39... gam gạo. Mọi đại lượng sẽ là bội số nguyên của một số cực tiểu. Mọi giá trị khác - các bước 25cm, một cốc 340 mililít, một bát cơm 43 gam - sẽ bị cấm tiệt.

Giá trị chính xác của hằng số Planck là 6,63.10-34 J.s

Các lượng tử năng lượng

Giả thuyết mà Einstein đưa ra để giải thích hiệu ứng quang điện - tức là ánh sáng được cấu thành từ các lượng tử năng lượng - ban đầu đã bị cộng đồng các nhà vật lý đón nhận một cách lạnh nhạt và hoài nghi. Vì nó đi ngược lại với toàn bộ vật lý học của ba thế kỷ trước. Các công trình của Young, Huygens, Euler, Fresnel, Faraday và Maxwell trên thực tế đã ủng hộ mạnh mẽ quan điểm ánh sáng là sóng. Các nhà nghiên cứu nổi tiếng này đã công kích kịch liệt quan điểm của Newton theo đó ánh sáng là hạt và truyền theo đường thẳng. Quan niệm ánh sáng được tạo thành từ các hạt đã mất đi sự lừng lẫy của mình từ lâu rồi. Vả lại, rất nhiều câu hỏi được đặt ra nếu ánh sáng không có bản chất sóng. Chẳng hạn, làm thế nào hiểu được các vân giao thoa của Young? Giải thích thế nào việc thêm ánh sáng vào ánh sáng lại có thể đôi khi cho bóng tối? Một sóng có thể ngược pha so với một sóng khác và triệt tiêu nó, nhưng bằng cách nào một hạt lại có thể giao thoa với chính nó (hoặc với các hạt khác) và triệt tiêu nhau? Các nhà vật lý học nghĩ rằng Einstein đã đi sai đường. Họ muốn bằng mọi giá phải bảo tồn công trình hài hòa của Maxwell và các bậc tiền bối của ông, trong đó ánh sáng không là gì khác mà chính là sóng điện từ lan truyền trong không gian.

Nhà vật lý học người Mỹ, Robert Millikan, một trong những nhà thực nghiệm tài năng nhất thời đại ông, đã hăm hở bắt tay nghiên cứu hiệu ứng quang điện. Ông rất muốn chứng tỏ rằng Einstein sai lầm, rằng giả thuyết của ông về lượng tử năng lượng là không thể đúng được. Nhưng, bất chấp định kiến của mình, ông đã phải thừa nhận: các thí nghiệm luôn nói rằng Einstein không nhầm, mà ngược lại rất có lý. Hành trạng của các electron thoát ra từ bề mặt kim loại dưới tác dụng của ánh sáng chỉ có thể hiểu được nếu ánh sáng được tạo thành từ các hạt mà năng lượng của chúng tỷ lệ với tần số của ánh sáng này. Tuy nhiên, ngay cả khi Millikan đã phải buộc lòng chấp nhận vào năm 1916 rằng sự khẳng định bằng thực nghiệm lý thuyết của Einstein là “không thể chối cãi”, nhà vật lý học người Mỹ này vẫn bảo lưu quan điểm cho rằng giả thuyết này là “phi lý” và rằng “nó có vẻ mâu thuẫn với tất cả những gì mà các nhà vật lý học đã biết về giao thoa ánh sáng”.

Planck cũng không mấy thoải mái với ý tưởng về lượng tử năng lượng, mặc dù chính ông là người đã đưa nó vào vật lý. Đó là bởi vì ông đã đưa ra nó trong bối cảnh bản chất sóng của ánh sáng, chứ không phải bản chất hạt. Đối với ông, ánh sáng phát ra từ lò là sóng, chứ không phải là hạt. Trong thâm tâm ông nghĩ rằng lượng tử hóa năng lượng của ánh sáng chỉ là một thủ thuật học toán dùng để loại trừ nghịch lý năng lượng vô hạn mà thôi. Ông thiết tha hy vọng rằng rốt cuộc ánh sáng sẽ không xử sự như vậy, và một ngày nào đó giả thuyết “tuyệt vọng” về lượng tử năng lượng sẽ tự biến mất. Việc đưa vào ý tưởng năng lượng không liên tục đã khiến ông thực sự bị sốc và khiến cho ông cảm thấy nó giống như tà thuyết. Trong suốt nhiều năm ròng, Planck đã cố gắng sửa đổi lý thuyết của ông sao cho vẫn giữ lại được kết quả của nó, nghĩa là loại bỏ được năng lượng vô hạn của các vật bị nung nóng đồng thời cũng loại bỏ được ý tưởng về lượng tử năng lượng. Nhưng ông đã uổng công. Ngay cả về sau này, khi đã phải chấp nhận rằng vật chất ở thang nguyên tử dường như có bản chất lượng tử chứ không phải liên tục, nhưng ông vẫn nghĩ rằng bản chất gián đoạn này chỉ đặc trưng cho vật chất, chứ không phải cho ánh sáng.

Thiên tài của Einstein là đã loại bỏ tất cả những né tránh này. Sự táo bạo tràn đầy tính cách mạng của ông thể hiện ở tuyên bố mạnh mẽ rằng ánh sáng được tạo thành từ các hạt có một năng lượng xác định, bằng hằng số Planck nhân với tần số của sóng, và rằng hiệu ứng quang điện chỉ có thể hiểu được nếu ánh sáng không có bản chất sóng, mà được cấu thành từ các hạt năng lượng. Ông tuyên bố: “Các nền tảng hiện nay của lý thuyết bức xạ phải được xem xét lại toàn bộ”.

Hình 33. Einstein và Bohr. Các tranh luận giữa Einstein và nhà vật lý học người Đan Mạch, Niels Bohr (1885-1962) về sự mô tả thực tại bằng cơ học lượng tử vẫn còn rất nổi tiếng trong các cuốn biên niên vật lý. Là một tín đồ trung thành của quyết định luận, Einstein đã bác bỏ cách giải thích xác suất về thực tại của cơ học lượng tử của Bohr. Einstein thích nhắc đi nhắc lại câu này: “Chúa không chơi trò súc sắc”. Một hôm Bohr bực mình đáp lại: “Thôi, đừng có bảo Chúa phải làm gì nữa!” © Amercian Institute/S.P.L./Cosmos.

Trong cuộc đấu tranh trí tuệ của mình chống lại Planck và các đồng nghiệp của ông, Einstein đã nhận được sự ủng hộ bất ngờ của một nhà vật lý học trẻ người Đan Mạch hai mươi bảy tuổi, Niels Bohr (1885-1962) (H. 33), người đã đưa tính gián đoạn không phải vào trong ánh sáng, mà trong vật chất, ở ngay trung tâm của nguyên tử!

Tại sao vật chất lại không tự co đặc lại?

Vào cuối thế kỷ XIX, quan điểm cho rằng nguyên tử là các yếu tố cấu thành tối hậu của vật chất và không tồn tại các thực thể còn cơ bản hơn đã thất bại. Năm 1897, nhà vật lý học người Anh, Joseph Thomson (1856-1940) đã chứng tỏ được rằng nguyên tử có cấu trúc nội tại, rằng có thể lấy ra từ một nguyên tử các hạt có điện tích âm, gọi là các electron. Ông hình dung nguyên tử như một khối cầu chứa đầy một chất có điện tích dương và các hạt điện tích âm - các electron. Sự cố kết của nguyên tử được đảm bảo bằng lực điện từ làm cho các electron bị chất mang điện tích dương hút, còn các điện tích dương thì đẩy nhau.

Mô hình một khối cầu chứa đầy các hạt đã tan thành mây khói vào năm 1910 với các thí nghiệm của một nhà vật lý học khác người Anh là Ernest Rutherford (1871-1937). Để nghiên cứu các thành phần cấu tạo nên vật chất, ông bắn phá nó bằng các hạt có vận tốc cao. Để làm điều này, ông dùng các hạt (hạt nhân của nguyên tử hêli) có năng lượng cao bắn phá vào một lá vàng mỏng. Mặc dù giống như mong đợi, phần lớn các hạt đều xuyên qua lá vàng một cách rất dễ dàng, nhưng Rutherford đã rất kinh ngạc khi phát hiện ra rằng một phần rất nhỏ trong số chúng (1 trên 8.000) bị phản xạ và quay ngược trở lại. Chỉ có một cách giải thích khả dĩ: đó là bên trong của nguyên tử phải tồn tại một nhân rất đặc và rất rắn làm dội lại các hạt này. Hạt nhân này phải choán một thể tích rất nhỏ so với tổng thể tích của nguyên tử, bởi vì 99,988% các hạt đó đều bắn trượt nó và xuyên qua lá vàng mà không vướng víu gì. Ngày nay chúng ta biết rằng hạt nhân có kích thước vô cùng nhỏ cỡ một phần mười nghìn tỉ (10-13) cm, nói cách khác nó nhỏ hơn đường kính của nguyên tử 100.000 lần. Hạt nhân trong nguyên tử chỉ như một hạt gạo trên một sân bóng đá. Vật chất được cấu thành một phần lớn là từ chân không.

Vì thế Rutherford đã xem xét lại mô hình nguyên tử. Mô hình của ông được xây dựng như một hệ mặt trời thu nhỏ, trong đó hạt nhân có điện tích dương giữ vị trí của Mặt trời, các electron có điện tích âm giữ vị trí của các hành tinh, và lực hút điện đóng vai trò lực hấp dẫn. Chỉ có một điểm không ổn trong mô hình nguyên tử của Rutherford, nhưng đó là điểm rất quan trọng! Thật vậy, một điện tích không chuyển động thẳng đều, mà chuyển động theo vòng tròn và có gia tốc, như trường hợp của electron, sẽ phải phát ra ánh sáng, do đó sẽ nhanh chóng cạn kiệt năng lượng và rơi vào hạt nhân sau một khoảng thời gian rất ngắn cỡ một phần triệu giây. Lúc đó hẳn chúng ta sẽ phải chứng kiến các vật xung quanh chúng ta sẽ lần lượt sập xuống. Bản thân chúng ta cũng chẳng tồn tại được lâu. Nhưng thực tế hoàn toàn không phải như thế. Vậy thì làm thế nào để có thể giữ được các electron và ngăn không cho chúng rơi theo đường xoắn ốc vào hạt nhân? Bằng cách nào giữ được sự bền vững của các vật trong cuộc sống hằng ngày?

Sự gián đoạn cũng bước vào thế giới vật chất

Niels Bohr, người đã từng làm việc một thời gian trong phòng thí nghiệm của Rutherford ở Anh, đã giải quyết rất tài tình vấn đề này. Trong một đột khởi sáng tạo tuyệt vời, vào năm 1913, ông đã kết hợp mô hình nguyên tử của Rutherford với mô hình các lượng tử của Planck. Làm như vậy là ông đã đưa tính gián đoạn vào trong lòng của chính vật chất.

Cũng giống như ánh sáng, quỹ đạo của các electron trong nguyên tử dường như cũng có tính chất lượng tử. Bohr khẳng định rằng electron trong nguyên tử không thể chuyển động thế nào cũng được, mà phải theo các quỹ đạo xác định, ở các khoảng cách xác định so với hạt nhân, và với các năng lượng cũng rất xác định. Nói cách khác, bán kính của các quỹ đạo tròn của electron không thể biến thiên liên tục được nữa. Chúng chỉ có thể có một số giá trị rất xác định, gắn với hằng số Planck. Các quỹ đạo cách nhau những khoảng trống, như các bậc của một cái thang, chỉ khác là chúng không cách đều nhau. Đặc biệt, trong mỗi nguyên tử tồn tại một quỹ đạo gần hạt nhân nhất, được đặc trưng bởi một năng lượng tối thiểu và electron không thể phiêu lưu vượt ra ngoài nó. Điều này ngăn không cho nó đến gần nhân và rơi vào hạt nhân. Chính quỹ đạo giới hạn này đã ngăn không để cho cơ thể chúng ta bị suy sập hoàn toàn! Nhưng, trong khoa học, mọi mô hình lý thuyết chỉ có thể được chấp nhận nếu được kiểm chứng bằng thí nghiệm. Vậy làm thế nào có thể kiểm chứng tính gián đoạn bên trong nguyên tử? và một lần nữa ánh sáng lại tới giúp đỡ chúng ta, vì một nguyên tử có thể phát ra ánh sáng. Để xem xét ánh sáng của nguyên tử, cần phải thu được phổ của nó, nghĩa là phân tách nó thành các thành phần năng lượng khác nhau bằng cách cho nó đi qua một lăng kính, giống như Newton đã từng phân tách ánh sáng trắng của Mặt trời thành các dải màu từ tím đến đỏ. Ánh sáng của nguyên tử đã trình hiện một khía cạnh khá lạ lùng: phổ của nó không liên tục, mà bị băm ra thành rất nhiều vạch dọc.

Để làm ví dụ, ta hãy lấy ánh sáng nhìn thấy của nguyên tử hiđrô, nguyên tố hóa học đơn giản nhất (nó chỉ chứa một proton và một electron duy nhất quay xung quanh), nhẹ nhất và nhiều nhất trong vũ trụ. Phổ của nó trong miền nhìn thấy được đặc trưng bởi ba vạch màu: lam, lam-lục và đỏ (phổ thứ hai tính từ trên xuống của H. 2 trong tập ảnh màu). Bohr giải thích với chúng ta rằng các vạch này là sự biểu hiện trực tiếp của tính gián đoạn của các quỹ đạo electron trong nguyên tử hiđrô. Mỗi một vạch là kết quả của một sự giải phóng năng lượng. Một hạt ánh sáng được phát ra mỗi khi electron duy nhất “nhảy” (người ta gọi đó là những “bước nhảy lượng tử”) từ một quỹ đạo xa sang một quỹ đạo gần hạt nhân hơn (H. 34b). Năng lượng của hạt ánh sáng được giải phóng chính xác bằng hiệu năng lượng của quỹ đạo xuất phát và quỹ đạo đến. Chẳng hạn, vạch đỏ được sinh ra khi electron nhảy từ quỹ đạo thứ ba xa hạt nhân hơn sang quỹ đạo thứ hai, vạch lam-lục khi nó nhảy từ quỹ đạo thứ tư sang quỹ đạo thứ hai, và vạch lam khi nó nhảy từ quỹ đạo thứ năm về quỹ đạo thứ hai.

Khoảng cách của các vạch trong quang phổ là sự phản ảnh trung thực khoảng cách giữa các quỹ đạo của electron trong nguyên tử. Nói cách khác, sự phân bố các vạch phổ phản ảnh chính xác sự sắp xếp các quỹ đạo trong nguyên tử. Sự phân bố này là độc nhất đối với mỗi nguyên tử. Nó tạo ra một loại “dấu vân tay” của mỗi nguyên tố hóa học. Cũng giống như viên cảnh sát nhận dạng thủ phạm qua dấu vân tay đã vô ý để lại trên hiện trường vụ án, nhà thiên văn có kinh nghiệm nhận dạng được các thành phần hóa học của một thiên thể xa xôi nhờ phân bố các vạch trong quang phổ của nó. Và sở dĩ như vậy là vì tính gián đoạn của vật chất được phản ảnh trực tiếp trong tính gián đoạn của ánh sáng.

photon

Hình 34. Tương tác của ánh sáng với một nguyên tử. Mẫu Bohr của nguyên tử hiđrô gồm một hạt nhân (một proton) và một electron cho thấy điều gì xảy ra khi một nguyên tử hiđrô hấp thụ hoặc phát xạ một photon. Trong hình (a), photon bị nguyên tử hấp thụ, làm cho electron chuyển sang một quỹ đạo có năng lượng cao hơn. Trong hình (b), một photon được phát ra khi electron “nhảy” từ một quỹ đạo có năng lượng cao hơn sang một quỹ đạo có năng lượng thấp hơn.

Như vậy, chính bằng cách nghiên cứu quang phổ của các sao và thiên hà mà các nhà thiên văn học đã có thể phân tích thành phần hóa học của chúng và tái tạo lại lịch sử các nguyên tố trong quá trình tiến hóa của vũ trụ. Tuy vậy, triết gia theo trường phái thực chứng Auguste Comte (1798-1857) đã viết năm 1844 trong Chuyên luận triết học về thiên văn học đại chúng: “Vì chỉ các thiên thể chỉ được tiếp cận bằng mắt, nên rõ ràng là hiểu biết của chúng ta về những thiên thể đó là không hoàn hảo và chúng ta chỉ có thể đánh giá một cách xác đáng các hiện tượng đơn giản nhất và chung nhất, những thứ duy nhất có thể khám phá từ xa bằng thị giác. Chính sự hạn chế không tránh khỏi này đã không chỉ không cho phép chúng ta có được các tư biện về mặt hữu cơ mà cả các tư biện về mặt vô cơ đối với bản chất hóa học hay thậm chí cả bản chất vật lý của các thiên thể đó.”. Triết gia người Pháp này đã không thể nhầm lẫn nặng hơn. Ông đã không biết rằng chỉ chưa đầy năm mươi năm sau khi viết các dòng này, các nhà khoa học đã phát hiện được tính gián đoạn ngay trong lòng của vật chất và trong ánh sáng của các tinh tú. Ông đã không thể nhận thấy rằng, nhờ có tính gián đoạn này mà ánh sáng sao chứa một mật mã vũ trụ, chỉ cần các nhà thiên văn bắt được ánh sáng này và phân tách nó thành các thành phần năng lượng khác nhau là có thể giải mã và đọc được trong các quang phổ bản chất hóa học của các tinh tú xa xôi này.

Một thế giới đa sắc

Cũng chính nhờ tính gián đoạn của ánh sáng và của vật chất mà thế giới bao quanh chúng ta trở nên đa sắc. Chúng ta sống giữa một lễ hội các màu sắc. Hoa hồng và hoa tulíp làm chúng ta mê mẩn bởi các màu sắc sống động của chúng. Màu xanh của lá cây làm cho tâm hồn ta tươi mát. Ngọc lam đeo nơi cổ những người phụ nữ xinh đẹp khiến chúng ta ngây ngất. Màu sắc tinh tế của hoa súng trong tranh của Monet làm chúng ta rung cảm. Tuy nhiên, thế giới đa sắc màu này hoàn toàn không phải là do bản thân chúng ta một cách tiên nghiệm. Thật vậy, chúng ta tiếp xúc thị giác với tất cả những gì xung quanh mình bằng trò chơi của ánh sáng và vật chất. Ban ngày, phần lớn kinh nghiệm của con người chúng ta đều bắt nguồn từ những phản xạ của ánh sáng mặt trời trên các vật của cuộc sống hàng ngày. Nhưng ánh sáng mặt trời lại là màu trắng. Nếu các vật chỉ an phận phản xạ thứ ánh sáng trắng này thì mọi thứ chắc sẽ trình hiện trước mắt chúng ta chỉ với một màu trắng đồng đều và đơn điệu. Vậy thì tại sao hoa hồng lại có màu hồng, lá màu xanh, phấn màu trắng? Tại sao các vật trong cuộc sống hằng ngày lại xuất hiện trước mắt chúng ta dưới các màu sắc khác nhau?

Câu trả lời nằm trong bản chất gián đoạn của các quỹ đạo của electron trong nguyên tử cấu tạo nên vật chất. Thế giới trình hiện trước mắt ta sẽ có màu trắng nếu các vật chỉ phản xạ một cách thụ động ánh sáng mặt trời. Nhưng thực tế hoàn toàn không phải như vậy. Ánh sáng mặt trời tương tác với các nguyên tử của vật được chiếu sáng và bị thay đổi.

Trước hết cần phải nhắc lại rằng, bằng chiếc lăng kính, Newton đã chứng tỏ được rằng ánh sáng trắng không phải là không phân chia được, mà nó là một hỗn hợp các màu theo trật tự năng lượng tăng dần của các hạt ánh sáng từ đỏ đến tím qua da cam, vàng, lục, lam và chàm. Một số các màu này bị các nguyên tử của vật được chiếu sáng hấp thụ. Thật vậy, hoa hồng hấp thụ màu lam và màu tím; nó chỉ phản xạ màu đỏ, màu đỏ này hòa trộn với màu trắng để cho ra đời màu hồng của hoa hồng làm vui mắt chúng ta. Tại sao hoa hồng lại đặc biệt ưa thích màu lam và màu tím như thế? Đấy là do sự sắp xếp các quỹ đạo của electron trong các nguyên tử và phân tử tạo thành các cánh hoa này. Để một nguyên tử hay một phân tử có thể hấp thụ ánh sáng, thì nó phải có các quỹ đạo được sắp xếp sao cho sự khác nhau của chúng về năng lượng đúng bằng năng lượng của các hạt ánh sáng thuộc một màu nào đó. Khi một hạt ánh sáng bị hấp thụ, electron thực hiện một cú nhảy lượng tử từ một quỹ đạo có năng lượng thấp, gần hạt nhân của nguyên tử, sang một quỹ đạo khác có năng lượng cao hơn và ở xa hạt nhân hơn, như vậy, năng lượng của ánh sáng bị hấp thụ đúng bằng sự chênh lệch năng lượng của hai quỹ đạo này (H. 34a). Trong trường hợp hoa hồng, một số quỹ đạo của electron trong các nguyên tử của hoa hồng được sắp xếp sao cho hiệu năng lượng của chúng tương ứng rất chính xác với năng lượng của các màu lam và tím. Điều này giải thích tại sao chính các màu này bị hấp thụ. Ngược lại, không tồn tại các quỹ đạo mà hiệu năng lượng của chúng tương ứng chính xác với năng lượng của màu đỏ, do đó màu đỏ không bị hấp thụ - và vì thế hoa hồng có màu hồng.

Về phần mình, các quỹ đạo của electron trong các phân tử diệp lục của lá cây được phân bố sao cho nó có thể hấp thụ màu đỏ và màu lam, nhưng không hấp thụ màu lục, điều này làm cho lá cây có thể làm mê mẩn chúng ta bằng bộ lá xanh của chúng. Tương tự, phấn có màu trắng bởi vì nó được cấu thành từ các phân tử mà quỹ đạo của chúng được sắp xếp sao cho chúng không thể hấp thụ bất kỳ một năng lượng nào trong số những năng lượng của màu cầu vồng. Tất cả các màu của ánh sáng ban ngày đều bị phản xạ nên chúng ta thấy phấn và tường được quét vôi có màu trắng.

Sở dĩ chúng ta thoát được ra khỏi một thế giới buồn tẻ nơi các cánh bướm sặc sỡ hay các quả táo màu cam và hoa cẩm quỳ của Cézane sẽ không còn nữa, chính là nhờ tính gián đoạn ngay trong lòng của vật chất và ánh sáng, và nhờ sự đa dạng tuyệt vời của cấu trúc nguyên tử và phân tử cấu tạo nên vật chất.

Một hạt ánh sáng giao thoa với chính nó

Khái niệm hạt ánh sáng hay “photon” theo Planck, Einstein và Bohr đã cho phép giải thích được bức xạ của các vật nóng cũng như hành trạng của các electron được kim loại phát ra dưới tác dụng của ánh sáng. Nó giải thích được ánh sáng của các nguyên tử và các vạch thẳng đứng hiện trên nền phổ của chúng. Nó nói cho chúng ta biết tại sao chúng ta lại sống trong một thế giới đa sắc. Quan niệm của Newton hơn ba trăm năm trước theo đó ánh sáng là một chùm các hạt lại rầm rộ xuất hiện ở tiền cảnh của sân khấu. Tuy nhiên, trên đời này không phải mọi thứ đều hoàn hảo. Lý thuyết hạt ánh sáng đã từng bị Huygens, Euler, Fresnel, Faraday và Maxwell tấn công và đánh bại trong suốt nhiều thế kỷ trước. Họ đã lớn tiếng tuyên bố rằng ánh sáng xử sự như một sóng. Sự chứng minh không thể chối cãi và cũng là ấn tượng nhất về bản chất sóng này là thí nghiệm hai khe của Thomas Young năm 1803. Như chúng ta đã thấy, khi hòa trộn ánh sáng với ánh sáng và phóng chiếu kết quả lên một màn hình, Young đã thu được không chỉ các dải sáng, mà cả các dải không có tí ánh sáng nào. Sự xen kẽ này của các dải tối và dải sáng, được gọi là các “vân giao thoa”, chỉ có thể giải thích được nếu ánh sáng là một sóng. Các vân tối ứng với những chỗ trên màn ở đó hai sóng “ngược pha” nhau - nghĩa là đỉnh của một sóng đi qua một khe đến đồng thời với hõm của một sóng khác đi qua một khe khác -, làm cho hai sóng ở đó triệt tiêu nhau hoàn toàn. Ngược lại, các vân sáng ứng với những chỗ ở đó các sóng đến “cùng pha” - nghĩa là đỉnh của một sóng đến đồng thời với đỉnh của một sóng khác làm cho hai sóng ở đó tăng cường lẫn nhau.

Nhưng làm thế nào giải thích được các vân giao thoa của Young nếu ánh sáng có bản chất hạt? Bằng cách nào một hạt ánh sáng lại có thể tự triệt tiêu khi tương tác với chính nó hoặc với các hạt ánh sáng khác? Để thấy rõ bản chất sự việc, chúng ta một lần nữa xét thí nghiệm khe Young nhưng xem ánh sáng không phải như một sóng mà như một chùm các hạt.

Một chùm ánh sáng chiếu tới một bức vách trên đó có hai khe thẳng đứng giống hệt nhau. Ánh sáng đi qua bức vách được ghi lại trên một tấm kính ảnh khi một khe đóng còn khe kia mở, và khi cả hai khe cùng mở. Trước hết, hãy đóng khe bên phải và mở khe bên trái. Như ta đã dự liệu trước, trên kính ảnh cho thấy một dải ánh sáng không đồng đều ở vị trí nằm trên trục nối khe bên trái với nguồn sáng. Cường độ ánh sáng lớn nhất ở giữa của dải và giảm dần về hai mép. Bây giờ chúng ta đóng khe bên trái và mở khe bên phải. Kính ảnh khi này được chiếu sáng, như nó phải thế, ở vị trí nằm trên trục nối khe bên phải với nguồn sáng. Đến đây vẫn chưa có gì đặc biệt. Nhưng mọi chuyện chỉ trở nên kỳ lạ khi chúng ta mở đồng thời hai khe. Chúng ta có thể sẽ hồn nhiên nghĩ rằng ảnh thu được trên tấm kính ảnh đơn giản chỉ là phép cộng hai ảnh trước, nghĩa là nó cho thấy hai dải sáng ở các vị trí nằm trên trục nối nguồn sáng và hai khe. Nhưng như Young đã chứng tỏ, thực tế lại không phải như vậy. Khi hai khe được mở đồng thời, trên tấm kính ảnh thu được không phải là hai dải sáng song song, mà là một dãy các dải thằng đứng xen kẽ giữa sáng và tối (H. 35). Theo Young, không nghi ngờ gì nữa, chỉ có bản chất sóng của ánh sáng mới có thể giải thích được các vân giao thoa kỳ lạ này, các dải sáng được sinh ra từ các sóng cùng pha, còn các vùng tối từ các sóng ngược pha.

Nhưng nếu đi theo con đường của Einstein và Bohr, và nếu chúng ta giả định rằng ánh sáng được tạo thành từ các hạt, liệu chúng ta có thể nghĩ rằng các vân giao thoa là kết quả của sự tương tác của các photon đi qua khe này với các photon khác đi qua khe kia không? Sự kỳ lạ của thế giới nguyên tử và dưới nguyên tử thậm chí cũng không cho phép chúng ta đưa ra giả thiết hoàn toàn tự nhiên đó. Thật vậy, chúng ta có thể lặp lại thí nghiệm Young nhưng giảm dần cường độ của nguồn sáng, cho tới khi phát ra các photon đơn lẻ. Vậy mà, ngay cả khi chúng ta cho từng photon lần lượt đi qua hai khe, ví dụ cứ mỗi năm giây một photon, thì ảnh thu được trên tấm kính ảnh cũng không thay đổi: các vân giao thoa vẫn luôn hiện hữu. Chừng nào chúng ta vẫn còn kiên nhẫn thực hiện thí nghiệm đủ lâu để một số lượng lớn các photon (một triệu, chẳng hạn) đập vào kính ảnh, mỗi một photon để lại ở đó một vết điểm, và các điểm này sẽ tổ chức với nhau để vẽ nên các vân giao thoa đẹp. Hiện tượng này thực sự là phi lý và mâu thuẫn với lương tri của chúng ta. Bằng cách nào các photon đơn lẻ đi qua các khe ở những thời điểm khác nhau và đập một cách riêng rẽ vào tấm kính ảnh lại có thể hành động cùng nhau để sinh ra các dải kế tiếp tối và sáng đặc trưng của các vân giao thoa? Logic nói với chúng ta rằng mỗi photon phải đi qua hoặc là khe phải hoặc là khe trái. Chúng không thể giao thoa với chính chúng, và ta chỉ có thể thu được hai dải sáng trên kính ảnh tập trung ở hai vị trí nằm trên trục nối hai khe và nguồn sáng. Vậy mà thực tế lại không phải thế.

Hình 35. Thí nghiệm khe Young với các photon đơn lẻ. Vật lý cổ điển tiên đoán rằng nếu các photon đơn lẻ đi qua hai khe song song trên vách, chúng sẽ phải sinh ra trên màn đặt sau vách hai dải sáng song song (hình trái). Nhưng thí nghiệm lại luôn cho thấy một dãy các dải xen kẽ sáng và tối gọi là các “vân giao thoa” (hình phải). Điều đó chỉ có thể hiểu được nếu một photon đơn lẻ đi qua hai khe cùng một lúc.

Nhưng thế vẫn chưa hết. Các photon còn đập mạnh hơn và nhạo báng logic hơn nữa! Nếu chúng ta xem xét kỹ hơn thí nghiệm hai khe, hành trạng của các hạt ánh sáng còn tỏ ra kỳ lạ hơn nữa. Hãy đóng khe bên phải và phóng lần lượt các photon theo hướng đến khe trái. Một số sẽ đi qua khe, một số khác không. Các tác động điểm của các photon đi qua tạo thành trên kính ảnh một dải sáng. Bây giờ hãy mở đồng thời hai khe. Các vân giao thoa xuất hiện, các dải sáng xen kẽ với các dải tối. Nhưng điều kỳ lạ là ở chỗ: các dải tối lại xuất hiện trên kính ảnh ở các vị trí được chiếu sáng khi chỉ có khe trái được mở. Nói cách khác, tác dụng của các photon đơn lẻ đi qua khe trái, khi khe phải đóng, sẽ bị triệt tiêu khi hai khe cùng mở! Lương tri của chúng ta lại một lần nữa bị thử thách khốc liệt!

Như vậy, hành trạng của một photon không như nhau tùy theo chỉ một khe hay cả hai khe cùng mở. Điều này làm lung lay quan niệm cho rằng hạt ánh sáng giống như một hạt mỗi lần chỉ đi qua một khe. Để giải thích ảnh hưởng của khe bên cạnh, chúng ta buộc phải kết luận, như nhà vật lý học người Anh, Paul Dirac (1902-1984), một trong những cha đẻ của cơ học lượng tử, rằng photon đi qua cả hai khe đồng thời, hay nói cách khác, nó “giao thoa với chính nó”.

Một vô hạn các con đường

Nhà vật lý học người Mỹ, Richard Feynman (1918-1988), một trong số những người tài năng nhất của thế hệ ông và một trong những người sáng tạo nhất của thế kỷ XX, đã đẩy lên đến cực điểm quan niệm về photon đi qua đồng thời hai khe này. Theo ông, chúng ta phải loại bỏ hoàn toàn quan niệm của vật lý học cổ điển cho rằng để đi từ A đến B, photon đi theo một và chỉ một con đường, nó có một và chỉ một lịch sử. Trên thực tế, photon đi theo tất cả các con đường khả dĩ. Nó có vô số lịch sử. Có một xác suất nào đó để nó đi theo con đường ngắn nhất và trực tiếp nhất, nhưng cũng có một xác suất khác không để nó phiêu lưu theo một con đường dài hơn và cầu kỳ hơn, với tất cả các đường zíc-zắc và vòng vèo có thể tưởng tượng ra được. Cũng có thể là nó đi theo các con đường trung gian. Giống như để đi bằng xe hơi từ Paris đến Nice, bạn không đi một đường duy nhất trực tiếp qua xa lộ phía Nam, mà đồng thời đi theo tất cả các lộ trình khả dĩ khác. Có một lộ trình vòng lên phía Bắc để đi qua Lille, rồi lại ngoặt sang phía tây để qua Rouen; một lộ trình khác trình tiến về phía Đông để qua Strasbourg; và một lộ trình nữa đi qua tất cả các thành phố lớn của Pháp... Các khả năng là vô hạn, vì tất cả các con đường đều dẫn đến Rome (hay đến Nice trong trường hợp này).

Lập luận dẫn Feynman đến nhận định này rất rõ ràng. Trong thí nghiệm hai khe của Young, trên vách có hai khe và photon đi qua đồng thời cả hai khe này. Nhưng, thay vì hai khe, giả định rằng chúng ta khoét bốn khe. Vẫn logic ấy nói với chúng ta rằng photon sẽ đi qua cả bốn khe. Nếu chúng ta có khoét một trăm khe, thì sẽ có một trăm con đường khả dĩ, và cứ tiếp tục như vậy. Chúng ta có thể hình dung rằng chúng ta chia bức vách thành một số tăng dần các khe, cho tới khi các khe chồng chập lên nhau, và không còn bức vách nữa. Với bức vách và các khe đã ra ngoài cuộc chơi, Feynman hiểu rằng, để giải thích hành trạng của một photon khi nó đi từ A đến B, cần phải cộng cho nó tất cả các xác suất gắn với mỗi một hành trình khả dĩ. Nói cách khác, ông phải lấy tổng theo tất cả các lịch sử khả dĩ của photon. Chắc chắn, một số lịch sử này có xác suất lớn hơn hơn một số lịch sử khác. Các hành trình ngắn nhất, những hành trình ở gần đường thẳng nối A và B nhất có khả năng xảy ra cao nhất. Xác suất của các hành trình này sẽ tăng cường lẫn nhau. Trái lại, các con đường phức tạp nhất và khác xa con đường thẳng từ A đến B nhất là ít khả năng xảy ra nhất. Xác suất của chúng sẽ triệt tiêu nhau gần như hoàn toàn và đóng góp ít vào tổng. Điều này giải thích đường đi gần như là thẳng tuyệt đối của ánh sáng. Nhưng, như Feynman nói: “Trên thực tế, ánh sáng không chỉ lan truyền theo đường thẳng. Nó “đánh hơi” và cũng đi quanh đường thẳng, choán một thể tích không gian rất nhỏ xung quanh đường thẳng”. Khi sử dụng phương pháp trên - phương pháp lấy tổng theo lịch sử, - Feynman đã xây dựng thành công một lý thuyết - có tên là điện động lực học lượng tử - giải thích được một cách cực kỳ chính xác hành trạng của ánh sáng và tương tác của nó với vật chất. Trong lý thuyết đó, ánh sáng cũng đóng vai trò quan trọng trong tương tác giữa hai hạt vật chất, như hai electron chẳng hạn. Thực tế, các hạt này tương tác với nhau thông qua sự trao đổi các photon. Chính nhờ công trình này mà Feynman đã được trao giải Nobel Vật lý năm 1965 cùng với nhà vật lý người Mỹ, Julian Schwinger (1918-1994) và nhà vật lý Nhật Bản, Shinichiro Tomonaga (1906-1979). Cần ghi nhớ rằng cơ học lượng tử đã buộc chúng ta phải mở rộng một cách đáng kể khái niệm cổ điển quákhứ và lịch sử. Chúng ta sẽ còn quay lại các khái niệm này.

Lưỡng tính sóng - hạt

Thí nghiệm khe Young tiết lộ cho chúng ta biết rằng các hạt ánh sáng của Einstein khác căn bản với các hạt của Newton. Newton đã quan niệm hạt ánh sáng như các hạt đơn thuần thoát ra từ nguồn sáng, giống như viên đạn bắn ra từ nòng súng. Trái lại, sự hiện diện của các vân giao thoa và hành trạng của photon thay đổi tùy theo một khe khác có được mở hay đóng nói với chúng ta rằng các hạt ánh sáng của Einstein cũng có vẻ sóng. Vả lại, việc năng lượng của một photon phụ thuộc vào tần số của ánh sáng vốn làm chúng ta khó chịu, vì khái niệm về tần số thường chỉ gắn với một sóng. Như vậy, chúng ta phải chấp nhận rằng ánh sáng có hai khuôn mặt giống như Janus; nó vừa là sóng vừa là hạt, nghĩa là nó có bản chất lưỡng tính.

Một câu hỏi đắt giá được đặt ra! Khi nào ánh sáng khoác chiếc áo sóng và trong những hoàn cảnh nào nó chưng ra bộ áo hạt? Câu trả lời rất đơn giản: ánh sáng là sóng khi chúng ta không đo nó, khi chúng ta không dò bắt nó; nhưng, ngay khi chúng ta sử dụng một máy dò (detector) để xác định các tính chất của nó, nó liền biến thành hạt. Chúng ta biết điều này một lần nữa nhờ thí nghiệm khe Young.

Hãy đặt một máy dò ánh sáng ngay sau một trong hai khe để theo dõi photon đi qua. Trong thí nghiệm thứ nhất, máy dò không được bật. Trong trường hợp này, các vân giao thoa xuất hiện trên màn hình, và chúng ta biết rằng ánh sáng khoác chiếc áo sóng. Bây giờ chúng ta hãy cho máy dò hoạt động. Ngay lập tức, hai dải ánh sáng xuất hiện trên màn đặt sau các khe; các vân giao thoa không còn ở đó nữa. Vậy là ánh sáng khoác chiếc áo hạt. Trong trường hợp thứ nhất, bởi vì các máy dò không hoạt động, nên chúng ta không biết mỗi photon đi qua khe nào, khe trái hay khe phải; trong trường hợp thứ hai, vì các máy dò hoạt động, nên chúng ta biết được điều đó. Để thay đổi bộ dạng của các photon, chúng ta chỉ cần cho máy dò hoạt động. Nói cách khác, người quan sát ở đây đóng một vai trò trung tâm. Trong thế giới các nguyên tử, chính người quan sát tạo ra hiện thực. Hiện thực nguyên tử và dưới nguyên tử không còn là khách quan nữa, mà là chủ quan. Giống như Salomon , chúng ta không thể nói dứt khoát: vì ánh sáng vừa là sóng vừa là hạt. Quan điểm của Einstein (ánh sáng được tạo thành từ các hạt năng lượng) cũng đúng như quan điểm của Huygens, Young, Fresnel, Faraday và Maxwell (ánh sáng có bản chất sóng). Hai cách mô tả không loại trừ nhau, mà bổ sung cho nhau. Đó chính là điều mà Bohr gọi là “nguyên lý bổ sung”.

Nhưng tự nhiên vẫn chưa hết làm chúng ta ngạc nhiên và làm ngược với trực giác của chúng ta. Tự nhiên, không chỉ trao cho ánh sáng một bản chất lưỡng tính, mà còn cấp cho ánh sáng vật chất. Còn kì lạ hơn thế, các viên gạch vật chất - electron, proton và nơtron -, mà chúng ta tin chắc chắn là thuộc đội ngũ các hạt, lại cũng có các dáng vẻ sóng! Năm 1923, một nhà vật lý trẻ người Pháp, hoàng tử Louis de Broglie (1892-1987), là người đầu tiên đã đưa ra quan niệm rằng vật chất cũng phải có một hành trạng sóng. Lập luận của ông đơn giản và như có thần cảm. Einstein đã dạy chúng ta bằng công thức E = mc2, công thức nổi tiếng nhất trong toàn bộ lịch sử vật lý, rằng khối lượng m của vật chất liên hệ với năng lượng E của nó bằng bình phương vận tốc c của ánh sáng. Mặt khác, Planck và Einstein nói với chúng ta rằng năng lượng này lại liên hệ với tần số của một sóng. Điều này dẫn tới hệ quả là vật chất cũng có bản chất sóng, với một bước sóng hay một tần số gắn liền với nó.

Quan điểm này vẫn chỉ là lý thuyết cho tới giữa những năm 1920, khi hai nhà vật lý người Mỹ làm việc tại Công ty Điện thoại Bell Laboratories, là Clinton Davisson (1881-1958) và Lester Germer (1896-1971), đã tiến hành các thí nghiệm khe Young, nhưng không phải với một chùm ánh sáng, mà là với chùm electron. Thay vì cho chùm electron đi qua hai khe trên vách, hai nhà vật lý bắn chúng vào các tinh thể nickel, các hàng nguyên tử nickel ở bên trong các tinh thể này đóng vai trò như các khe Young. Còn ảnh kính được thay bằng một màn hình lân quang ghi sự va đập của một electron bằng một điểm sáng giống như màn hình ti vi. Kết quả thật đáng chú ý: ngay cả khi bắn từng electron một vào tinh thể nickel, các electron vẫn vẽ nên trên màn hình các vân giao thoa với các vùng tối và sáng xen kẽ nhau. Không nghi ngờ gì nữa vật chất cũng có một bản chất sóng. Các electron và các phần tử cấu thành khác của vật chất tương tác với chính chúng, triệt tiêu nhau ở một số vị trí và tăng cường nhau ở một số vị trí khác; chúng xử sự đúng như các photon. Trực giác thiên tài của Broglie đã được kiểm chứng, và giải Nobel Vật lý đã được trao cho ông năm 1929. Còn Davisson và Germer tám năm sau cũng được nhận giải Nobel.

Ngẫu nhiên ở ngay trong lòng nguyên tử

Với phát minh ra phương trình sóng cho một hạt vào năm 1925, phương trình ngày nay mang tên ông, nhà vật lý học người Áo, Erwin Schrôdinger (1887-1961) đã đặt cơ sở toán học vững chắc cho trực giác thiên tài của de Broglie. Các nhà vật lý học đã nhanh chóng sử dụng phương trình Schrôdinger để tính toán các tính chất của thế giới dưới nguyên tử: cấu trúc của nguyên tử, các mức năng lượng của electron, và tất cả những gì diễn ra ở đó. Các kết quả thu được luôn luôn phù hợp với quan sát. Như vậy, vật chất chắc chắn là có các dáng vẻ của sóng. Nhưng một câu hỏi vẫn còn bỏ ngỏ: đó là sóng của một hạt nghĩa là gì?

Một sóng được mô tả ở mỗi một thời điểm bởi một dãy các con số. Thật vậy, đối với một sóng ánh sáng, dãy số thể hiện cường độ và phương chiều của điện trường và từ trường ở mỗi một điểm của không gian. Nhưng khi đó là một electron (hay các hạt khác), đại lượng dao động và biến thiên như một sóng nước là gì?

Schrôdinger nghĩ rằng phương trình của ông mô tả các electron “trải” ra trong toàn bộ không gian, như các sóng tròn do một viên đá ném xuống ao tạo ra và lan khắp mặt ao. Nhưng giả thiết này không có ý nghĩa gì, bởi vì chúng ta không quan sát được các mẩu của electron, một phần ba electron ở đây hay một nửa electron ở kia, phân tán trong không gian! Các sóng electron rõ ràng không phải là các sóng vật chất. Cuối cùng, nhà vật lý học người Đức, Max Born (1882-1970) mới là người tìm ra câu trả lời đúng đắn vào năm1926: theo ông, sóng được mô tả bằng phương trình Schrôdinger hoàn toàn không phải là một sóng cụ thể được tạo thành từ vật chất, mà là một sóng trừu tượng, được tạo ra bởi các xác suất.

Quan điểm của Born thách thức lương tri của chúng ta, như chúng ta sẽ thấy khi xem xét tình huống sau. Trong trò chơi bi, một viên bi được bắn vào một viên khác đang đứng yên. Sau khi va chạm, hai viên bi đi theo hai hướng và với các vận tốc khác nhau. Các hướng và vận tốc này có thể được tính toán một cách chính xác bằng các định luật cơ học cổ điển của Newton, nếu biết lực tác dụng vào viên bi thứ nhất và hướng mà nó được bắn đi. Bây giờ hãy thay viên bi thứ nhất bằng một electron và viên thứ hai đứng yên bằng một nguyên tử. Hãy bắn electron vào nguyên tử. Sau khi va chạm với nguyên tử, đường đi của electron không còn được xác định nữa. Nhưng, bằng phương trình Schrôdinger, người ta có thể tính xác suất gặp electron ở một điểm nào đó. Born nói với chúng ta rằng xác suất này bằng bình phương của biên độ sóng. Cơ may gặp electron sẽ lớn nhất ở các đỉnh (hoặc hõm) sóng, và nhỏ nhất ở các nút sóng (nơi có biên độ bằng không). Nhưng, ngay cả ở các đỉnh sóng, bạn cũng không bao giờ biết chắc chắn là sẽ nhìn thấy electron. Có thể là hai trong ba lần (xác suất 66%) hay bảy trong mười lần (xác suất 70%), nhưng xác suất này không bao giờ là 100%.

Ngẫu nhiên ở đây rầm rộ bước vào thế giới nguyên tử. Nhưng ngẫu nhiên này khác với ngẫu nhiên của thế giới vĩ mô. Ai trong chúng ta cũng đều đã quen với các trò chơi may rủi trong thế giới hàng ngày. Khi chúng ta chơi cá ngựa, khi chúng ta gieo đồng xu hoặc một con súc sắc lên bàn, hay khi chúng ta chơi trò cò quay (ru-lét) ở sòng bạc, là chúng ta đều nói đến xác suất. Chẳng hạn, xác suất để một đồng xu rơi sấp hoặc ngửa là 50%, hay xác suất để con súc sắc rơi hiện một trong các mặt của nó là 1/6 (tức 16,6%). Nhưng, trong các trường hợp này, ngẫu nhiên chỉ đơn thuần là sự phản ánh sự hiểu biết không đầy đủ của chúng ta. Về nguyên tắc, nếu chúng ta biết chính xác vị trí ban đầu của đồng xu, lực tung đồng xu, lực cản của không khí,... thì bằng các định luật của cơ học cổ điển chúng ta có thể xác định chính xác đồng tiền sẽ rơi sấp hay ngửa. Tương tự, nếu chúng ta có một hiểu biết hoàn hảo về chuyển động của các ru-lét ở sòng bạc, của các viên bi và sự tương tác giữa chúng, và chúng ta có các máy tính đủ mạnh để thực hiện các phép tính cần thiết, thì về nguyên tắc chúng ta có thể biết trước viên bi sẽ đi vào đâu trong ba mươi bảy ngăn của bánh xe. Đó là điều mà nhà vật lý người Pháp, Pierre Simon de Laplace đã muốn thể hiện trong trích đoạn nổi tiếng đã trở thành tín điều của quyết định luận: “Một trí tuệ, ở một thời điểm đã cho, nếu biết tất cả các lực thúc đẩy tự nhiên và hoàn cảnh của từng sinh vật cấu thành tự nhiên, và nếu trí tuệ ấy đủ lớn để có thể phân tích tất cả các dữ liệu này, thâu tóm chúng trong cùng một công thức về chuyển động của các vật lớn nhất của vũ trụ cũng như các vật nhẹ nhất như các nguyên tử; thì sẽ không có gì là bất định đối với nó, đồng thời tương lai cũng như quá khứ đều trình hiện trước mắt nó”. Nói cách khác, nếu chúng ta biết chính xác các định luật của vũ trụ cũng như trạng thái ở thời điểm ban đầu của nó, thì chúng ta có thể tiên đoán chính xác trạng thái của vũ trụ ở bất kỳ thời điểm nào sau đó. Nhưng, ngay cả khi biết rõ các định luật vật lý một cách hoàn hảo đi nữa, thì chúng ta cũng chỉ có thể biết được trạng thái ban đầu một cách gần đúng, và do đó chúng ta không thể nói trước được đồng tiền sẽ rơi sấp hay ngửa, cũng chẳng thể biết được số của bánh xe mà viên bi sẽ rơi vào. Chính vì thế mà chúng ta nói đến ngẫu nhiên. Vả lại để vét sạch túi của bạn, các sòng bạc dựa trên một thực tế là bạn sẽ không bao giờ biết đầy đủ về tình trạng ban đầu và do đó bạn không thể dự báo được con số sẽ xuất hiện để mà đặt tiền vào đó. Trong thế giới vĩ mô, ngẫu nhiên là một cái tên khác của sự hiểu biết không đầy đủ của bạn về sự vật hiện tượng. Trái lại, trong thế giới dưới nguyên tử, khái niệm ngẫu nhiên có một bản chất cơ bản hơn. Nó không gắn với một sự hiểu biết không đầy đủ, mà đã được ghi sẵn trong lòng của chính các nguyên tử. Trước khi quan sát, chúng ta không bao giờ có thể nói được rằng electron nằm ở vị trí nào. Chúng ta chỉ có thể nói rằng electron có một xác suất nào đó nằm ở vị trí này hay khác.

Một con mèo lơ lửng giữa sống và chết

Sự bùng phát của ngẫu nhiên trong thế giới nguyên tử là điều chẳng mấy thích thú đối với một số nhà vật lý. Erwin Schrôdinger, cha đẻ của hàm sóng giúp ta định lượng được ngẫu nhiên thông qua tính toán các xác suất, đã từ chối chấp nhận sự mô tả hiện thực bằng các tiềm năng chỉ được vật chất hóa khi quan sát. Bằng chứng là lời thốt lên từ trái tim của ông: “Tôi sẽ rất lấy làm tiếc nếu một ngày nào đó tôi bị trộn lẫn vào thuyết lượng tử!” Và ông miệt mài đi tìm các ví dụ trong cuộc sống hàng ngày để chứng tỏ rằng việc tư duy về hiện thực thông qua các xác suất, như cơ học lượng tử làm, chỉ có thể dẫn đến các kết luận phi lý. Và thế là ra đời câu chuyện về con mèo nổi tiếng của ông.

Chúng ta hãy tưởng tượng, ông nói, một con mèo bị nhốt trong một phòng với một lọ thuốc độc xianua. Bên trên bình thuốc độc có một cái búa được điều khiển bằng một chất phóng xạ mà các hạt nhân của nó tự phát phân rã sau một khoảng thời gian nào đó. Khi hạt nhân đầu tiên phân rã, cái búa sẽ rơi xuống và làm vỡ bình, giải phóng xianua đầu độc chết con mèo. Cho tới lúc này thì vẫn chưa có gì là đặc biệt. Nhưng các vấn đề sẽ nổi lên ngay khi chúng ta tiên đoán về số phận của con mèo. Thực tế, sự sống của con mèo phụ thuộc vào lần phân rã đầu tiên. Vậy mà, theo cơ học lượng tử, sự sống này chỉ có thể được mô tả bằng xác suất: có 50% cơ hội để một nhân phân rã (hoặc không phân rã) sau một giờ. Chừng nào chúng ta chưa vào trong phòng để kiểm tra xem con mèo đã chết hay còn sống, thì chúng ta chỉ có thể nói rằng sau một giờ con mèo là một tổ hợp của 50% mèo chết và 50% mèo sống. Bất định luận của thế giới dưới nguyên tử đã lan toả sang cả thế giới vĩ mô. Schrôdinger không thể chấp nhận một mô tả như thế về thế giới. Theo ông, con mèo hoặc sống, hoặc chết. Nó không thể đồng thời vừa sống vừa chết.

Trong cuộc chiến chống lại cách giải thích xác suất của cơ học lượng tử, Schrôdinger có thể trông cậy vào một đồng minh lớn, đó là Einstein. Là một người theo quyết định luận kỳ cựu, Einstein cũng bác bỏ quan điểm cho rằng các thành tố cơ bản của thế giới lại xử sự theo cách về cơ bản là có tính xác suất. Einstein tin rằng cơ học lượng tử là chưa đầy đủ, hoặc là đã đi sai đường. Niềm tin ấy được ông thể hiện mạnh mẽ trong câu nói nổi tiếng: “Chúa không chơi trò súc sắc!”.

Thế nhưng không phải cơ học lượng tử, với cách mô tả hiện thực thông qua các xác suất, mà là chính Schrôdinger và Einstein mới sai lầm. Cơ học lượng tử là một lý thuyết đúng đắn. Từ khi ra đời đến nay, nó đã luôn được kiểm chứng bằng thực nghiệm trong các hoàn cảnh khác nhau nhất. Còn về nghịch lý con mèo của Schrôdinger, lý thuyết mất kết hợp (décohérence) có thể mang lại một phần câu trả lời, như chúng ta sau này sẽ thấy dưới đây. Chúng ta phải chấp nhận thực tế là, trong thế giới nguyên tử, ngẫu nhiên có tác dụng giải phóng cơ học lượng tử đã giữ vai trò thống trị và quyết định luận đã từng gò bó cơ học cổ điển đã không còn đất tồn tại nữa. Mô hình nguyên tử của Bohr, trong đó các electron ngoan ngoãn quay quanh nhân theo các quỹ đạo chính xác, giống như cách các hành tinh quay quanh Mặt trời, đã tan vỡ thành mây khói. Nguyên tử giờ đây phải được hiểu như một không gian gần như trống rỗng trong đó các electron nhảy múa và lượn quanh một hạt nhân rất nhỏ, phô bày chiếc áo sóng của nó và choán toàn bộ không gian trống rỗng của nguyên tử. Vì không còn phải chịu sự bức chế cứng nhắc của thế giới quyết định luận, ở đó mỗi một electron phải cho biết một cách chính xác vị trí và tốc độ của mình, giờ đây các electron khoác chiếc áo sóng cùng một lúc hiện diện ở khắp nơi trong phòng khiêu vũ rộng lớn của nguyên tử.

Một bất định cơ bản

Nhưng thế vẫn chưa hết những điều kỳ lạ của cơ học lượng tử. Nó vẫn còn rất nhiều trò khác. Ngay cả khi bạn đặt một máy dò để quan sát các electron và khi đó chúng biến hình thành hạt, thì bạn cũng không bao giờ xác định được chính xác cùng lúc vận tốc và vị trí của chúng. Lý do nằm ở hành động quan sát và chính bản chất của ánh sáng. Bản chất của ánh sáng nhập cuộc vì, để quan sát một electron (hay mọi hạt khác), cần phải chiếu sáng nó bằng một chùm photon. Vậy mà, Planck và Einstein nói với chúng ta rằng mỗi một photon có năng lượng tỉ lệ thuận với tần số của ánh sáng, và tỷ lệ nghịch với với bước sóng. Bước sóng là khoảng cách giữa hai đỉnh hoặc hai hõm liên tiếp của sóng ánh sáng, và quyết định mức độ chính xác mà chúng ta có thể định vị được electron. Năng lượng càng yếu thì bước sóng càng dài, và vị trí của electron càng không chính xác. Ngược lại, năng lượng càng cao thì sóng càng ngắn, và vị trí của electron càng chính xác. Để xác định chính xác vị trí của một electron, do đó cần phải chiếu sáng nó bằng một ánh sáng có năng lượng lớn (như tia X hay tia gamma, chẳng hạn). Nhưng chỉ riêng vị trí của electron thôi thì chưa đủ để mô tả nó. Chúng ta còn cần phải biết chuyển động bằng cách đo vận tốc của nó. Nhưng khi bắn electron bằng photon có năng lượng lớn, chúng ta sẽ làm nhiễu động chuyển động của nó. Và năng lượng của photon càng lớn thì sự nhiễu động này cũng càng lớn.

Như vậy chúng ta vấp phải một tình thế lưỡng nan: hoặc chúng ta đo vị trí chính xác của electron bằng cách chiếu nó bằng một ánh sáng có năng lượng lớn và sẽ phải từ bỏ việc đo chính xác vận tốc của nó; hoặc là chúng ta đo vận tốc của nó chính xác nhất có thể bằng cách chiếu nó bằng một ánh sáng có năng lượng nhỏ nhất có thể và từ bỏ việc xác định vị trí của nó một cách chính xác. Sẽ không bao giờ giải quyết được thế lưỡng nan này, vì tính bất định của hiện thực của electron không phải là do các dụng cụ đo của chúng ta không đủ hiện đại, hay do một khiếm khuyết trong cách tiến hành của chúng ta. Nhà vật lý người Đức, Werner Heisenberg (1901-1976) đã chứng tỏ vào năm 1927 rằng sự mờ nhòe của hiện thực này là một tính chất cơ bản của thế giới nguyên tử và dưới nguyên tử. Thế giới này bị chi phối bởi cái mà Heinsenberg gọi là “nguyên lý bất định” .26

Một lần nữa chúng ta gặp lại ở đây sự tương tác giữa người quan sát và vật được quan sát. Chính người quan sát quyết định hiện thực, bởi vì chính anh ta quyết định sử dụng loại ánh sáng nào và muốn đo chính xác nhất vận tốc hay vị trí của hạt. Nói về một hiện thực “khách quan” đối với electron, một hiện thực tồn tại không cần người ta quan sát nó, là vô nghĩa, vì người ta không bao giờ nắm bắt được hiện thực đó. Hiện thực này tất yếu phải được sửa thành hiện thực “chủ quan” phụ thuộc vào người quan sát và dụng cụ đo của anh ta. Các nguyên tử cấu thành một thế giới các tiềm năng; chúng chỉ trở thành các sự vật và sự kiện sau hành động đo của người quan sát.

Các hạt trong bóng tối được vật chất hóa

Cơ học lượng tử là một kẻ nổi loạn, nó vi phạm một cách trắng trợn các điều cấm kỵ của cơ học cổ điển. Nó cho phép tồn tại các hiện tượng, cái này còn kỳ cục hơn cái kia. Đặc biệt, nó làm cho một số “lỗ đen” rất nhẹ, mà người ta nghĩ là hoàn toàn cấm đối với ánh sáng, lại có khả năng bức xạ và bốc hơi hoàn toàn thành một chớp sáng. Cơ học lượng tử thực hiện trò ảo thuật này nhờ viện đến nguyên lý bất định của Heinsenberg không phải dưới dạng quen thuộc mà dưới một dạng khác. Thật vậy, tự nhiên không phải chỉ ngăn cản chúng ta biết đồng thời vị trí và vận tốc của một hạt cơ bản, mà nó còn làm cho năng lượng của hạt ấy nhòe đi. Sự nhòe này phụ thuộc vào thời gian sống của nó: năng lượng càng bất định thì nó sống càng ngắn.27 Sự nhòe này của năng lượng trong thế giới lượng tử cho phép tự nhiên vi phạm một nguyên lý thiêng liêng, đó là định luật bảo toàn năng lượng, định lụât chi phối thế giới vĩ mô, theo đó “không có gì tự nhiên sinh ra”. Trong thế giới nguyên tử, tự nhiên có thể vay mượn năng lượng mà không phải trả lại ngay, đồng thời sử dụng năng lượng vay được miễn phí này để tạo ra các hạt cơ bản bởi vì, như Einstein đã dạy chúng ta, vật chất và năng lượng là tương đương với nhau. Nhưng sự vay mượn năng lượng này phải tuân theo nguyên lý bất định. Sớm muộn gì rồi nó cũng phải hoàn trả, và năng lượng vay càng nhiều thì việc hoàn trả phải càng nhanh.

Các hạt sinh ra từ nhòe của năng lượng như thế có cuộc sống rất ngắn ngủi. Chúng sinh ra và bị hủy đi theo sự vay và trả năng lượng được tự nhiên thực hiện theo các vòng luân hồi dữ dội kéo dài vô cùng ngắn (khoảng 10-43 giây). Người ta gọi chúng là các hạt “ảo”, vì, nếu để tự thân, thì chúng sẽ không bao giờ có thể rời bỏ thế giới bóng tối để có được sự tồn tại ổn định trong thế giới thực. Chỉ trong nháy mắt là chúng biến mất để rồi lại xuất hiện và rồi lại biến mất. Khi bạn đang đọc các dòng này, trong một centimét khối của không gian bao quanh bạn có thể chứa tới 1.000 tỉ tỉ tỉ (1030) electron ảo.

Nhưng, trong một số hoàn cảnh, một hạt ảo có thể được “hiện thực hóa”, đi vào thế giới thực. Thật vậy, nếu nó tìm được một nhà hảo tâm hào hiệp trả giúp nó món nợ năng lượng, thì nó có thể rời bỏ thế giới ảo để bước vào thế giới vật lý. Các lỗ đen có thể đóng vai trò nhà hảo tâm này và giúp cho các hạt ảo hiện thực hóa tiềm năng của chúng. Sở dĩ như vậy là vì trường hấp dẫn của lỗ đen là cực kỳ mạnh và cực kỳ giàu năng lượng. Trường hấp dẫn này sẽ trả giúp các món nợ năng lượng cho các hạt ảo (và của các phản hạt của chúng, các phản hạt này có tất cả các tính chất của các hạt tương ứng, trừ điện tích của nó có dấu ngược lại) nằm ngay trên bán kính không thể quay lui của lỗ đen. Một khi món vay của chúng đã được trả, các hạt này sẽ bước ra khỏi thế giới ảo để đi vào thế giới thực.

Hãy theo dõi số phận của một cặp electron-phản electron (hay positron). Nhờ có sự hào hiệp của một lỗ đen trả hộ món vay năng lượng, cặp này đã rời bỏ thế giới ảo để được hiện thực hóa. Nhiều trường hợp có thể xảy ra. Hoặc là cặp này bị rơi vào vòng xiết hấp dẫn của lỗ đen, rồi rơi vào cái miệng háu ăn của nó, trong trường hợp này cuộc dạo chơi trong thế giới thực của cặp electron - positron sẽ rất ngắn ngủi. Hoặc là chỉ có electron thoát khỏi móng vuốt của lỗ đen, còn phản hạt của nó rơi vào vực thẳm của lỗ đen; rồi electron lại gặp một positron, chúng ghì xiết lấy nhau, rồi hủy nhau và kết thúc bằng một chớp sáng. Hoặc là cả electron và phản hạt của nó thoát khỏi lực hấp dẫn của lỗ đen, và kết quả của sự gặp lại nhau này cũng là một chớp sáng chói lòa. Như vậy lỗ đen không hoàn toàn là đen. Nó có thể bức xạ. Đó là điều mà nhà vật lý học người Anh, Stephen Hawking (1942-) đã chứng minh từ năm 1974: năng lượng mà lỗ đen cung cấp để trả nợ cho các hạt ảo và giúp chúng hiện thực hóa bắt nguồn từ khối lượng của nó. Theo thời gian, lỗ đen bức xạ và khối lượng của nó giảm dần xuống đến không. Lỗ đen “bốc hơi” hoàn toàn thành ánh sáng.

Các lỗ đen mini nguyên thủy bức xạ?

Phải chăng như thế nghĩa là các lỗ đen mà chúng ta đã gặp trước kia (những lỗ đen gấp vài lần khối lượng Mặt trời, nằm trong mảnh đất màu mỡ của các thiên hà; những lỗ đen gấp vài triệu lần khối lượng mặt trời, ở tâm của các thiên hà có nhân hoạt tính; hoặc các lỗ đen gấp hàng tỉ lần khối lượng mặt trời, cung cấp năng lượng kinh hoàng cho các quasar) cũng sẽ bốc hơi thành ánh sáng trong nháy mắt, làm các thiên hà hoạt tính và các quasar biến khỏi sân khấu vũ trụ? Câu trả lời là không. Tỷ lệ bốc hơi của một lỗ đen phụ thuộc vào khối lượng của nó. Mỗi một lỗ đen được đặc trưng bằng một nhiệt độ, và nhiệt độ này tỷ lệ nghịch với khối lượng của nó. Một lỗ đen càng lớn, thì nhiệt độ của nó càng thấp và nó bốc hơi càng chậm. Một lỗ đen có khối lượng bằng Mặt trời thôi cũng cần thời gian gần như vĩnh cửu để bốc hơi hoàn toàn. Nhiệt độ của nó sẽ chỉ bằng một phần mười triệu độ (lạnh hơn cả môi trường thiên hà có nhiệt độ là 2,7 độ Kelvin), và nó phải mất 1065 (sau số 1 là 65 số 0) năm để bốc hơi hoàn toàn. Thời gian bốc hơi của các lỗ đen nặng hơn còn dài hơn nữa,

vì nó tỉ lệ với lập phương khối lượng của lỗ đen. Chẳng hạn, một lỗ đen siêu nặng bằng một tỷ khối lượng mặt trời ở giữa một quasar sẽ phải mất một thời gian gấp hàng triệu tỉ tỉ lần thời gian một lỗ đen sao, lớn gấp mười lần khối lượng mặt trời trong Ngân hà, để bốc hơi hoàn toàn.

Tại sao các lỗ đen có khối lượng bằng một ngôi sao hoặc lớn hơn lại cần một thời gian gần như vĩnh cửu để bốc hơi? Lý do rất đơn giản. Chúng ta đã thấy rằng, để bức xạ, một lỗ đen phải giải phóng các hạt ảo ra khỏi bóng tối và vật chất hóa chúng thành các electron, positron và các hạt cơ bản khác. Vậy mà, để một lỗ đen tạo ra các electron và các positron, thì kích thước của nó phải nhỏ hơn kích thước của một hạt nhân nguyên tử (hạt nhân có đường kính bằng một phần mười nghìn tỉ (10-13) centimet). Nhiệt độ của nó khi đó sẽ là một tỉ độ. Các lỗ đen lớn hơn và lạnh hơn (và như vậy là nặng hơn, vì bán kính của một lỗ đen tỷ lệ với khối lượng của nó) không thể sinh ra nhiều hạt cơ bản, và như vậy gần như không bức xạ. Như vậy, để tìm được các lỗ đen bức xạ, chúng ta phải tìm kiếm các lỗ đen mini có kích thước bằng một hạt nhân nguyên tử. Những lỗ đen nhỏ li ti như thế liệu có thể tồn tại trong vũ trụ?

Về nguyên tắc, chúng ta có thể tạo ra các lỗ đen nhỏ như chúng ta muốn. Chỉ cần nén một vật tới kích thước nào đó để trường hấp dẫn đủ mạnh có thể uốn cong mạnh không gian và ngăn được ánh sáng thoát ra ngoài. Chẳng hạn, nếu một bàn tay khổng lồ nén Mặt trời - với khối lượng 2.1033 gam - từ bán kính 700.000 kilômét hiện nay của nó xuống còn là 3 kilômét, thì nó sẽ trở thành một lỗ đen. Bởi vì bán kính của một lỗ đen biến thiên tỷ lệ với khối lượng của nó, nên chỉ cần thực hiện một phép tính nhỏ là ta sẽ biết rằng Trái đất, có khối lượng bằng 6.1027 gam, sẽ trở thành một lỗ đen nếu nó được nén xuống kích thước của một viên bi có đường kính một centimet; và bản thân bạn, nặng 70kg, sẽ trở thành lỗ đen nếu kẻ thù của bạn nén bạn bằng một lực siêu nhiên cho tới khi bạn nhỏ tới 10-23cm, tức một triệu tỉ lần nhỏ hơn kích thước của một nguyên tử.

Điều gì sẽ xảy ra đối với một lỗ đen nhỏ hơn một nhân nguyên tử? Trước hết, khối lượng của nó sẽ lớn hơn rất nhiều khối lượng của một nguyên tử. Chúng ta hãy xem xét, chẳng hạn, một lỗ đen có bán kính 1,5.10-13cm, tức cỡ kích thước của một proton. Khối lượng của nó sẽ là một tỉ tấn (1015gam), nghĩa là khối lượng của một nghìn tỉ tỉ tỉ tỉ (1039) proton. Như vậy, để tạo ra một lỗ đen có kích thước bằng một hạt nhân nguyên tử, cần phải nhồi toàn bộ 1039 proton vào trong một thể tích bình thường chỉ dành cho một proton. Con số vô cùng lớn này không có gì đáng ngạc nhiên nếu biết rằng lực điện từ làm cho hai proton đẩy nhau lớn hơn lực hấp dẫn liên kết chúng với nhau khoảng 1039 lần. Như vậy cần phải có khoảng 1039 proton để lực hấp dẫn của chúng đủ lớn để thắng lực điện đẩy và giữ chúng lại với nhau.

Nhưng làm thế nào để tạo ra các lỗ đen nhỏ và đặc như vậy? Stephen Hawking gợi ý rằng các lỗ đen như vậy đã có thể sinh ra từ các “bọt lượng tử của không-thời gian” trong những thời khắc đầu tiên của vũ trụ, khi vũ trụ còn cực kỳ nhỏ và cực kỳ đặc, ở thời gian vô cùng nhỏ cỡ 10-43 giây, gọi là “thời gian Planck”. Một lỗ đen “mini” nguyên thủy như thế có kích thước cỡ 10-33cm, tức một trăm tỉ tỉ lần nhỏ hơn kích thước của một proton. Sau đó nó lớn dần lên bằng cách kết dính vật chất trong môi trường rất đậm đặc quanh nó, cho tới khi đạt tới kích thước của một proton. Một lỗ đen có kích thước bằng một proton có nhiệt độ lên tới 120 tỉ độ và mất khoảng 14 tỉ năm - tức tuổi của vũ trụ - để bốc hơi hoàn toàn. Nó phát ra công suất 6.000 MW (mêga oát), bằng công suất của 6 nhà máy điện hạt nhân cộng lại. Trong quá trình bốc hơi, khối lượng của lỗ đen giảm xuống, nhiệt độ của nó tăng lên, nó bức xạ mạnh hơn và mất thêm khối lượng. Quá trình này tăng tốc và, sau 14 tỉ năm, khối lượng của lỗ đen chỉ còn là 20 micro gam: lỗ đen “mini” khởi thủy kết thúc cuộc đời của nó trong một vụ nổ khổng lồ, giải phóng ra tia gamma có năng lượng bằng năng lượng của 10 triệu tỉ thiên hà cộng lại. Nhưng, cho tới nay, các màn pháo hoa kinh hoàng này vẫn chưa từng được phát hiện trong vũ trụ. Các lỗ đen mini nguyên thủy bức xạ và bùng nổ vẫn chỉ là các thực thể giả thuyết, mặc dù các tính chất của chúng đã được suy ra một cách chặt chẽ từ hai lý thuyết vững chắc nhất của vật lý thế kỷ XX: cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng.

Ví của tôi liệu có thể nằm trong túi của bạn?

Các bạn chắc hẳn là không hiểu. Tất cả những điều đó không có ý nghĩa gì đối với bạn: ánh sáng có một khuôn mặt kép, khoác lên mình chiếc áo sóng khi không bị theo dõi và ngay khi bạn quan sát nó, nó sẽ biến thành hạt; một thế giới dưới nguyên tử, ở đó quyết định luận đã mất đi sức mạnh, chỉ có thể được mô tả bằng xác suất và ở đó sự nhòe lượng tử ngự trị; các hạt ảo xuất hiện rồi biến mất theo các chu kỳ “luân hồi” vô cùng ngắn ngủi! Bạn không phải là những người duy nhất cảm thấy mất phương hướng. Nhà vật lý học người Đan Mạch, Niels Bohr, một trong những cha đẻ của cơ học lượng tử, đã từng tuyên bố: “Nếu bạn không thấy chóng mặt khi nghĩ về cơ học lượng tử, thì đó là vì bạn chưa thực sự đánh giá được nó.” Nhà vật lý học người Mỹ, Richard Feynman, một trong những nhà vật lý đương đại đoạt giải Nobel Vật lý từng suy nghĩ nhiều nhất về vật chất và ánh sáng, còn đi xa hơn: “Tôi có thể nói hoàn toàn chắc chắn rằng không một ai hiểu được cơ học lượng tử”28. Nhưng như thế là bởi vì chẳng có gì để mà hiểu cả. Thế giới nguyên tử và dưới nguyên tử vốn là như thế. Chúng ta hãy nghe lời khuyên của Feynman: “Cơ học lượng tử mô tả tự nhiên như một cái gì đó phi lý xét trên quan điểm của lẽ phải thông thường. Nhưng nó đã luôn được kiểm chứng bằng thực nghiệm. Tôi hy vọng rằng các bạn có thể chấp nhận tự nhiên như nó vốn thế: phi lý”.

Tuy nhiên, có một câu hỏi đặt ra: các vật vĩ mô của cuộc sống hàng ngày -như cây cối, hoa lá, vòng đeo cổ, đồng hồ đeo tay - đều được tạo thành từ các hạt, mà như chúng ta thấy, chịu sự nhòe lượng tử và hành trạng của chúng không mang tính tất định luận, mà được mô tả bằng các sóng xác suất. Tuy nhiên, chúng ta lại không nhận thấy tính bất định này ở thang bậc của cuộc sống hàng ngày. Chúng ta hoàn toàn có thể xác định được chính xác vị trí và vận tốc của xe ô tô mà chúng ta đang chạy, vị trí và vận tốc của quả bóng mà chúng ta dùng vợt tennis đánh đi, hay vị trí và vận tốc đi dạo của chính chúng ta. Ánh sáng cho phép chúng ta nhìn thấy các vật này và thực hiện các phép đo đã tương tác với chúng; nhưng năng lượng của các photon so với năng lượng của các vật này nhỏ tới mức sự nhiễu động tạo ra từ sự tương tác đó là không đáng kể, như thể là nó chưa bao giờ xảy ra. Bởi vì hành động quan sát gần như không làm nhiễu động các vật vĩ mô, nên các vật này có một hành trạng hoàn toàn tất định. Khi một cầu thủ đá bóng, chúng ta có thể xác định được đồng thời vị trí và vận tốc của quả bóng và, nếu biết lực sút, các định luật vật lý sẽ cho phép chúng ta biết trước quả bóng có đi vào lưới hay không. Như vậy sự nhòe lượng tử và nguyên lý bất định của Heisenberg không thể hiện rõ nét đối với các vật thuộc cuộc sống hàng ngày. Điều này cũng rất tốt, vì trong cuộc sống hàng ngày chúng ta đã có khối việc phải đương đầu, khỏi cần phải lo lắng thêm về các bất định đối với vị trí và vận tốc của các vật!

Tương tự, người ta có thể hỏi tại sao ngẫu nhiên ngự trị trong vũ trụ các nguyên tử lại không xuất hiện khắp nơi trong thế giới vĩ mô, bởi vì các vật của cuộc sống hàng ngày chẳng qua cũng chỉ là tập hợp các nguyên tử. Tại sao các vật bao quanh ta lại không có một bản chất sóng cho phép chúng trải trong toàn bộ không gian và hiện diện cùng một lúc ở khắp nơi? Tại sao chúng ta không thấy Trái đất thình lình biến khỏi quỹ đạo của nó quanh Mặt trời để xuất hiện bên cạnh Mộc tinh? Tại sao chiếc ví của tôi lại không bỗng nhiên nằm trong túi của người bên cạnh mà không cần phải chơi trò móc túi, hay tại sao xe ô tô của tôi đỗ ở quảng trường Denfert-Rochereau, ở Paris lại không thình lình nằm trên đại lộ Champs-Élysées? Các định luật của cơ học lượng tử nói rằng về nguyên tắc các sự kiện như thế đều có thể xảy ra, nhưng xác suất của chúng nhỏ tới mức chúng chỉ xảy ra nếu người ta có cả một thời gian vĩnh hằng ở phía trước. Tại sao khả năng xảy ra lại nhỏ đến thế? Bởi vì các vật vĩ mô được tạo thành từ một số cực kỳ lớn các nguyên tử (Trái đất chứa khoảng 1050 nguyên tử, một chiếc xe ô tô khoảng 1028, một chiếc ví khoảng 1024), nên chúng mất đi bản chất sóng và các hiệu ứng của ngẫu nhiên bị trung hòa ở đó. Sở dĩ các vật vĩ mô không thình lình tự dịch chuyển từ nơi này sang nơi khác trong cuộc sống hàng ngày, đó là bởi vì xác suất để nó nằm ở một nơi khác với nơi mà chúng đang ở là gần như bằng không.

Vậy đường ranh giới giữa thế giới vi mô, nơi mà hiện thực chỉ có thể được mô tả bằng xác suất, và thế giới vĩ mô, nơi mà ngẫu nhiên thể hiện một cách mờ nhạt, nằm ở đâu? Cho tới nay, các nhà vật lý học vẫn chưa thể xác định được đường ranh giới này, mặc dù họ đã rất cố gắng. Phân tử fullerene, được cấu thành từ sáu mươi nguyên tử cácbon, cho tới nay vẫn được biết đến là vật nặng nhất và phức tạp nhất phát lộ một hành trạng sóng.

Cơ học lượng tử có bất toàn?

Cho tới tận cuối đời, Einstein vẫn không chấp nhận quan niệm phi tất định của cơ học lượng tử và hiện thực dưới nguyên tử được mô tả bằng xác suất. Theo Einstein, thế giới phải giống một trò bi-a, với các viên bi có vị trí và vận tốc xác định, chứ không phải là một ván súc sắc được chi phối bởi các định luật xác suất. Theo ông, vật lý phải tiên đoán được một cách chắc chắn kết quả duy nhất và xác định của một thí nghiệm, chứ không phải là xác suất để một kết quả xảy ra trong vô số khả năng. Einstein đã không ngừng tưởng tượng ra các tình huống khác nhau nhất nhằm vạch ra một điểm yếu trong cấu trúc của lý thuyết lượng tử, và qua đó để khẳng định nó là sai lầm. Các cuộc tranh luận dài của ông về chủ đề này với Niels Bohr, người bảo vệ mạnh mẽ cách giải thích xác suất của cơ học lượng tử, đã trở thành huyền thoại (H. 33). Nhưng, bất chấp tất cả những nỗ lực của Einstein, Bohr vẫn luôn là người có tiếng nói cuối cùng. Thất vọng, Einstein đã quyết định thôi không tìm cách chứng minh rằng cơ học lượng tử là một lý thuyết sai lầm nữa, để lao vào một nhiệm vụ dễ hơn là chứng minh rằng nó bất toàn và không đưa ra một cách mô tả hiện thực một cách đầy đủ.

Nhằm mục đích này, cùng với hai đồng nghiệp của ông là Boris Podolsky và Nathan Rosen, ông đã xây dựng vào năm 1935 một thí nghiệm tưởng tượng mà ngày nay gọi là “thí nghiệm EPR”, theo chữ cái đầu của tên của ba tác giả. Ông nghĩ rằng thí nghiệm này, trong đó ánh sáng một lần nữa lại đóng vai chính, sẽ phải bắt quả tang cơ học lượng tử phạm tội bất toàn.

Xét hai hạt ánh sáng A và B sinh ra từ sự phân rã của một hạt. Vì những lý do đối xứng, A và B đi theo hai hướng ngược nhau. Hãy đặt các dụng cụ đo và kiểm tra. Nếu A đi về phía Đông, chúng ta sẽ phát hiện thấy B ở phía Tây. Cho tới lúc này dĩ nhiên vẫn chưa có gì là đặc biệt. Nhưng đó là do ta chưa tính đến các tính chất kỳ lạ của cơ học lượng tử. Trước khi bị máy dò bắt, A khoác không phải chiếc áo hạt, mà khoác chiếc áo sóng. Sóng này, vì không định xứ, nên choán toàn bộ không gian, và tồn tại một xác suất nào đó để A nằm ở bất kỳ hướng nào. Chỉ khi bị bắt thì A mới khoác chiếc áo hạt và “biết” mình đang tiến về phía Đông. Nhưng nếu, trước khi bị bắt, A không “biết” nó đi theo hướng nào thì làm thế nào B lại có thể “đoán” được hành trạng của A và điều chỉnh hành trạng của mình sao cho bị bắt ở cùng thời điểm nhưng theo hướng ngược lại? Điều này không có nghĩa, trừ phi chấp nhận rằng A có thể thông báo tức thì đến B hướng chuyển động của mình. Bởi vì hai hạt được phát hiện ở cùng một thời điểm, điều này có nghĩa là sự truyền thông tin được thực hiện với một vận tốc lớn vô hạn. Nhưng điều đó lại mâu thuẫn với thuyết tương đối của Einstein nói rằng không một tín hiệu nào có thể lan truyền nhanh hơn ánh sáng. Bởi vì “Chúa không truyền các tín hiệu thần giao cách cảm”, nên Einstein đã kết luận rằng cơ học lượng tử không đưa ra được một cách mô tả hiện thực một cách đầy đủ. Theo ông, A phải biết trước hướng mà nó sẽ theo, và truyền thông tin này cho B trước khi tách ra khỏi nó. Nói cách khác, Einstein tán thành cái mà người ta gọi là “tính hiện thực địa phương”: tại mỗi thời điểm, A có một vận tốc và một vị trí xác định và được định xứ trên hạt, độc lập với hành động quan sát. Theo ông, sở dĩ cơ học lượng tử không có khả năng giải thích được đường đi của một hạt, là bởi vì nó không tính đến một số thông số gọi là “các biến ẩn”. Như vậy nên nó bất toàn.

Các photon tách rời vẫn kết nối với nhau

Trong gần ba mươi năm, sơ đồ EPR vẫn ở nguyên trạng thái là một thí nghiệm tưởng tượng, vì các nhà vật lý học vẫn không biết sử dụng nó trên thực tế như thế nào. Tình hình chỉ được giải tỏa vào năm 1964, nhờ nhà vật lý học người Ailen Jon Bell làm việc tại Trung tâm Nghiên cứu Hạt nhân châu Âu, ở Genève (Thụy Sĩ). Lấy ý tưởng chủ đạo từ EPR, từ tư biện siêu hình ông đã biến nó thành một giả thiết có thể kiểm chứng bằng thực nghiệm. Ông chứng tỏ được rằng nếu EPR là đúng, thì các phép đo được thực hiện bởi các máy dò nằm cách nhau một khoảng rất xa, các spin của hai photon tương tác với nhau (các nhà vật lý học gọi chúng là các “photon rối” hay “vướng víu”) nhưng tách rời nhau, phải có tương quan với nhau. Spin của một hạt là chuyển động quay của nó quanh một trục nào đó, hoặc theo chiều kim đồng hồ, hoặc theo chiều ngược lại. Mặc dù độ nghiêng của trục quay có thể thay đổi - nó có thể nghiêng chẳng hạn một góc 800, hay 300 -, nhưng spin vẫn không thay đổi. Bell đã tính toán chính xác mức độ tương quan tồn tại giữa các spin của hai photon. Nếu EPR là đúng, và nếu cơ học lượng tử là bất toàn, và nếu thực sự tồn tại các biến ẩn cho phép xác định đồng thời vị trí và vận tốc của một hạt, thì các spin của hai photon phải luôn như nhau (cả hai quay theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược lại) trong hơn một nửa số lần. Trái lại, nếu sự khớp nhau của hai spin thấp hơn 50%, thì EPR là sai và không tồn tại các biến ẩn.

Trong hơn một thập kỷ, công nghệ vẫn chưa đủ hiện đại để cho phép sử dụng các kết quả của Bell nhằm phân định phải trái giữa EPR và cơ học lượng tử. Phải đến đầu những năm 1980 thì nhà vật lý học người Pháp, Alain Aspect và nhóm nghiên cứu của ông ở Đại học Orsay mới thực hiện một loạt các thí nghiệm về các cặp photon để kiểm tra hiệu ứng EPR. Trong thí nghiệm của Aspect, hai máy dò nằm cách nhau 13 mét và nguồn photon đặt nằm giữa và cách đều hai máy dò đó. Kết quả của các thí nghiệm rất rõ ràng: mức độ tương quan của spin của hai electron là thấp hơn 50%. Như vậy không còn nghi ngờ gì nữa, các biến ẩn không tồn tại, EPR đã nhầm và cơ học lượng tử đã đúng.

Các hệ quả thí nghiệm của Aspect rất tuyệt vời: mặc dù các photon A và B không có vị trí và vận tốc xác định, mặc dù chúng cách nhau 13 mét, nhưng B vẫn luôn “biết” tức thì A đang làm gì. Các đồng hồ nguyên tử gắn với máy dò bắt A và B cho phép đo rất chính xác thời điểm đến của từng photon. Chênh lệch giữa hai thời điểm đến là nhỏ hơn khoảng vài chục phần tỉ giây (có lẽ, sự chênh lệch này là bằng không, nhưng độ chính xác của các đồng hồ nguyên tử hiện nay không cho phép đo được thời gian dưới 10-10 giây). Vậy mà, ở 10-10 giây, ánh sáng, với vận tốc 300.000km/s, chỉ có thể đi được quãng đường 3cm, khoảng cách ngắn hơn rất nhiều khoảng cách 13 mét giữa A và B. Trong mọi trường hợp, A và B không thể truyền cho nhau các thông tin bằng ánh sáng.

Ấn tượng hơn, kết quả vẫn không đổi khi người ta tăng khoảng cách giữa hai photon. Trong thí nghiệm gần đây do nhà vật lý học người Thụy Sĩ là Nicolas Gisin và các đồng nghiệp của ông thực hiện, khoảng cách giữa hai photon là 11km, và các hành trạng của A và B vẫn luôn có tương quan với nhau. Một lần nữa, các nhà vật lý học Thụy Sĩ lại chắc chắn rằng hai photon không thể thông tin cho nhau bằng ánh sáng. Sự chênh lệch thời gian đáp ứng của hai máy dò trên thực tế nhỏ hơn ba phần mười tỉ giây; trong khoảng thời gian vô cùng ngắn ngủi này, ánh sáng chỉ có thể vượt qua 9cm trên khoảng cách 11km giữa hai photon.

Kết luận của các thí nghiệm này là không thể tránh khỏi: ngay cả khi B nằm trong thiên hà Andromède cách Trái đất 2,3 tỉ năm ánh sáng, hay ở biên của vũ trụ quan sát được cách khoảng 1 tỉ năm ánh sáng, thì nó vẫn tức thì điều chỉnh hành trạng của mình theo hành trạng của A. Dường như tồn tại một sự ảnh hưởng huyền bí liên kết A với B mặc dù hai photon này nằm cách nhau vô cùng xa. Điều này cũng tương tự như bạn và một người bạn của bạn có trong tay hai đồng xu giống y hệt nhau. Bạn của bạn ở Paris trong khi bạn đang ở New York. Bạn và bạn của bạn quyết định chơi trò sấp ngửa. Về nguyên tắc, mỗi đồng xu phải rơi sấp hoặc ngửa độc lập với hành trạng của đồng xu kia. Một đồng rơi sấp và đồng kia rơi ngửa, và ngược lại. Hoặc cả hai rơi cùng sấp hoặc cùng ngửa. Mỗi một đồng xu phải tuân theo nghiêm ngặt các định luật xác suất nói rằng trung bình chúng có 50% khả năng rơi sấp hoặc ngửa. Vậy mà, khi so kết quả, bạn thấy rằng các hành trạng của hai đồng xu chính xác như nhau, rằng chúng luôn rơi sấp hoặc ngửa đồng thời! Như vậy, một trong hai điều phải xảy ra: hoặc là cả hai đồng xu chỉ có một mặt, hoặc là bạn chỉ còn biết thán phục! Một khiếm khuyết trong chế tạo đồng xu đã có thể làm cho hai đồng xu chỉ có mặt sấp, hoặc mặt ngửa. Nếu bạn và bạn của bạn chưa kiểm tra đồng xu trước khi gieo, và nếu bạn luôn thu được mặt sấp hoặc ngửa đồng thời, bạn có thể sẽ tin một cách sai lầm rằng hành trạng của hai đồng xu có tương quan với nhau, trong khi hoàn toàn không phải như vậy. Đối với sự lựa chọn này, Einstein chọn giả thiết là hai đồng xu (hay con súc sắc) chỉ có cùng một mặt, nghĩa là chọn sự tồn tại các biến ẩn và cơ học lượng tử là bất toàn. Nhưng giả thiết này dẫn đến việc xem xét hai loại cặp photon khác nhau - các cặp ngửa-ngửa và các cặp sấp-sấp - trong khi, theo quan điểm của cơ học lượng tử, các cặp photon là hoàn toàn đồng nhất. Các thí nghiệm của Aspect và Gisin dựa trên các tính toán của Bell đã cho thấy hết sức thuyết phục rằng sai lầm không thuộc về cơ học lượng tử, mà thuộc về Einstein và các đồng nghiệp của ông.

Một vũ trụ kết nối lẫn nhau trong không gian

Giải thích thế nào về việc B luôn “biết” tức thì những điều A làm mà không có sự truyền thông tin nào? Nghịch lý này chỉ là nghịch lý nếu chúng ta giả định, như Einstein, rằng thực tại bị chia nhỏ và định xứ trên mỗi một photon. Nó sẽ không còn là nghịch lý nữa, nếu chúng ta chấp nhận rằng A và B là một bộ phận trong cùng một thực tại có tính toàn cục. A không cần phải gửi một tín hiệu nào cho B trong chừng mực hai photon “vướng víu” đã từng tương tác cùng nhau, “nhớ lại” tương tác của chúng trong quá khứ và vẫn thường xuyên liên lạc với nhau bằng một loại tương tác huyền bí nào đó. Dù ở đâu, thì hạt thứ hai vẫn tiếp tục là một bộ phận của cùng một thực tại với hạt thứ nhất, ngay cả khi hai hạt ánh sáng nằm ở hai đầu vũ trụ. Như vậy, cơ học lượng tử đã loại bỏ hoàn toàn ý tưởng về sự định xứ. Nó trao một cho không gian đặc tính toàn cục. Khái niệm “đây” và “kia” không còn ý nghĩa nữa: “đây” đồng nhất với “kia”. Đó là cái mà các nhà vật lý gọi là “tính bất khả tách” hay tính “không định xứ” của không gian.

Như vậy, chúng ta đi đến một kết luận bất thường nói rằng tính định xứ không còn được vị trí trong vũ trụ nữa. Chúng ta phải xem xét lại một cách triệt để các khái niệm thường dùng của chúng ta liên quan đến không gian. Những người xây dựng vũ trụ vĩ đại như Newton và Einstein đã có rất nhiều quan điểm khác nhau về không-thời gian. Theo Newton, không gian và thời gian là tuyệt đối, độc lập với người quan sát; chúng hoàn toàn khác biệt và tồn tại tách rời nhau. Trái lại, theo Einstein, không gian và thời gian trở thành tương đối, giá trị của chúng phụ thuộc vào vận tốc của người quan sát và trường hấp dẫn xung quanh người quan sát; chúng tạo thành một cặp thống nhất và những biến thiên của chúng được thực hiện theo cách bổ sung cho nhau. Tuy nhiên, cả hai nhà vật lý học lỗi lạc này đều không xem xét lại khái niệm “định xứ” của không gian. Không gian trên thực tế là môi trường cho phép chúng ta phân biệt vật này với vật kia. Nếu hai người hoặc hai vật tách rời nhau trong không gian, thì ta coi chúng là khác biệt nhau. Trong cuộc sống hàng ngày, các vật choán các vị trí khác nhau trong không gian không nằm trong cùng một thực thể. Để một vật đặt một ảnh hưởng hay một tác dụng lên một vật khác, thì cần phải có một phương tiện hoặc một trung gian gắn kết và lưu thông không gian giữa chúng. Một máy bay bay từ New York đến Paris. Tôi đi từ bàn nơi tôi ngồi viết đến tủ lạnh để lấy một chai nước khoáng Perrier. Khi tôi nói chuyện với người đối thoại xinh đẹp, giọng của tôi làm chuyển động vô số các phân tử không khí, và chuyển động của chúng truyền âm thanh phát ra từ các dây thanh quản của tôi tới tai người phụ nữ trẻ. Tôi nhìn thấy Mặt trăng bởi vì Mặt trăng phản chiếu ánh sáng của Mặt trời tới mắt tôi. Ngược lại, chấp nhận tính không- định xứ, nghĩa là chấp nhận rằng điều chúng ta làm ở đây có thể ảnh hưởng đến điều đang xảy ra ở kia mà không cần bất kỳ một thông tin nào được truyền từ đây đến kia. Vậy nên hai hạt “vướng víu” - đã từng tương tác với nhau trong quá khứ - như là cái nọ ở ngay trên cái kia, ngay cả khi chúng cách xa nhau hàng tỉ tỉ kilômét. Hành trạng của chúng không phải là ngẫu nhiên, mà được điều phối một cách hoàn hảo. Chúng không tồn tại một cách độc lập, mà thống nhất, được gắn kết bằng một sự kết nối lượng tử huyền bí.

Một câu hỏi được nảy ra trong đầu: vũ trụ có nguồn gốc là Big Bang, vụ nổ khởi thủy ban đầu đã tạo ra một vũ trụ đồng thời với không gian và thời gian từ một trạng thái cực kỳ nhỏ, nóng và đặc; mọi hạt như vậy đã tiếp xúc và tương tác với mọi hạt khác trong món súp nguyên thủy; điều này phải chăng muốn nói rằng tất cả đều vướng víu và kết nối với nhau trong vũ trụ?

Về nguyên tắc, câu trả lời là có. Nhưng phát hiện ra sự “vướng víu lượng tử” khởi thủy từ Big Bang cách đây 13,7 tỉ năm là việc cực kỳ khó, thậm chí không thể. Thật vậy, một hạt ánh sáng nào đó sinh ra trong những phần giây đầu tiên của vũ trụ đã tương tác với vô số các hạt khác trong suốt lịch sử rất dài của vũ trụ, và có lẽ nó đã mất trí nhớ về sự tương tác nguyên thủy của nó với các photon khởi thủy khác.

Nghiên cứu các hạt ánh sáng vướng víu nhau buộc chúng ta phải xem xét lại toàn bộ các quan niệm thông thường của chúng ta về không gian, và phải vứt bỏ các khái niệm như “tính định xứ” và “tính khả tách”. Chúng ta cũng sẽ thấy rằng một số hành trạng của ánh sáng cũng buộc chúng ta phải xem xét lại các quan điểm thông thường của chúng ta về thời gian.

Tương lai quyết định quá khứ

Chưa bằng lòng với việc làm đảo lộn các quan niệm của chúng ta về không gian, cơ học lượng tử còn thách thức các khái niệm yêu thân thiết nhất của chúng ta về sự trôi của thời gian, về quá khứ, hiện tại và tương lai. Chẳng hạn, trong một số tình huống có liên quan tới ánh sáng, dường như cơ học lượng tử xác lập một mối quan hệ huyền bí giữa các sự kiện đã xảy ra rất xa trong quá khứ và những sự kiện xảy ra rất xa sau này trong tương lai.

Chúng ta hãy trở lại thí nghiệm hai khe của Young. Một nguồn sáng (như một tia laser, chẳng hạn) phát các hạt ánh sáng đi qua hai khe song song trên màn chắn, và đập vào một màn ảnh đặt sau màn chắn này. Chúng ta đã thấy rằng, nếu không nhìn vào khe mà photon đi qua, thì photon này khoác chiếc áo sóng. Mỗi photon đồng thời đi qua khe trái và khe phải, nó tương tác với chính nó, tạo ra các vân giao thoa nổi tiếng trên màn ảnh. Ngược lại, ngay khi chúng ta bật máy dò đặt lần lượt ngay sau các khe để theo dõi và biết photon đi qua khe nào, thì photon này lại khoác chiếc áo hạt, và các vân giao thoa biến mất. Chỉ còn hai dải sáng song song trên trục của nguồn sáng và hai khe.

Cho tới lúc này vẫn chưa có gì mới. Để lật tẩy trò ảo thuật với thời gian của cơ học lượng tử, nhà vật lý học người Mỹ, John Wheeler đã đề xuất thay đổi thí nghiệm khe Young bằng cách đặt các máy dò xa về phía sau các khe, ngay trước khi photon đi đến màn ảnh. Một lần nữa, các vân giao thoa lại xuất hiện trên màn ảnh khi các máy dò không được bật, và chúng biến mất khi máy dò hoạt động. Nhưng có một điểm mới và lạ trong thí nghiệm này, đó là việc đo quãng đường photon đã đi qua được thực hiện rất lâu sau khi photon đã “quyết định” khoác chiếc áo sóng và đồng thời đi qua hai khe hay khoác chiếc áo hạt và đi qua hoặc là khe trái, hoặc là khe phải. Thế mà, khi đi qua các khe, photon đã không thể “biết” trước liệu các máy dò ở xa đã được bật hay không.

Trên thực tế, thí nghiệm có thể được thực hiện sao cho các máy dò chỉ được kích hoạt sau khi photon đã đi qua các khe. Để chuẩn bị cho tình huống có thể xảy ra khi các máy dò tắt, photon khoác chiếc áo sóng và đi qua hai khe cùng lúc. Nhưng, một khi photon đã đi qua các khe, người làm thí nghiệm tinh nghịch quyết định chặn đứng các “kế hoạch” của photon và bật các máy dò. Lúc này, đối với photon, xuất hiện một vấn đề thực sự về “căn cước”: nó đã thu xếp để đi qua hai khe cùng một lúc bằng cách phô ra bộ mặt sóng; một khi photon đã đi qua các khe thì đối với chúng ta dường như không thể, thậm chí phi lý, có chuyện photon rút lại quyết định đã đưa ra và thay đổi hành động đã thực hiện để khoác chiếc áo hạt và mỗi lần chỉ đi qua một khe.

Ấy vậy mà đó lại chính là điều đã xảy ra! Các thí nghiệm cho thấy rằng photon luôn điều chỉnh hành trạng của chúng rất hoàn hảo và không bao giờ nhầm lẫn, bất chấp quyết định của người làm thí nghiệm - quyết định đưa ra sau khi photon đã đi qua các khe. Nếu người làm thí nghiệm bật một trong các máy dò, lập tức photon là hạt và đi qua chỉ một khe; các vân giao thoa không xuất hiện. Nếu quan sát tắt máy dò, ngay lập tức photon là sóng và đi qua cả hai khe cùng lúc; các vân giao thoa xuất hiện. Và điều này xảy ra ngay cả khi máy dò được bật hay tắt rất lâu sau khi photon đã đi qua các khe!

Hành trạng khác thường này thách thức lương tri chúng ta. Cứ như thể photon đã “linh cảm” được những gì sắp xảy ra trong tương lai, “linh cảm” được quyết định mà người làm thí nghiệm sẽ đưa ra (bật hoặc tắt máy dò). Nói cách khác, chúng điều chỉnh hành trạng trong quá khứ của mình theo những điều sẽ xảy ra trong tương lai. Trong thế giới các hạt, tồn tại một dạng ngẫu nhiên của quá khứ, một hằng hà sa số các khả năng của các quá khứ khác nhau. Chẳng hạn, một photon có thể là một sóng hoặc một hạt; trong số hai khả năng này, chỉ một và duy nhất một quá khứ sẽ xuất hiện, nhưng nó chỉ định dạng sau khi tương lai bắt nguồn từ đó được xác định.

Một vũ trụ kết nối lẫn nhau trong thời gian

Như vậy, quan niệm về quá khứ mà cơ học lượng tử cung cấp khác xa với quan niệm thông thường về quá khứ của chúng ta. Đối với chúng ta (và đối với mọi vật vĩ mô), quá khứ được cấu thành từ các hành động và sự kiện rất xác định. Lịch sử của tôi đã được xác định một lần cho mãi mãi. Tôi sinh ở Việt Nam. Tôi đã học trường trung học Pháp ở Sài Gòn. Tôi đã nghiên cứu vật lý thiên văn ở Mỹ. Tôi có một và chỉ một lịch sử, rất xác định, và, dù điều gì có xảy ra trong tương lai của tôi, thì lịch sử đã qua của tôi cũng sẽ không bao giờ thay đổi. Quá khứ của tôi đã qua. Nó đã được lưu giữ trong ký ức của tôi. Tương lai còn chưa đến và sẽ không bao giờ thay đổi được những gì đã xảy ra.

Tình hình lại hoàn toàn khác đối với một hạt ánh sáng (hay mọi hạt cơ bản khác). Quá khứ của một photon là bất định và nhòe. Nó không duy nhất, mà bị tàn lụi dưới dạng vô số các khả năng. Chẳng hạn, photon có thể lựa chọn giữa một quá khứ hạt và một quá khứ sóng. Quá khứ đa dạng này chỉ được kết tinh sau khi người ta thực hiện quan sát hoặc dò, và do đó là rất lâu sau trong tương lai. Như vậy, cơ học lượng tử không phủ nhận sự tồn tại của một quá khứ; chỉ có điều, đó là một quá khứ bất định. Nó chỉ trở nên xác định nhờ một sự kiện xảy ra trong tương lai. Hành động quan sát trong tương lai sẽ lựa chọn một lịch sử cụ thể và xác định trong hằng hà sa số các quá khứ khả dĩ. Trong thế giới nguyên tử và dưới nguyên tử, lịch sử mà chúng ta kể lại phụ thuộc vào một sự kiện trong tương lai.

Thời gian ngăn cách giữa các sự kiện trong quá khứ với hành động quan sát được ghi trong tương lai có thể lên tới hàng tỉ năm, như trong thí nghiệm tưởng tượng sau của nhà vật lý học người Mỹ, John Wheeler. Thí nghiệm này, về một phương diện nào đó, là một phiên bản vũ trụ của thí nghiệm khe Young.

Nguồn sáng lần này là một quasar, một thiên thể quái dị phát ra năng lượng bằng một nghìn thiên hà trong một thể tích chỉ lớn hơn hệ mặt trời chút xíu. Năng lượng khổng lồ này đến từ một lỗ đen siêu nặng cỡ một tỉ lần khối lượng mặt trời ngấu nghiến các ngôi sao của các thiên hà bên cạnh. Các quasar nằm trong số các thiên thể ở xa xôi nhất của vũ trụ: ánh sáng của một số quasar phải mất hơn mười tỉ năm ánh sáng mới đến được chúng ta. Xét trường hợp nguồn sáng là một quasar nằm cách chúng ta mười tỉ năm ánh sáng. Hai khe trên vách bây giờ được thay bằng một thiên hà nằm cách chúng ta 5 tỉ năm ánh sáng nằm trên cùng đường ngắm với quasar đó. Do tác dụng của lực hấp dẫn, không gian quanh thiên hà bị uốn cong, tới mức ánh sáng tới từ quasar bị lệch hướng. Một phần của ánh sáng này đi sang bên trái của thiên hà, phần khác đi sang bên phải. Hoàn toàn giống như các thấu kính trong kính đeo mắt của bạn tụ tiêu ánh sáng lên võng mạc, thiên hà cũng có tác dụng như một thấu kính hấp dẫn tụ tiêu ánh sáng của quasar, ánh sáng bên trái và ánh sáng bên phải, vào tiêu điểm của một kính thiên văn đặt trên Mặt Đất. Cũng giống như trong thí nghiệm khe Young, nếu chúng ta không đặt máy dò để dò xem photon đến từ bên trái hay bên phải thiên hà, thì về nguyên tắc (thí nghiệm còn chưa được thực hiện) chúng ta phải nhìn thấy các vân giao thoa (H. 36). Nhưng nếu chúng ta bật máy dò, thì các vân giao thoa phải biến mất. Trong trường hợp này, một quan sát được thực hiện hôm nay giúp ta xác định được một lịch sử đã xảy ra trong một quá khứ rất xa, từ năm tỉ năm trước, khi ánh sáng của quasar đi gần thiên hà-thấu kính và đã bị lực hấp dẫn của thiên hà này làm cho lệch hướng. Trong thế giới lượng tử, không chỉ không gian được gắn kết bằng một dạng ảnh hưởng huyền bí, mà còn cả quá khứ, hiện tại và tương lai cũng được gắn kết với nhau một cách chặt chẽ.

Tẩy quá khứ

Nếu hành động của một người quan sát-nhà thực nghiệm có thể làm kết tinh bản chất của hiện thực lượng tử trong quá khứ, thì người ta có thể đặt câu hỏi liệu chúng có khả năng thay đổi quan hệ nhân quả của các sự kiện đã xảy ra và làm nảy sinh các mâu thuẫn logic hay không. Chẳng hạn, liệu tôi có thể sử dụng cơ học lượng tử để gửi về quá khứ các lệnh ngăn cha mẹ tôi gặp nhau và như vậy sẽ hủy bỏ sự ra đời của tôi không? Câu trả lời dứt khoát là không. Mặc dù các thí nghiệm mô tả trước đây cho thấy có một tương tác huyền bí giữa quá khứ và tương lai của các hạt, nhưng trong bất kỳ trường hợp nào đều không thể thay đổi quá khứ bằng những hành động hiện tại. Hành động hiện tại chỉ có thể làm rõ một lịch sử đã xác định trong vô số các quá khứ khả dĩ đã tồn tại; trong bất kỳ trường hợp nào nó không thể tạo ra các khả năng mới.

Nhưng các nhà vật lý học vốn không thiếu trí tưởng tượng. Họ tự nhủ: nếu như không thể thay đổi được quá khứ, thì liệu người ta có thể thu xếp để loại bỏ hiệu ứng của quá khứ lên hiện tại không. Theo quan điểm này, năm 1982 các nhà vật lý học Marlan Scully và Kai Drũhl đã đưa ra thí nghiệm gọi là “tẩy lượng tử”.

Hình 36. Một phiên bản vũ trụ của thí nghiệm khe Young. Ánh sáng của một quasar rất xa bị lực hấp dẫn của một thiên hà nằm giữa Trái đất và quasar làm lệch và chia thành hai chùm, và tụ tiêu lại trên Trái đất. Về nguyên tắc, các nhà thiên văn trên Trái đất có thể quan sát được các vân giao thoa.

Một lần nữa chúng ta lại xét một phiên bản sửa đổi của thí nghiệm khe Young. Ngoài nguồn sáng, hai khe và màn ảnh, người ta còn đặt trước mỗi khe một dụng cụ cho phép gắn nhãn cho các photon. Mỗi photon sẽ được gắn một nhãn để biết nó đi qua khe nào, khe phải hay khe trái. Nhưng gắn nhãn cho photon bằng cách nào? Người ta không thể gắn nhãn lên photon như gắn nhãn lên quần áo. Thực tế, một dụng cụ sẽ bắt spin của photon phải có một hướng xác định nếu nó đi qua khe phải, và một hướng khác cũng xác định nếu nó đi qua khe trái. Để biết đường đi của photon, như vậy chỉ cần đặt một màn ảnh ghi không chỉ vị trí điểm chạm của photon, mà cả spin của nó nữa.

Hãy làm thí nghiệm khi dụng cụ gắn nhãn đã được kích hoạt. Đương nhiên, các vân giao thoa không xuất hiện, bởi vì việc chúng ta biết chính xác mỗi photon đi qua khe nào làm cho nó khoác chiếc áo hạt. Cho tới lúc này chúng ta vẫn chưa biết gì thêm. Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu, ngay trước khi photon va vào màn ảnh, chúng ta lấy nhãn của nó đi, tức là đã tẩy đi mọi thông tin về đường đi của photon? Khi đó, photon liệu có đổi chiếc áo hạt lấy chiếc áo sóng, và các vân giao thoa có xuất hiện trở lại không?

Để trả lời các câu hỏi này, nhà vật lý học người Mỹ gốc Hoa Raymond Chiao và các đồng nghiệp của ông ở Đại học California, Berkeley, đã thực hiện thí nghiệm “tẩy lượng tử”. Họ đã xóa nhãn của photon bằng cách đặt trước màn ảnh một máy bắt spin của tất cả các photon phải theo một và chỉ một hướng, sao cho việc đo spin của photon khi nó chạm vào màn hình không cho ta bất kỳ một thông tin nào về con đường mà nó đã đi. Như có phép thuật, các vân giao thoa liền xuất hiện trở lại! Điều này nói lên rằng photon đã thay chiếc áo hạt bằng chiếc áo sóng. Nhưng chúng làm như vậy sau khi các photon đã đi qua các khe, chứ không phải trước khi đi qua khe!

Như vậy quyết định mà con người đưa ra về việc sử dụng các dụng cụ tẩy thông tin đã ảnh hưởng đến bản chất của hiện thực trong quá khứ. Một lần nữa chúng ta phải chấp nhận rằng, trong thế giới lượng tử, tồn tại một mối quan hệ huyền bí giữa quá khứ và tương lai, rằng điều xảy ra trong tương lai giúp xác định cái đã xảy ra trước đó. Giống như hai hạt tương tác bị “vướng víu” trong không gian vô tận, tồn tại một dạng “vướng víu” lạ lùng giữa quá khứ và tương lai của một hạt.

Hành động đo và thực tại lượng tử

Các thí nghiệm trước đã chứng tỏ một cách thuyết phục rằng người quan sát thực hiện phép đo đóng một vai trò rất cơ bản. Trước hành động đo, photon (hay mọi hạt khác) khoác chiếc áo sóng và hiện diện đồng thời ở khắp nơi. Xác suất tìm nó ở một nơi nào đó được tính bằng bình phương biên độ của hàm sóng Schrôdinger. Ngay khi người quan sát thực hiện một phép đo, photon đổi chiếc áo sóng lấy chiếc áo hạt. Nó xuất hiện ở một và chỉ một nơi. Nói cách khác, hàm sóng bằng không ở mọi điểm, trừ ở vị trí ở đó hạt bị bắt và xác suất khi này lên tới 100%. Một lịch sử duy nhất kết tinh từ vô số các lịch sử khả dĩ. Người ta nói rằng đã có sự “rút gọn” sóng.

Sự rút gọn sóng này đặt ra một vấn đề. Thật vậy, cơ học lượng tử nói với chúng ta rằng khi hai hệ lượng tử tương tác với nhau được mô tả bằng hàm sóng, chúng tạo thành một hệ mới được mô tả bằng một hàm sóng mới chứa tổng thể các khả năng của hai hệ. Nói cách khác, lẽ ra thay vì rút gọn, người ta đi đến một sự phức tạp hóa của sóng. Và nếu người ta lại tách hai hệ ra, thì các thí nghiệm của Aspect chứng tỏ rằng chúng không còn được mô tả bằng hai hàm sóng độc lập nữa, mà bằng chỉ một hàm sóng toàn thể.

Vì vậy một câu hỏi được đặt ra: một dụng cụ đo khác với một vật vĩ mô khác ở điểm nào? Tại sao nó lại gây ra sự rút gọn sóng dẫn đến chỉ một hiện thực trong vô số các khả năng, trong khi, trong trường hợp một vật vĩ mô nào đó, ta lại có một hàm sóng phức tạp hơn chứa tổng thể các khả năng của mỗi hệ tương tác? Rất nhiều nhà khoa học đã cố gắng tìm lời giải đáp cho câu hỏi này, nhưng cho đến nay lời giải cuối cùng vẫn chưa tìm được và cuộc tranh luận vẫn còn diễn ra rất gay gắt.

Các phương pháp tiếp cận nhằm tìm hiểu phép đo lượng tử và sự rút gọn sóng rất đa dạng và phong phú. Theo nhà vật lý học người Đan Mạch, Niels Bohr, nhà thực nghiệm và dụng cụ của anh ta khác với các hạt cơ bản. Chúng được tạo thành từ một số rất lớn các hạt, và muốn mô tả chúng bằng hình thức luận lượng tử của một hàm sóng là sai lầm. Thế giới vĩ mô được chi phối bởi vật lý cổ điển, tức là bởi các định luật của Newton và Maxwell. Vậy đường ranh giới giữa thế giới dưới nguyên tử và thế giới vĩ mô nằm ở đâu? Sự chuyển từ vật lý lượng tử sang vật lý cổ điển được thực hiện như thế nào? Bohr chấp nhận một quan điểm thực dụng: tại sao lại đặt ra những câu hỏi như thế, bởi vì các nhà vật lý học đã có thể sử dụng vật lý để mô tả cực kỳ chính xác đồng thời cả thế giới vĩ mô lẫn vi mô mà không cần đề cập đến chúng? Theo Bohr, khái niệm “nguyên tử” chỉ là một phương tiện thuận lợi để kết nối các quan sát khác nhau vào một sơ đồ logic và chặt chẽ mà thôi. Theo ông, không thể đi vượt ra ngoài các sự kiện và kết quả của thí nghiệm và đo đạc: “Cách mô tả tự nhiên của chúng ta không nhằm mục đích làm phát lộ bản chất thực của các hiện tượng, mà đơn giản chỉ là để khám phá nhiều nhất có thể các mối quan hệ giữa rất nhiều khía cạnh của tồn tại của chúng ta”.

Quan điểm thuần tuý kinh nghiệm và thực dụng này là quan điểm được phần lớn các nhà vật lý học chấp nhận. Họ không quá bận tâm về những cơ sở và hệ quả triết học của khoa học vật lý, ngoài những phép đo. Theo phần lớn trong số họ, cơ học lượng tử là một lý thuyết rất tốt, giải thích cực kỳ chính xác hành trạng của vật chất ở cấp độ dưới nguyên tử và sự tương tác của vật chất với ánh sáng. Nó cho phép chúng ta chế tạo ra các chíp, laser, bán dẫn, truyền hình, máy tính và các máy móc kỳ lạ khác, làm đảo lộn lối sống của chúng ta. Nó tạo ra hết thành công này đến thành công khác. Vậy thì tại sao lại phải đi tìm kiếm xa hơn làm gì? Tại sao lại phải nghiên cứu sâu hơn? Đối với rất nhiều nhà nghiên cứu, như Bohr, nỗ lực tìm hiểu mức độ của hiện thực bên ngoài các dữ liệu thực nghiệm là chuyện vô ích và phù phiếm.

Nhà vật lý học người Pháp, Jean-Marc Lévy-Leblond đã tóm tắt tình trạng đó như thế này: “Không nên ảo tưởng với sự đồng thuận rộng rãi tồn tại hiện nay giữa các nhà vật lý đối với phần lớn các lý thuyết của họ {...}. Nó liên quan trước hết đến bộ máy lý thuyết, nghĩa là tập hợp các hình thức luận toán học dùng để giải thích kinh nghiệm của chúng ta về thế giới, và những thủ tục tính toán cho phép từ đó suy ra các giải thích và tiên đoán liên quan đến những quan sát của chúng ta {...}. Nhưng sự đồng thuận này vẫn để ngỏ rất nhiều câu hỏi về cách giải thích các lý thuyết này và ý nghĩa các khái niệm của chúng {...}. Đằng sau sự thống nhất bề ngoài này của cộng đồng khoa học, người ta nhận thấy những bất đồng trí tuệ nghiêm trọng, những bất đồng này càng sâu sắc hơn khi mà rất hiếm khi chúng được bộc lộ rõ {...}. Sự có quá nhiều quan điểm khác nhau này vẫn thường bị giấu kín bởi sự thờ ơ hoặc cẩn trọng mà phần lớn các nhà nghiên cứu thể hiện bên ngoài lĩnh vực nghiên cứu chuyên sâu của họ”.

Nói như vậy có nghĩa là một thiểu số các nhà vật lý đã dũng cảm tấn công trực diện vấn đề rút gọn hàm sóng và cố gắng đưa ra lời giải đáp.

Một thế giới tự phân chia thành vô số phiên bản

Một trong những cách tiếp cận độc đáo nhất và triệt để nhất là của nhà vật lý học người Mỹ, Hugh Everett được đưa vào năm 1957. Ông đưa ra một cách giải thích đáng ngạc nhiên về thực tại lượng tử. Theo ông, không hề có sự rút gọn sóng. Thay vì nói rằng hành động đo lựa chọn chỉ một lịch sử duy nhất trong vô số các khả năng được mô tả bằng hàm sóng, ông chủ trương rằng tất cả các khả năng đều được vật chất hóa, nhưng mỗi một khả năng được vật chất hóa trong một vũ trụ song song với vũ trụ chúng ta. Đó là cái mà người ta gọi là lý thuyết các “vũ trụ song song”. Theo lý thuyết này, vũ trụ được phân chia thành các phiên bản gần như giống nhau mỗi khi xuất hiện một thế đôi ngả hay một sự lựa chọn. Chẳng hạn, có một vũ trụ trong đó con mèo của Schrôdinger sống, và một vũ trụ khác trong đó con mèo chết. Trong vũ trụ này photon ở đây, trong vũ trụ khác photon ở kia, trong một vũ trụ thứ ba photon ở đó, và cứ như vậy tiếp diễn. Khái niệm vũ trụ song song đặt mèo chết và mèo sống cùng hàng. Nó cũng đặt ngang bằng vị trí được quan sát của photon với tất cả các vị trí khác ở đó xác suất (được tính bằng bình phương biên độ của hàm sóng) không bằng không. Photon chiếm tất cả các vị trí, dù được quan sát hay không, nhưng mỗi vị trí nằm trong một vũ trụ song song khác. Trong vô số các vũ trụ này, người quan sát lựa chọn một vũ trụ cụ thể nào đó, với một con mèo chết hoặc sống, với một vị trí xác định của photon. Các vũ trụ song song này cùng thực như nhau. Mỗi một vũ trụ chứa một người quan sát, người quan sát này cũng được phân thành vô số phiên bản. Nhưng tất cả hoàn toàn tách rời nhau: những người quan sát của vũ trụ này không bao giờ có thể kiểm tra những điều xảy ra trong một vũ trụ khác. Các vũ trụ song song này chưa bao giờ được kiểm chứng, vì chúng ta không bao giờ có thể quan sát được chúng.

Như vậy vũ trụ lao vào một cuộc hoan lạc nhân đôi, một cơn sốt chia nhỏ mỗi khi phải lựa chọn. Một số vũ trụ chỉ khác nhau bởi vị trí của chỉ một photon. Một số khác lại có các khác biệt lớn hơn. Sẽ có một vũ trụ trong đó bạn ở nhà ngồi đọc cuốn sách này, và một vũ trụ khác ở đó bạn đi nghe hòa nhạc. Cũng sẽ có các vũ trụ ở đó chiến tranh của Mỹ ở Việt Nam đã không xảy ra, nước Mỹ đã không xâm chiếm Iraq, bức tường Berlin đã không sụp đổ, con người không đi lên Mặt trăng, v.v... Các vũ trụ khác còn khác biệt một cách căn bản hơn: chúng có các định luật vật lý khác, các hằng số vật lý khác. Sẽ có, chẳng hạn, một vũ trụ ở đó ánh sáng không lan truyền với vận tốc 300.000km/s, mà ba mét mỗi giây. Khái niệm về trách nhiệm đạo đức không có đất tồn tại trong một thế giới các vũ trụ song song. Như vậy, một phạm nhân sẽ dễ dàng cầu xin lòng khoan dung của thẩm phán: mặc dù hắn đã thực hiện một vụ giết người trong vũ trụ này, nhưng trong một vũ trụ khác hắn có lẽ đã không phạm tội ác này. Tất cả mọi sự lựa chọn đã được thực hiện trước, không còn sự lựa chọn đích thực nữa.

Với vai trò là tác giả, bạn nghĩ rằng tôi sẽ phải ủng hộ lý thuyết các vũ trụ song song này. Cuốn sách này sẽ nhân lên thành vô số bản. Nhưng như vậy là đã quên mất rằng tác giả của nó cũng được nhân lên, và tiền bản quyền của mỗi một tác giả trong mỗi một vũ trụ vẫn không đổi!

Đến đây thì lương tri của bạn không còn chịu nổi nữa: bằng cách nào ý thức và cá tính của mỗi chúng ta lại có thể bị phân thân thành vô số các phiên bản mà chúng ta không nhận thấy? Nhưng liệu có thể dùng lương tri làm người dẫn đường trong cái thế giới đầy kỳ lạ của cơ học lượng tử? Dù sao đi nữa, lý thuyết về các vũ trụ song song, cũng như tất cả các lý thuyết được xây dựng để giải thích sự rút gọn của hàm sóng, đều không mâu thuẫn với bất kỳ một thí nghiệm trong phòng thí nghiệm nào.

Vai trò của ý thức

Một số lý thuyết khác không nhân vũ trụ lên vô hạn, mà chấp nhận quan điểm cho rằng hành động đo tách ra một lịch sử cụ thể trong tất cả các khả năng tiềm ẩn. Tác giả của các lý thuyết này dành cho ý thức của người quan sát một vai trò cốt yếu. Chính ý thức thực hiện sự lựa chọn và gây ra sự rút gọn của sóng. Các lý thuyết viện đến sự can thiệp của ý thức con người gọi là các thuyết “duy tâm” hay “chủ quan”. Tên của nhà vật lý học người Mỹ gốc Hungari, Eugene Wigner (1902-1995) đã được gắn với các lý thuyết này. Hãy nghe ông nói: “Không thể mô tả các hiện tượng nguyên tử mà không nói đến sự tham gia của ý thức. Chính một ấn tượng đi vào ý thức của chúng ta đã làm thay đổi hàm sóng”. Nhưng gán một vai trò chủ đạo cho ý thức chẳng phải là không có vấn đề. Cần phải có một khoảng thời gian nhất định giữa thời điểm máy ghi lại kết quả đo và thời điểm người quan sát ý thức về phép đo này: đó thời gian cần thiết để ánh sáng lan truyền từ máy đo đến mắt của nhà thực nghiệm, và để thông tin được dây thần kinh thị giác truyền lên não và được các nơron của não xử lý. Điều đó đúng là chỉ mất một phần nhỏ của giây, nhưng quá trình này không phải là tức thì. Bằng cách giả định rằng sự rút gọn hàm sóng chỉ xảy ra ở thời điểm ý thức về phép đo, những người theo chủ nghĩa duy tâm phải giả định ý thức của người quan sát phát ra một tín hiệu lần ngược lại thời gian và thông báo cho dụng cụ đo thời điểm chính xác của sự tương tác của hạt với máy đo. Một kịch bản chẳng kém phần kỳ cục và rối rắm.

Sự kỳ cục này đã được đẩy lên đến phi lý khi người quan sát được thay bằng một thiết bị ghi tự động. Trong một thí nghiệm về sự va chạm của các hạt trong máy gia tốc năng lượng cao của CERN, vài tháng, thậm chí vài năm sau thí nghiệm thì các kết quả được ghi trên các dải từ mới được phân tích. Phải đến lúc này chúng mới đi vào ý thức của con người. Có thể giả định như thế nào về tín hiệu mà một bộ óc có ý thức phát ra để nó là nguyên nhân gây ra sự rút gọn của sóng vài tháng hoặc vài năm trước khi nó ý thức về điều đó? Thật khó tin.

Một cách tiếp cận khác, cũng trao vai trò to lớn cho ý thức, đó là cách tiếp cận của Werner Heisenberg, cha đẻ của nguyên lý bất định. Ông coi hàm sóng không phải như một mô tả thực tại lượng tử - một photon ở đây hay ở kia - mà như một biểu diễn sự hiểu biết của chúng ta về hiện thực. Trước khi đo, chúng ta không biết photon ở đâu. Sau phép đo, chúng ta biết chính xác vị trí của nó (nhưng theo nguyên lý bất định chúng ta lại không biết vận tốc của nó). Sự thay đổi đột ngột này trong ý thức của chúng ta về hệ làm cho hàm sóng bị rút gọn thành một và chỉ một khả năng.

Loại giả định này trao cho ý thức con người vai trò quan trọng và làm nổi lên nhiều vấn đề chưa có lời giải. Trước khi con người có ý thức xuất hiện trên Trái đất, chẳng có một ai để nhắc đến sự rút gọn hàm sóng. Thế giới vật lý lúc đó phải chăng rất khác với trạng thái hiện nay của nó? “Ý thức” của một con amíp, một con cá hay một con chim liệu có thể làm việc đó không? Liệu nó có đủ “tân tiến” để các thay đổi xuất hiện trong ý thức của chúng về hiện thực có thể gây ra sự rút gọn của hàm sóng?

Thay đổi hàm sóng

Do các quan điểm này vấp phải nhiều khó khăn nên đã xuất hiện các thuyết gọi là “duy vật” hay “khách quan”, đối lập với các thuyết duy tâm. Ngược lại với thuyết duy tâm, các thuyết duy vật khẳng định rằng ý thức không đóng bất kỳ vai trò nào, rằng thế giới không hề phụ thuộc vào sự hiện diện của người quan sát, rằng nó tồn tại như nó vốn thế, độc lập với mọi hành động quan sát. Nhưng khi đó sẽ giải thích như thế nào về sự rút gọn của hàm sóng? Sẽ làm thế nào hiểu được rằng các hệ vĩ mô như các dụng cụ đo không có cùng hành trạng như các hạt cơ bản đối với hàm sóng? Các nhà vật lý người Italia Giancarlo Ghirardi, Alberto Rimini và Tullio Weber đã đề xuất sửa đổi hàm sóng Schrôdinger sao cho sự thay đổi này không có bất kỳ tác động nào lên diễn tiến lượng tử của các hạt đơn lẻ, nhưng có một tác động đáng kể lên hành trạng lượng tử của các vật vĩ mô trong cuộc sống hàng ngày, như các dụng cụ đo.29 Sự thay đổi toán học này đưa vào một sự bất ổn định cố hữu của hàm sóng, gây ra một sự rút gọn tức thì vô số các khả năng thành chỉ một khả năng. Các nhà vật lý người Italia cho rằng đối với một hạt cơ bản, sự rút gọn tức thì này sẽ chỉ được thực hiện trung bình khoảng một tỉ năm một lần. Thời gian quá dài này muốn nói rằng chúng ta sẽ không thấy thay đổi đáng kể trong hành trạng của các hạt so với mô tả mà cơ học lượng tử trong phiên bản quen thuộc của nó đưa ra. Có một điều lý thú là sự mô tả này đã được kiểm chứng bằng quan sát ở một mức độ chính xác rất cao. Ngược lại, đối với các vật vĩ mô cấu thành từ một số rất lớn các hạt, như các nhà thực nghiệm và các dụng cụ đo đạc của họ (cơ thể chúng ta chứa khoảng một tỉ tỉ tỉ hạt, và một dụng cụ đo chứa khoảng một phần mười số hạt của cơ thể chúng ta), sự rút gọn tức thì hàm sóng của một hạt trong các vật này chỉ có thể xảy ra trong một phần giây rất nhỏ. Bởi vì tất cả các hạt trong các vật vĩ mô này tương tác với nhau, nên xảy ra một dạng hiệu ứng domino lan truyền sang toàn bộ các hạt, và như vậy xảy ra sự rút gọn hàm sóng của tập hợp “hạt và dụng cụ đo”.

Về nguyên tắc, quan điểm của các nhà vật lý Italia có thể kiểm tra được.

Trong một số tình huống, quan điểm tiên đoán các hiệu ứng khác với các hiệu ứng do cơ học lượng tử trong phiên bản quen thuộc của nó dự báo. Nhưng các hiệu ứng này nhỏ tới mức công nghệ hiện nay chưa cho phép chúng ta đo được.

Ảnh hưởng của môi trường

Cuối cùng, tôi đi đến lý thuyết mà tôi thấy có thể chấp nhận được nhất và hứa hẹn nhất, thuyết mà tôi thấy có nhiều khả năng đúng nhất, và được phần lớn các nhà vật lý coi là một thuyết chứa đựng thành phần cốt yếu của thực tại lượng tử. Đó là lý thuyết “mất kết hợp” (décohérence). Thuyết này được nhà vật lý người Đức, Dieter Zeh đưa ra năm 1970. Nhà vật lý người Đức, Erich Joos và người Mỹ, Wojciech Zurek cũng đã góp công vào lý thuyết này. Thuyết mất kết hợp đưa vào một thành phần cơ bản mà cho tới đây vẫn vắng bóng trong các thảo luận của chúng ta: đó là môi trường của nhà thực nghiệm và dụng cụ thí nghiệm. Mọi sinh vật, mọi vật đều nằm trong một môi trường và tương tác với môi trường đó. Thật vậy, dụng cụ đo liên tục bị photon và các phân tử không khí va đập. Không có gì là cố định và bất động hết. Tất cả đều chuyển động, tất cả đều thay đổi, tất cả đều vô thường. Trong khi tôi viết các trang này, hàng trăm tỉ hạt nơtrino - các hạt có khối lượng rất nhỏ tương tác rất yếu với vật chất, sinh ra từ những khoảnh khắc đầu tiên của vũ trụ - xuyên qua cơ thể tôi mỗi giây. Cuốn sách mà bạn đang cầm trong tay được cấu thành từ vô số nguyên tử và phân tử; nếu bạn có đôi mắt có khả năng nhìn ở thang dưới nguyên tử, bạn sẽ nhìn thấy chúng sôi sục và liên tục va chạm vào nhau. Không có gì là biệt lập, tất cả đều phụ thuộc lẫn nhau.

Nếu mọi người hoặc mọi vật đều phải tương tác với môi trường của mình, thì lẽ tất nhiên chúng ta phải tính đến sự tương tác này khi xem xét diễn tiến lượng tử của hàm sóng của một dụng cụ đo. Nếu, trong các hoàn cảnh bình thường, các photon và phân tử không khí không quá giàu năng lượng để làm thay đổi chuyển động hay vị trí của một máy dò (mặc dù một chuyển động có năng lượng lớn của các nguyên tử không khí, như một cơn gió dữ dội, có thể làm dịch chuyển nó, thậm chí hất đổ nó), thì chúng có thể gây ra các nhiễu động nhỏ trong hàm sóng của dụng cụ đo hay, nói cách khác, làm nhiễu động sự “kết hợp” của nó. Các phân tử không khí bao quanh bạn va chạm thường xuyên với cơ thể bạn. Bạn không cảm thấy áp lực của không khí lên da bạn là do các phân tử này có khối lượng rất nhỏ (cỡ 10-21 gam). Nhưng các phân tử không khí làm mất trật tự, mất kết hợp trong dãy có trật tự của các đỉnh và hõm của hàm sóng của dụng cụ đo. Chúng làm cho nó trở nên thiếu chính xác hơn, kéo theo sự biến mất của các vân giao thoa trong thí nghiệm khe Young. Nhưng, nói vắng bóng giao thoa nghĩa là nói rút gọn sóng. Nói cách khác, chính sự bắn phá liên tục của các thành phần của môi trường lên dụng cụ đo đã gây ra sự rút gọn hàm sóng. Nó làm cho hạt ánh sáng đổi bộ áo sóng sang bộ áo hạt.

Chúng ta hãy lấy ví dụ về một photon mà hàm sóng của nó nói với chúng ta rằng nó có xác suất 75% ở “kia” và 25% ở “đây”. Nếu chúng ta đo vị trí của photon bằng một dụng cụ vĩ mô đặt trong một môi trường mà dụng cụ đo có tương tác, dụng cụ này có 75% khả năng chỉ vị trí “kia” và 25% khả năng chỉ vị trí “đây”. Nhưng nó luôn luôn chỉ hoặc là “đây” hoặc là “kia”. Do sự “mất kết hợp” của hàm sóng của dụng cụ đo do môi trường của nó gây ra, dụng cụ này không bao giờ nằm trong một trạng thái hư ảo ở đó nó chỉ một tổ hợp 75% “kia” với 25% “đây”. Giống như bạn gieo một đồng xu: nó có 50% khả năng rơi sấp hoặc ngửa. Nhưng nó sẽ luôn rơi sấp hoặc ngửa. Không bao giờ nó nằm trong trạng thái vừa sấp vừa ngửa cả. Còn về con mèo của Schrôdinger, rất lâu trước khi bạn đi vào trong phòng để kiểm tra tình trạng của nó, môi trường đã hoàn thành sứ mệnh của nó và buộc con mèo phải có một số phận xác định. Con mèo hoặc chết, hoặc sống, nhưng không bao giờ vừa sống vừa chết.

Như vậy, các lực làm “mất kết hợp” được tác dụng bởi vô số các nguyên tử và phân tử va chạm vào dụng cụ đo đã loại đi những điều các kỳ lạ của cơ học lượng tử. Các tương tác nhỏ này của một hệ vật lý với môi trường của nó đã gây ra sự rút gọn hàm sóng của hạt được quan sát. Gần như thể là môi trường đã chiếm cho mình vai trò của người quan sát.

Sự mất kết hợp của hàm sóng xảy ra chỉ trong nháy mắt. Hãy xét một hạt bụi lơ lửng trong phòng bạn, bị các phân tử không khí không ngừng bắn phá. Sự rút gọn hàm sóng do môi trường gây ra sau khoảng thời gian vô cùng ngắn cỡ một phần tỉ tỉ tỉ tỉ (10-36) giây!

Với sự mất kết hợp, hàng rào mà Bohr dựng nên giữa thế giới vi mô và thế giới vĩ mô không còn đất tồn tại nữa. Với ý thức và dụng cụ của mình, người quan sát không còn đóng một vai trò tách biệt, bởi vì anh ta nằm trong môi trường giống như photon và các phân tử không khí. Hành động quan sát không còn chuyên biệt nữa, vì nó chỉ là một ví dụ khác về tương tác của hạt được quan sát với môi trường của nó. Người quan sát và hạt cơ bản là bình đẳng, vì sự tiến hóa lượng tử của cả hai đều được mô tả bằng hàm sóng Schrôdinger.

Nhưng không phải mọi sự điều hoàn toàn tốt đẹp cả. Một câu hỏi quan trọng vẫn còn cần được làm sáng tỏ trong lý thuyết mất kết hợp. Trong số tất cả các khả năng tồn tại trước hành động đo, bằng cách nào sự mất kết hợp lại chọn một lịch sử xác định nào đó? Hạt có thể quyết định ở “kia” chứ không ở “đây” như thế nào? Tại sao con mèo của Schrôdinger lại sống chứ không chết? Trong trường hợp một đồng xu được gieo, nếu chúng ta biết chính xác nó đã được gieo như thế nào, khối lượng, vị trí và vận tốc ban đầu của nó ra sao, thì về nguyên tắc chúng ta có thể sử dụng vật lý cổ điển để xác định trước nó sẽ rơi sấp hay ngửa (trong thực tiễn, chúng ta không bao giờ có được tất cả các thông tin này với độ chính xác mong muốn, và chính vì thế chúng ta mới nói đến xác suất: đồng xu có 50% khả năng rơi sấp hoặc ngửa). Nhưng điều đó không đúng với thuyết mất kết hợp. Cho tới hiện nay, nó vẫn chưa cung cấp cho chúng ta các phương tiện tính toán, dù chỉ ở dạng nguyên tắc, khả năng nào trong vô số các khả năng sẽ trở thành hiện thực.

Chúng ta đã đi đến đoạn cuối của cuộc viễn du qua lịch sử ánh sáng. Sau rất nhiều biến cố và thăng trầm, ngày hôm nay người ta đã xác lập được một cách chắc chắn rằng ánh sáng có bản chất lưỡng tính. Các quan điểm hạt của Newton, Planck và Einstein đã được trích dẫn cũng nhiều như các mô tả sóng của Huygens, Young, Fresnel, Faraday và Maxwell. Khi chúng ta không quan sát nó, ánh sáng có dáng vẻ sóng và hiện diện đồng thời khắp nơi. Một hằng hà sa số các khả năng được cung cấp cho nó: nó có thể đi đồng thời sang trái và sang phải, giao thoa với chính mình, triệt tiêu nhau thậm chí hoàn toàn ở một số vị trí. Nhưng, ngay khi chúng ta quan sát nó bằng một dụng cụ đo, nó liền khoác bộ áo hạt, với một lịch sử xác định. Hành động đo làm cho một lịch sử cụ thể được kết tinh từ vô số các khả năng.

Sau khi suy nghĩ về bản chất vật lý sâu xa của ánh sáng, giờ chúng ta hãy suy nghĩ về nguồn gốc của nó, về các vật khác nhau là nguồn của ánh sáng trong vũ trụ. Chúng ta hãy nhìn gần hơn những cảnh tượng tuyệt vời mà ánh sáng đã ban cho chúng ta.

16Một đường hình sin là đường cong phẳng biểu diễn hàm sin hoặc cosin.

17Điều này làm cho tích của tần số với bước sóng bằng vận tốc của ánh sáng.

18Trong quang học, chỉ sự chồng chập của hai ánh sáng có cùng tần số mới cho các kết quả thú vị. Trong thực tiễn, người ta có thể thu được hai ánh sáng này bằng cách chia ánh sáng đến từ cùng một nguồn sáng thành hai chùm sáng khác nhau. Trong ví dụ trước về hai ngọn đèn, hai chùm sáng không có cùng tần số, vì chúng không đến từ cùng một nguồn sáng. Điều đó giải thích tại sao bạn không bao giờ có nguy cơ nhìn thấy các vân tối trong phòng của bạn khi thắp cùng lúc hai bóng điện!

19Hiện tượng giao thoa không chỉ đúng cho ánh sáng. Trên thực tế nó còn được áp dụng cho mọi hiện tượng sóng. Người ta cũng quan sát được hiện tượng các sóng âm giao thoa với nhau. Hơn hai thế kỷ sau, hai nhà vật lý Mỹ là Clinton Davisson (1881-1958) và Lester Germer (1896-1971) đã tạo ra được sự giao thoa với các electron, và qua đó chứng minh được những nguyên lý cơ bản của cơ học lượng tử, nghĩa là các hạt cũng là các sóng ở thang dưới nguyên tử.

20 Đó là ête nổi tiếng, môi trường này truyền các dao động.

21Nguyên lý tiết kiệm của tự nhiên do Fresnel trình bày bởi gợi ta nhớ đến nguyên lý “dao cạo Occam” gọi theo tên của nhà thần học và triết học Guillaum d'Occam thế kỷ XIV. Nguyên lý d'Occam gọt bỏ một cách có hệ thống tất cả những giả thiết không cần thiết cho việc giải thích một sự kiện, và cho rằng một sự giải thích càng đơn giản thì càng có nhiều cơ hội đúng hơn là một sự giải thích phức tạp.

22Trên thực tế, Viện hàn lâm Thụy Điển đã yêu cầu dứt khoát Einstein không được đả động đến thuyết tương đối hẹp của ông trong diễn văn nhận giải. Nhưng cuối cùng, một trở ngại đã không cho phép Einstein tham dự lễ trao giải chính thức ở Stockholm. Ông đã đọc diễn văn nhận giải của mình ở Gothenbourg, với sự hiện diện của Vua Thụy Điển Gustave V. Vua Gustave đã rất tò mò muốn biết thêm về thuyết tương đối hẹp của Einstein và Einstein đã rất hài lòng đáp ứng yêu cầu của ông.

23Để biết chi tiết hơn các tachyon làm đảo lộn quan hệ nhân quả như thế nào, xem Trịnh Xuân Thuận, Hỗn độn và Hài hòa, bản dịch của Phạm Văn Thiều và Nguyễn Thanh Dương, NXB. Khoa học và Kỹ thuật, 2007.

24Laplace gọi vật này không phải là “lỗ đen” (tên được nhà vật lý học người Mỹ, John Wheeler đặt vào năm 1967) mà là “thiên thể bị bít kín”.

25Để biết kỹ hơn về các tính chất của các lỗ đen, xem thêm sách của cùng tác giả Nguồn gốc - Nỗi hoài niệm về những thuở ban đầu, Bản dịch của Phạm Văn Thiều và Ngô Vũ, NXB Trẻ, 2006; Hỗn độn và hài hòa, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2007.

26Werner Heinsenberg đã biểu thị được bằng toán học mối quan hệ giữa độ chính xác trong phép đo vị trí và độ chính xác trong phép đo vận tốc của một hạt: tích của độ bất định về vị trí và độ bất định về vận tốc luôn bằng hoặc lớn hơn hằng số Planck chia cho 2n.

27Chính xác hơn, tích của độ bất định về năng lượng của một hạt và độ bất định về thời gian sống của nó phải lớn hơn hoặc bằng hằng số Planck chia cho 2n.

28Richard Feynman, Tính chất của các định luật vật lý, NXB Giáo dục.

29Xem biện luận bởi Brian Greene, The Fabric of the Cosmos, New York, Alfred A. Knopf, 2004, tr. 207.