Trả lời bởi Mark John Fernee, tiến sĩ vật lý tại Đại học Queensland
Có hai cách để tiếp cận Thuyết Tương Đối: Ý nghĩa thực sự và điều mà nó tiên đoán. Nếu hiểu được cách sâu sắc ý nghĩa ẩn sau nó, bạn sẽ trả lời được những câu hỏi như tại sao mình không thể di chuyển nhanh hơn ánh sáng.
Để hiểu được Thuyết Tương Đối Hẹp, bạn cần hiểu hai tiên đề nền tảng của lý thuyết này. Những tiên đề này sẽ dẫn tới các phép toán của lý thuyết và chính chúng sẽ đưa ra những tiên đoán rất kỳ lạ, đến mức phản thường lý.
Tiên đề 1: Không có hệ quy chiếu nào được ưu tiên. Không có sự khác biệt về hệ quy chiếu. Đây là Tiên Đề Tương Đối, nghĩa là các định luật vật lý sẽ không thay đổi trong những hệ quy chiếu khác nhau. Mọi vật sẽ hành xử giống nhau trong các hệ quy chiếu cho trước. Hãy tưởng tượng về một người đang đứng yên trên mặt đất. Anh ta có thực sự đứng yên? Trái Đất đang tự quay quanh trục của nó và xung quanh Mặt Trời. Chúng ta đang di chuyển trong vũ trụ, nhưng vẫn cảm thấy mình đang đứng yên. Ta ném một quả bóng lên không trung theo chiều thẳng đứng và nó sẽ rơi trở lại cũng theo chiều đó… Vậy nên ta cảm thấy mình đang đứng yên (vì mọi vật xung quanh cũng hành xử giống vậy), mặc dù Trái Đất thực sự đang chuyển động trong vũ trụ.
Hãy nghĩ xem: nếu đứng ở xích đạo thì bạn đang di chuyển nhanh hơn khi đứng tại một nơi gần Bắc Cực, nhưng bạn lại không cảm nhận được điều đó. Tiên Đề Tương Đối chỉ xem xét tốc độ di chuyển của bạn so với một vật khác. Cảm giác khi ngồi xe lửa cũng chẳng khác gì khi ngồi trên máy bay, dù trên thực tế tốc độ của chúng rất khác.
Tiên đề 2: Tốc độ ánh sáng là như nhau trong mọi hệ quy chiếu. Nghĩa là bạn không thể chạy đủ nhanh để bắt kịp một tia sáng. Tốc độ của ánh sáng luôn không đổi. Điều này nghe có vẻ kỳ lạ nhưng nó đã được Maxwell tiên đoán trước cả khi Thuyết Tương Đối ra đời. Lý thuyết của Maxwell miêu tả các đặc điểm của điện trường và từ trường, và ông đã thống nhất chúng thành lý thuyết về điện từ trường. Thuyết này tiên đoán rằng sóng điện từ truyền đi với tốc độ độc lập với tốc độ của nguồn phát. Einstein đã dựa vào điều này và Tiên Đề Tương Đối để xây dựng Thuyết Tương Đối Hẹp của ông.
Kiến thức từ lịch sử này có thể làm lu mờ tầm quan trọng thực sự của tiên đề 2. Vì tiên đề này tương đương với việc yêu cầu tất cả quan sát viên chuyển động với tốc độ khác nhau đồng ý rằng nguyên nhân gây ra kết quả. Điều này dường như rất hợp lý vì hầu hết mọi người đều dùng nguyên tắc nhân – quả để hiểu sự vật. Do đó, tiên đề thứ hai này tương đương với tiên đề về nhân – quả; tiên đề nhân – quả yêu cầu một tốc độ ánh sáng bất biến trong việc truyền thông tin.
Tiên Đề Tương Đối cùng Tiên Đề Nhân Quả tiết lộ rằng không gian và thời gian có sự liên kết với nhau. Nếu di chuyển càng nhanh trong không gian, thì bạn sẽ du chuyển càng chậm theo chiều của thời gian (ND: ý nói tốn ít thời gian hơn). Đây chính là hiệu ứng “giãn nở thời gian”. Sự giãn nở thời gian sẽ dẫn tới sự co chiều dài. Nếu bạn di chuyển với tốc độ gần đạt tốc độ ánh sáng thì toàn bộ không gian sẽ co lại theo chiều đang chuyển động, nên vật ở xa sẽ trở nên gần hơn. Trên thực tế, khi đạt được tốc độ ánh sáng thì toàn bộ vũ trụ sẽ co lại thành một chiếc bánh kếp phẳng và thời gian sẽ ngừng trôi hoàn toàn. Đó chính là điều mà một photon cảm thấy. Đối với nó, vũ trụ không hề rộng lớn. Photon được phát xạ và hấp thụ cùng một lúc, giống như không gian chẳng hề tồn tại vậy. Điều này dẫn đến vài điều thú vị trong lý thuyết điện từ.
E=mc^2 là phương trình dễ nhận ra nhất trong vật lý; nó trực tiếp được rút ra từ Định Luật Bảo Toàn Năng Lượng và Định Luật Bảo Toàn Động Lượng. Do đó, phương trình lừng danh này nói rằng năng lượng và vật chất là hai mặt của một đồng xu, và vật chất chỉ là một hình thức lưu trữ năng lượng. Đây là kết quả thuần túy từ các tiên đề của Thuyết Tương Đối Hẹp. Thêm nữa, phương trình này chỉ là một lời tuyên bố về sự đối xứng của không-thời gian. Sự đối xứng ấy được tham chiếu từ phép đối xứng Lorentz, và là một cách để khẳng định rằng các định luật vật lý không phụ thuộc vào tốc độ, tọa độ trong không gian hay thời gian. Do đóm tất cả các quan sát viên đều nhất trí về trật tự nhân – quả. Nhờ Thuyết Tương Đối Hẹp nên chúng ta mới có thể dùng kính viễn vọng để nhìn vào những nơi xa thẳm trong vũ trụ và tại những thời điểm xa xăm trong quá khứ, vì các định luật vật lý không hề thay đổi.
Thuyết Tương Đối Hẹp là một trong những lý thuyết nền tảng của vật lý hiện đại. Nó thực sự đã đặt nền móng cho mọi lý thuyết hiện đại từng được xây dựng.
Thuyết Tương Đối Rộng là một thách thức rất lớn về mặt toán học. Đó là lý thuyết về cách thức bẻ cong không-thời gian của lực hấp dẫn. Thoạt nhìn thì có vẻ ta không tài nào hiểu được thuyết này, nhưng thực tế thì không phải thế. Ý tưởng đã đưa Einstein đến với Thuyết Tương Đối Rộng khá đơn giản nhưng cũng không kém phần sâu sắc.
Trong lúc đang rảo bước trên đường vào một ngày nọ, Einstein đã nhìn thấy một nhóm người đang làm việc trên mái nhà. Rồi ông chợt nảy ra ý tưởng: nếu một trong những người đó rơi thì anh ta sẽ không cảm nhận được tác động của các lực tác động vào mình cho tới khi chạm đất. Ông gọi đó là “Ý tưởng hạnh phúc nhất đời tôi!”. Không phải Einstein thực tâm mong người nào đó sẽ rơi từ trên mái nhà xuống đất, mà chỉ là ông nhận ra rằng: trong quá trình rơi, sẽ không còn lực nào tác động lên vật nữa.
Vậy điều đó nghĩa là gì? Khi đứng trong trường hấp dẫn, chúng ta sẽ cảm nhận được tác động của trọng lực. Einstein đã nghĩ ra thí nghiệm tưởng tượng về một người đứng trong một không gian (như trong tàu vũ trụ) đang chịu một gia tốc không đổi. Ông cho rằng: nếu gia tốc của tàu vũ trụ 1g, thì cảm giác của người đó khi đang trong tàu vũ trụ sẽ chẳng khác gì khi anh ta đang đứng trên bề mặt Trái Đất. Về cơ bản, ta sẽ không thể phân biệt được sự khác nhau giữa một gia tốc bất kỳ và gia tốc trọng trường. Điều này hiện được gọi là Tiên Đề Tương Đương. Tiên Đề Tương Đương tuyên bố rằng tác động của gia tốc trọng trường cũng giống như tác động của bất kỳ gia tốc nào khác. Và điều này là điều thiết để giúp Thuyết Tương Đối Rộng tương thích với Thuyết Tương Đối Hẹp: khi vắng mặt trường hấp dẫn, Thuyết Tương Đối Rộng sẽ trở thành Thuyết Tương Đối Hẹp.
Ý tưởng chủ chốt ở đây là khi một người rơi tự do trong trường hấp dẫn, anh ta sẽ cảm thấy mình như không trọng lượng; và nếu không có trường hấp dẫn thì các hiện tượng cũng giống như trong hệ quy chiếu quán tính. Nhờ đó, Einstein có thể mở rộng Thuyết Tương Đối Hẹp để nó có thể bao gồm cả trường hấp dẫn khi ông coi hệ quy chiếu quán tính là chuyển động rơi tự do.
Giờ hãy xét đến việc ánh sáng chỉ là một dạng năng lượng. Và vì Einstein đã nói rằng năng lượng tương đương với khối lượng, nên nếu khối lượng rơi tự do thì ánh sáng cũng phải như vậy. Nghĩa là ánh sáng cũng rơi trong trường hấp dẫn. Những phương trình mô tả chuyển động rơi tự do của ánh sáng đươc gọi là “đường trắc địa”, và chúng cong đi quanh những vật có khối lượng lớn như Mặt Trời và Trái Đất.
Nếu không có trường hấp dẫn, hai chùm sáng song song sẽ truyền đi mà mãi mãi không cắt nhau. Nhưng nếu nằm trong trường hấp dẫn, hai chùm sáng sẽ truyền đi theo không gian cong và chúng có thể cắt nhau. Điều này dẫn tới hiện tượng “thấu kính hấp dẫn” mà hiện rất thường thấy trong các quan sát của ngành thiên văn học. Khi nhận định “hấp dẫn sẽ bẻ cong tia sáng” của Einstein được chứng thực, danh tiếng của ông bỗng chốc nổi như cồn.
Có một nguyên lý áp dụng cho ánh sáng gọi là Nguyên Lý Thời Gian Ngắn Nhất (principle of least time), nói rằng ánh sáng sẽ truyền đi theo con đường ngắn nhất giữa hai điểm. Khi không có trường hấp dẫn, nó chính là đường thẳng. Nhưng ta biết rằng ánh sáng sẽ truyền đi trong trường hấp dẫn theo đường cong của không gian (nếu áp dụng cho không gian phẳng bình thường thì đây không phải là đường ngắn nhất). Điều này nghĩa là không gian và thời gian phải bị uốn cong để đảm bảo rằng đường cong mà ánh sáng truyền theo chính là đường ngắn nhất. Trong trường hợp này, thời gian phải trôi chậm hơn nhiều và không gian phải co lại dọc theo đường cong của trường hấp dẫn để giữ cho tốc độ ánh sáng không đổi. Chính không-thời gian cong đã dẫn tới dự đoán về sự giãn nở thời gian trong trường hấp dẫn: tại những nơi mà hấp dẫn càng mạnh thì đồng hồ sẽ chạy càng chậm. Nếu không gian và thời gian không đổi thì đường cong sẽ không phải là đường ngắn nhất, và Tiên Đề Nhân Quả sẽ bị vi phạm.
Vì hiệu ứng giãn nở thời gian trong trường hấp dẫn nên ta phải hiệu chỉnh thời gian cho hệ thống GPS: vì khi vệ tinh nằm ở những nơi có hấp dẫn yếu hơn nhiều, thời gian ở nơi đó sẽ chạy nhanh hơn thời gian trên bề mặt Trái Đất nhiều. Nếu không có Thuyết Tương Đối Rộng thì GPS sẽ không thể vận hành chính xác được. Trên thực tế, đồng hồ chính xác nhất từng được chế tạo hiện có khả năng phát hiện sự sai khác của hấp dẫn với mỗi một met độ dài nhờ hiệu ứng giãn nở thời gian.
Ý tưởng của Einstein về rơi tự do thực sự rất thú vị. Theo thường lý, chúng ta sẽ nghĩa rằng vũ trụ là môi trường không có hấp dẫn vì con người ở đó không có trọng lượng. Nhưng hiển nhiên là trong vũ trụ có hấp dẫn. Hấp dẫn của Mặt Trăng gây ra hiện tượng thủy triều trên Trái Đất; hấp dẫn của Mặt Trời tác động lên toàn bộ Hệ Mặt Trời, thậm chí còn vượt ngoài cả Sao Diêm Vương. Hiện tượng không trọng lượng trong vũ trụ chỉ đơn giản là những chuyển động rơi tự do. Tất cả các quỹ đạo đều là chuyển động rơi tự do. Khái niệm rơi tự do ấy kết hợp với phương trình E=mc^2 tiết lộ những cách truyền đi của ánh sáng trong không gian cong. Chúng được gọi là hệ phương trình trường của Thuyết Tương Đối Rộng.
Ta hãy nói thêm một chút nữa: khi bạn ném một viên đá lên không trung, chuyển động rơi tự do của nó được mô tả bằng một parabol. Và khi đã biết ánh sáng cũng rơi tự do, chúng ta có thể dự đoán về một tình huống mà hấp dẫn cực mạnh khiến ánh sáng cũng hành xử như viên đá: tức chuyển động của ánh sáng cũng được miêu tả bằng quỹ đạo parabol. Nơi đó chính là lãnh địa của lỗ đen – một nơi có hấp dẫn cực đại mà ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát ra được.
Một trong những ý nghĩa sâu sắc nhất của Thuyết Tương Đối Rộng là không-thời gian được định hình bằng vật chất và năng lượng nằm bên trong nó. Nhận định này cho phép hình thành các mô hình về vũ trụ. Chưa có một lý thuyết nào khác đưa ra được cách giải thích cho sự tồn tại của không gian và thời gian. Tất cả những điều này xuất phát từ ý tưởng về một người rơi từ mái nhà xuống; thực sự quá đỗi phi thường.
