Cách suy nghĩ về thuyết tương đối

Trong vật lý học Newton, không gian và thời gian có những đặc điểm nhận dạng độc lập của chúng, và không ai có thể trộn lẫn chúng với nhau. Với lý thuyết tương đối, được tổng hợp lại vào đầu thế kỷ 20, việc nói về không-thời gian đã trở nên gần như không thể tránh khỏi. Trong thuyết tương đối, không còn đúng khi không gian và thời gian có những ý nghĩa khách quan, riêng biệt. Những gì thực sự tồn tại là không-thời gian, và việc chia nhỏ nó thành không gian và thời gian chỉ đơn thuần là một quy ước hữu ích của con người.

Một trong những lý do chính khiến thuyết tương đối nổi tiếng là khó hiểu là do trực giác của chúng ta huấn luyện chúng ta nghĩ về không gian và thời gian như những thứ riêng biệt. Chúng ta trải nghiệm các đối tượng như có phạm vi trong “không gian”, và đó có vẻ như là một sự thật khá khách quan. Cuối cùng thì điều đó cũng đủ đối với chúng ta vì chúng ta thường di chuyển trong không gian với vận tốc thấp hơn nhiều so với tốc độ ánh sáng, vì vậy vật lý tiền tương đối tính hoạt động.

Nhưng sự không phù hợp này giữa trực giác và lý thuyết khiến bước nhảy vọt sang một viễn cảnh không-thời gian có phần đáng sợ. Điều tồi tệ hơn, các bài thuyết trình về thuyết tương đối thường có cách tiếp cận từ dưới lên - chúng bắt đầu với những quan niệm hàng ngày của chúng ta về không gian và thời gian và thay đổi chúng trong bối cảnh mới của thuyết tương đối.

Chúng ta sẽ khác một chút. Lộ trình của chúng ta đến thuyết tương đối hẹp có thể được coi là từ trên xuống, lấy ý tưởng về một không-thời gian thống nhất một cách nghiêm túc ngay từ đầu và xem điều đó ngụ ý gì. Chúng ta sẽ phải căng não một chút, nhưng kết quả là chúng ta sẽ hiểu sâu hơn nhiều về quan điểm tương đối tính về vũ trụ của chúng ta.

Sự phát triển của thuyết tương đối thường là do Albert Einstein, nhưng ông đã cung cấp nền tảng cho một tòa nhà lý thuyết đang được xây dựng kể từ khi James Clerk Maxwell hợp nhất điện và từ thành một lý thuyết điện từ duy nhất vào những năm 1860. Lý thuyết của Maxwell đã giải thích ánh sáng là gì - sóng dao động trong trường điện từ - và dường như gắn một ý nghĩa đặc biệt với tốc độ ánh sáng truyền đi. Ý tưởng về một lĩnh vực tồn tại tự nó không hoàn toàn trực quan đối với các nhà khoa học vào thời điểm đó, và điều tự nhiên là tự hỏi điều gì thực sự đang “vẫy” trong một làn sóng ánh sáng.

Các nhà vật lý khác nhau đã nghiên cứu khả năng ánh sáng truyền qua một môi trường mà họ gọi là ête phát quang. Nhưng không ai có thể tìm thấy bằng chứng cho bất kỳ loại ether nào như vậy, vì vậy họ buộc phải phát minh ra những lý do ngày càng phức tạp tại sao chất này không thể bị phát hiện. Đóng góp của Einstein vào năm 1905 là chỉ ra rằng ether đã trở nên hoàn toàn không cần thiết, và rằng chúng ta có thể hiểu rõ hơn các định luật vật lý mà không có nó. Tất cả những gì chúng tôi phải làm là chấp nhận một quan niệm hoàn toàn mới về không gian và thời gian. (OK, đó là rất nhiều, nhưng nó hoàn toàn xứng đáng.)

Lý thuyết của Einstein được gọi là thuyết tương đối hẹp, hay đơn giản là thuyết tương đối hẹp. Trong bài báo cơ bản của mình, “Về điện động lực học của các vật thể chuyển động, ”Ông lập luận cho những cách nghĩ mới về độ dài và thời lượng. Ông giải thích vai trò đặc biệt của tốc độ ánh sáng bằng cách cho rằng có một giới hạn tốc độ tuyệt đối trong vũ trụ - tốc độ mà ánh sáng chỉ truyền đi khi di chuyển qua không gian trống - và rằng mọi người sẽ đo tốc độ đó là như nhau, bất kể họ đang di chuyển như thế nào. Để làm cho điều đó thành công, anh ấy phải thay đổi quan niệm thông thường của chúng ta về thời gian và không gian.

Nhưng ông không đi xa đến mức ủng hộ việc kết hợp không gian và thời gian thành một không-thời gian thống nhất duy nhất. Bước đó được giao cho cựu giáo sư đại học của ông, Hermann Minkowski, vào đầu thế kỷ 20. Trường của thuyết tương đối hẹp ngày nay được gọi là không-thời gian Minkowski.

Một khi bạn có ý tưởng nghĩ về không-thời gian như một thể liên tục bốn chiều thống nhất, bạn có thể bắt đầu đặt câu hỏi về hình dạng của nó. Không-thời gian phẳng hay cong, tĩnh hay động, hữu hạn hay vô hạn? Minkowski không-thời gian là phẳng, tĩnh và vô hạn.

Einstein đã làm việc trong một thập kỷ để hiểu làm thế nào lực hấp dẫn có thể được đưa vào lý thuyết của ông. Bước đột phá cuối cùng của ông là nhận ra rằng không-thời gian có thể động và cong, và tác động của độ cong đó là thứ mà bạn và tôi trải nghiệm dưới dạng “lực hấp dẫn”. Thành quả của nguồn cảm hứng này là cái mà ngày nay chúng ta gọi là thuyết tương đối rộng.

Vì vậy, thuyết tương đối hẹp là lý thuyết về một không-thời gian cố định, phẳng, không có lực hấp dẫn; thuyết tương đối rộng là lý thuyết về không-thời gian động, trong đó độ cong làm phát sinh lực hấp dẫn. Cả hai đều được coi là lý thuyết "cổ điển" mặc dù chúng thay thế một số nguyên lý của cơ học Newton. Đối với các nhà vật lý, cổ điển không có nghĩa là “phi tương đối tính”; nó có nghĩa là "phi lượng tử." Tất cả các nguyên tắc của vật lý cổ điển hoàn toàn nguyên vẹn trong bối cảnh tương đối tính.

Chúng ta nên sẵn sàng từ bỏ thuyết tiền tương đối thích sự tách biệt của không gian và thời gian, và cho phép chúng hòa tan vào trường hợp nhất của không-thời gian. Cách tốt nhất để đạt được điều đó là suy nghĩ cẩn thận hơn về ý nghĩa của chúng ta khi gọi “thời gian”. Và cách tốt nhất để làm điều đó là quay trở lại, một lần nữa, về cách chúng ta nghĩ về không gian.

Hãy xem xét hai địa điểm trong không gian, chẳng hạn như nhà của bạn và nhà hàng yêu thích của bạn. Khoảng cách giữa chúng là bao nhiêu?

Vâng, điều đó phụ thuộc, bạn nghĩ ngay lập tức. Có khoảng cách “như đường chim bay”, nếu chúng ta có thể tưởng tượng đi theo một đường thẳng hoàn hảo giữa hai điểm. Nhưng cũng có khoảng cách bạn sẽ đi trên một hành trình trong thế giới thực, nơi có lẽ bạn bị giới hạn đi trên đường phố và vỉa hè công cộng, tránh các tòa nhà và các chướng ngại vật khác trên đường đi. Con đường bạn đi luôn dài hơn quãng đường chim bay, vì đường thẳng là khoảng cách ngắn nhất giữa hai điểm.

Bây giờ hãy xem xét hai sự kiện trong không-thời gian. Theo thuật ngữ kỹ thuật của thuyết tương đối, một “sự kiện” chỉ là một điểm duy nhất trong vũ trụ, được xác định bởi các vị trí trong cả không gian và thời gian. Một sự kiện, gọi là A, có thể là “ở nhà lúc 6 giờ chiều” và sự kiện B có thể là “tại nhà hàng lúc 7 giờ tối”. Hãy ghi nhớ hai sự kiện này và nghĩ về hành trình giữa A và B. Bạn không thể vội vàng để đến B sớm hơn; nếu bạn đến nhà hàng lúc 6:45, bạn sẽ phải ngồi đợi đến 7 giờ tối để đến được sự kiện trong không-thời gian mà chúng ta đã dán nhãn B.

Bây giờ chúng ta có thể tự hỏi mình, giống như chúng ta đã làm đối với khoảng cách không gian giữa nhà và nhà hàng, bao nhiêu thời gian trôi qua giữa hai sự kiện này.

Bạn có thể nghĩ rằng đây là một câu hỏi mẹo. Nếu một sự kiện diễn ra lúc 6 giờ chiều và sự kiện khác lúc 7 giờ tối, thì sẽ có một giờ giữa chúng, phải không?

Einstein nói rằng không nhanh như vậy. Chắc chắn là trong một quan niệm cổ xưa của Newton về thế giới. Thời gian là tuyệt đối và phổ quát, và nếu thời gian giữa hai sự kiện là một giờ, đó là tất cả những gì cần phải nói.

Thuyết tương đối kể một câu chuyện khác. Bây giờ có hai khái niệm khác nhau về ý nghĩa của “thời gian”. Một khái niệm về thời gian là tọa độ trên không-thời gian. Không-thời gian là một khối liên tục bốn chiều và nếu chúng ta muốn chỉ định các vị trí bên trong nó, thì sẽ thuận tiện khi đính kèm một số gọi là “thời gian” cho mọi điểm bên trong nó. Đó thường là những gì chúng ta nghĩ đến khi nghĩ về “6 giờ tối” và “7 giờ tối”. Đó là những giá trị của tọa độ trên không-thời gian, những nhãn giúp chúng ta xác định vị trí các sự kiện. Mọi người phải hiểu ý của chúng tôi khi chúng tôi nói “gặp nhau tại nhà hàng lúc 7 giờ tối”

Nhưng theo thuyết tương đối, cũng giống như khoảng cách mà con quạ bay thường khác với khoảng cách bạn thực sự di chuyển giữa hai điểm trong không gian, khoảng thời gian mà bạn trải qua nói chung sẽ không giống với thời gian tọa độ phổ quát. Bạn trải qua một khoảng thời gian có thể được đo bằng đồng hồ mà bạn mang theo trong cuộc hành trình. Đây là thời gian thích hợp dọc theo con đường. Và khoảng thời gian được đo bằng đồng hồ, giống như quãng đường đã đi được đo bằng đồng hồ đo đường trên ô tô của bạn, sẽ phụ thuộc vào con đường bạn đi.

Đó là một khía cạnh của ý nghĩa của việc nói rằng “thời gian là tương đối”. Chúng ta có thể nghĩ cả về thời gian chung theo tọa độ trên không-thời gian và về thời gian cá nhân mà chúng ta trải qua trên con đường của mình. Và thời gian cũng giống như không gian - hai khái niệm đó không cần phải trùng hợp. (Như nhà sử học Peter Galison đã chỉ ra, không phải ngẫu nhiên mà Einstein làm việc trong một văn phòng cấp bằng sáng chế của Thụy Sĩ vào thời điểm mà việc đi lại bằng đường sắt nhanh chóng buộc người châu Âu phải suy nghĩ về thời gian ở các thành phố khác trên khắp lục địa, để tòa nhà tốt hơn đồng hồ đã trở thành một biên giới công nghệ quan trọng.)

Tuy nhiên, phải có một cách nào đó mà thời gian không giống với không gian, nếu không chúng ta sẽ chỉ nói về không gian bốn chiều, thay vì chọn thời gian cho xứng đáng với nhãn hiệu riêng của nó. Và chúng tôi không nghĩ đến mũi tên thời gian ở đây - hiện tại, chúng tôi đang ở trong một thế giới đơn giản với ít bộ phận chuyển động, nơi entropy và không thể đảo ngược không phải là những điều chúng tôi phải lo lắng.

Sự khác biệt là thế này: Trong không gian, một đường thẳng mô tả khoảng cách ngắn nhất giữa hai điểm. Ngược lại, trong không-thời gian, một đường thẳng mang lại thời gian trôi qua dài nhất giữa hai sự kiện. Đó là việc lật từ khoảng cách ngắn nhất đến thời gian dài nhất để phân biệt thời gian với không gian.

"Đường thẳng" trong không-thời gian, chúng ta có nghĩa là cả một đường thẳng trong không gian và vận tốc di chuyển không đổi. Nói cách khác, một quỹ đạo quán tính, một quỹ đạo không có gia tốc. Cố định hai sự kiện trong không-thời gian - hai vị trí trong không gian và các khoảnh khắc tương ứng trong thời gian. Một khách du lịch có thể thực hiện hành trình giữa họ trên một đường thẳng với vận tốc không đổi (bất kể vận tốc đó cần là gì để họ đến đúng thời điểm) hoặc họ có thể chạy qua lại theo một đường không quán tính. Tuyến đường tới và lui sẽ luôn bao gồm nhiều khoảng cách không gian hơn, nhưng thời gian trôi qua lại ít hơn so với tuyến đường thẳng.

Tại sao nó lại như vậy? Bởi vì vật lý học nói như vậy. Hoặc, nếu bạn thích, bởi vì vũ trụ là như vậy. Có thể cuối cùng chúng ta sẽ khám phá ra một số lý do sâu xa hơn tại sao nó phải như vậy, nhưng trong tình trạng hiểu biết hiện tại của chúng ta, đó là một trong những giả định cơ bản mà chúng ta xây dựng vật lý, không phải là một kết luận mà chúng ta rút ra từ các nguyên lý sâu hơn. Đường thẳng trong không gian là khoảng cách ngắn nhất có thể; đường đi thẳng trong không-thời gian là thời gian dài nhất có thể.

Nó có vẻ trái ngược với trực giác rằng những con đường có khoảng cách lớn hơn sẽ mất ít thời gian thích hợp hơn. Vậy là được rồi. Nếu nó là trực quan, bạn sẽ không cần phải là Einstein để đưa ra ý tưởng.

Được điều chỉnh từ Những ý tưởng lớn nhất trong vũ trụ của Sean Carroll, với sự cho phép của Dutton, một chi nhánh của Penguin Publishing Group, một bộ phận của Penguin Random House LLC. Bản quyền © 2022 bởi Sean Carroll.