Tại sao bạn không thể làm cho ánh sáng nhanh hơn bằng cách đẩy nó?
Đôi khi người ta có thể nghe thấy cụm từ “mọi thứ đều là tương đối”, để mô tả lý thuyết tương đối của Albert Einstein. Tất nhiên điều này là sai: Nếu mọi thứ là tương đối, thì sẽ không có gì có thể là tương đối. Thay vào đó, Thuyết Tương đối tuyên bố rằng một số thứ chúng ta tin là tuyệt đối, trên thực tế là tương đối - như không gian, và thậm chí quan trọng hơn là thời gian. Mặt khác, nó cũng đòi hỏi một số thứ mà chúng ta từng nghĩ là tương đối, trên thực tế là tuyệt đối - chẳng hạn như tốc độ ánh sáng.
Không gian và thời gian của Newton là tuyệt đối!
Vào năm 1905, khi Einstein công bố lý thuyết tương đối của mình, điều này gây khá nhiều ngạc nhiên. Trong khoảng ba trăm năm, thế giới quan của Ngài Isaac Newton đã thống trị cách mọi người nghĩ về không gian, thời gian và vật chất. Nó diễn ra như thế này: Không gian và thời gian là tuyệt đối, cố định và không thể thay đổi. Điều này có nghĩa là, không gian đó có thể được coi là “sân khấu” vĩnh cửu, trên đó mọi vật chất đều được “chơi”, i. e. nơi các hạt chuyển động và tương tác với nhau. Đặc biệt, không gian không giống, và không phụ thuộc vào vật chất. Cơ bản hơn nữa là tính tuyệt đối của thời gian. Thời gian được cho là luôn trôi với cùng một tốc độ (như tính bằng “một giây trên giây”) và trôi qua với cùng một tốc độ ở mọi nơi, không phụ thuộc vào bất kỳ ai đã trải qua nó.
Các sự kiện khác nhau có thể xảy ra ở những nơi khác nhau, nhưng “cùng một lúc”. Tất cả điều này có ý nghĩa trực quan như nó đã làm vào thế kỷ 17. Rốt cuộc, chúng ta có cảm giác rằng "Điều gì đang xảy ra ở phía bên kia của trái đất ngay bây giờ?" là một câu hỏi hợp lý để hỏi, ngay cả khi nó có thể đòi hỏi một số nỗ lực để tìm ra câu trả lời. Thật không may, đó không phải là cách vũ trụ thực sự vận hành: nói đúng ra, câu hỏi thậm chí không có ý nghĩa! Và lý do duy nhất, chúng ta rất khó nhận ra sự thật này, đó là ánh sáng quá nhanh so với mọi thứ khác trên Trái đất - trong một giây một tia sáng có thể đi 7,5 vòng quanh hành tinh!
Đối với chúng ta, tốc độ có vẻ tương đối - nhưng đối với ánh sáng thì không!
Chính xác thì nó hoạt động như thế nào? Chà, nó bắt đầu với quan sát rằng tốc độ ánh sáng là không đổi đối với tất cả những người quan sát. Điều này thực sự khá khác so với những gì chúng ta thường làm! Trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, tốc độ là tương đối: Hãy tưởng tượng bạn ngồi trong một chiếc xe chạy nhanh trên đường cao tốc. Theo quan điểm của bạn, một chiếc xe hơi khác nhanh hơn một chút đang vượt qua bạn dường như đang bò qua bạn với tốc độ chậm một cách thận trọng. Tuy nhiên, đối với một người quan sát nó từ bên đường, chiếc xe đó thực sự rất nhanh. Vì vậy, tốc độ biểu kiến của ô tô thứ hai trên thực tế phụ thuộc vào người quan sát. Ngoài ra, đó là lý do tại sao một người ném lao phải "chạy lên" để lấy một số động lực trước khi cô ấy ném. Theo quan điểm của cô, tốc độ phóng lao rời khỏi tay cô là tốc độ ném thông thường. Tuy nhiên, theo quan điểm của trọng tài, đó là tốc độ ném cộng với tốc độ chạy của vận động viên. Và chính trọng tài là người phán đoán xem lao đã ném được bao xa, nên đương nhiên vận động viên muốn tăng tối đa tốc độ phóng lao cho mình.
Tất cả những điều này là khác nhau đối với ánh sáng!
Để lập luận, hãy giả sử rằng thay vì ném lao, vận động viên sẽ bật đèn pin trong khi chạy (đó sẽ là một kỳ Thế vận hội nhàm chán. Khi đó, tốc độ ánh sáng chiếu từ đèn pin sẽ thực sự giống nhau đối với trọng tài và vận động viên. Mặc dù một đang chạy trên cỏ, và người kia đang đứng yên. Nếu họ có thiết bị đo tốc độ của các hạt ánh sáng (gọi là photon) từ đèn pin, thì cả hai sẽ đo chính xác cùng một giá trị: khoảng 187.500 dặm / giây. Làm thế nào mà có thể được? Có phải một trong hai người đang mắc lỗi không? Có phải ném lao cũng giống như ném photon? Chắc chắn, nếu sau này bị bắn ra khỏi đèn pin, thì người ta sẽ có thể làm cho chúng nhanh hơn nữa bằng cách di chuyển đèn pin theo, phải không? Không, và đây là lý do: Tốc độ ánh sáng là tuyệt đối, bởi vì thời gian trôi qua là tương đối! Cụ thể hơn, khái niệm về sự đồng thời là khác nhau đối với trọng tài và vận động viên. Bây giờ đây là một cách khá phức tạp để đo tốc độ ánh sáng, minh họa quan điểm này: Giả sử trọng tài ở cách vận động viên một khoảng cách nào đó (giả sử là 100 thước).
Khoảnh khắc khi cô ấy bật đèn pin. Cô ấy giữ nó theo hướng của trọng tài, người mang một chiếc đồng hồ bấm giờ (rất, rất chính xác). Bởi vì vận động viên cũng cẩn thận, cô ấy cũng mang theo một cái. Họ đồng ý như sau: Vận động viên đang chạy về phía trọng tài, và khi vượt qua vạch 100 thước, cô ấy bật đèn pin và khởi động đồng hồ bấm giờ. Đồng thời, trọng tài cũng bắt đầu của mình. Ngay sau khi các photon từ đèn pin đến chỗ trọng tài, anh ta dừng đồng hồ bấm giờ của mình, đồng thời vận động viên cũng dừng tay của cô ta. Thông thường, những gì người ta mong đợi là như sau: Để xác định tốc độ của các hạt ánh sáng, họ cần chia quãng đường đi được cho thời gian họ cần để di chuyển nó. Cả hai đều bắt đầu và dừng đồng hồ của họ cùng một lúc, do đó, chúng đo chênh lệch thời gian như nhau. Nhưng đối với trọng tài, ánh sáng phải đi xa 100 thước, trong đó từ quan điểm của vận động viên, ánh sáng phải đi dưới 100 thước một chút. Bởi vì cô ấy đang chạy về phía trọng tài, cho nên theo quan điểm của cô ấy, trọng tài đang tiến về phía cô ấy, có hiệu quả rút ngắn khoảng cách một chút. Vì vậy, tốc độ ánh sáng theo quan điểm của trọng tài phải lớn hơn một chút so với quan điểm của vận động viên. Như đã nói, đây không phải là điều xảy ra! Đối với những thứ rất chậm so với tốc độ ánh sáng, đó là một phép gần đúng rất tốt, nhưng ngay khi mọi thứ trở nên thực sự nhanh, người ta phải tính đến bản chất tương đối tính của thời gian và không gian!
Đồng thời bị nhầm lẫn!
Đây là những gì thực sự xảy ra: Trọng tài và vận động viên sẽ hơi bất đồng về thời điểm bắt đầu chính xác và dừng đồng hồ bấm giờ của họ! Đơn giản là họ sẽ không thể làm điều đó “cùng một lúc”, bởi vì những khoảnh khắc cụ thể này sẽ khác nhau đối với họ. Từ quan điểm của trọng tài, cả hai bắt đầu đồng hồ của họ cùng một lúc, nhưng vận động viên sẽ dừng lại đồng hồ của cô ấy sớm hơn. Vì vậy, đối với cô ấy, vận động viên sẽ đo khoảng cách ngắn hơn, nhưng cũng trong thời gian ngắn hơn. Tuy nhiên, từ quan điểm của vận động viên, cả hai sẽ dừng đồng hồ của họ cùng một lúc, nhưng trọng tài đã bắt đầu đồng hồ của mình quá sớm. Vì vậy, theo quan điểm của cô ấy, trọng tài đo được một khoảng cách xa hơn, nhưng cũng trong một thời gian dài hơn. Nếu sau đó họ gặp nhau để so sánh các con số của mình, họ sẽ thấy rằng tỷ lệ đó sẽ mang lại kết quả giống nhau: Tốc độ ánh sáng của cả hai sẽ như nhau, bởi vì thời điểm xảy ra đồng thời là khác nhau! Điều quan trọng cần lưu ý là cả hai đều không sai và / hoặc đúng. Đây là mấu chốt của thuyết tương đối: Thời gian trôi qua phụ thuộc vào người quan sát! Cụ thể hơn: nó phụ thuộc vào cách người quan sát di chuyển tương đối với nhau. Nhân tiện: trong cuộc sống thực, hiệu ứng sẽ chỉ là một vài phần nhỏ của giây - quá nhỏ để thực sự nhận thấy với đồng hồ bấm giờ thông thường. Nhưng điều này là do chúng ta đang đối phó với khái niệm hai điều xảy ra cùng lúc, chỉ cách nhau 100 thước (trong trường hợp của chúng ta là "vận động viên bật đèn nháy" và "trọng tài bắt đầu đồng hồ bấm giờ"). Nếu khoảng cách này tăng lên thì chênh lệch múi giờ cũng vậy. Vì vậy, thực sự không có ý nghĩa gì khi hỏi "Cái gì đang diễn ra ngay trong thiên hà Andromeda? " Thiên hà Andromeda cách xa XYZ, vì vậy hai người, từ từ đi ngang qua nhau trên phố, sẽ không đồng ý về thời điểm “ngay bây giờ trong thiên hà Andromeda” chính xác là, khoảng vài triệu năm nữa!
Hiệu ứng này có một số hậu quả rất đặc biệt. Điều đầu tiên, và được biết đến nhiều nhất, là thực tế rằng không có gì có thể đi nhanh hơn ánh sáng. Tốc độ ánh sáng là rào cản ma thuật không thể vượt qua . Đặc biệt, bạn không thể tự làm cho ánh sáng nhanh hơn bằng cách đẩy nó. Ngược lại, bạn sẽ không thể làm chậm nó - đơn giản là nó sẽ luôn có cùng tốc độ, bất kể bản thân bạn có nhanh đến đâu. Thuyết tương đối cũng ảnh hưởng đến tất cả các phép đo thời gian và độ dài chính xác. Ví dụ: có vẻ như đồng hồ di chuyển nhanh chạy chậm hơn. Đây được gọi là sự giãn nở thời gian, và nó khá quan trọng đối với nhiều thứ, đáng chú ý nhất là hệ thống định vị GPS (nếu bạn ưa thích, google "nghịch lý sinh đôi"). Các vệ tinh GPS quay quanh Trái đất hai lần mỗi ngày và dựa vào đồng hồ cực kỳ chính xác. Trên thực tế, chính xác đến mức phải tính đến các ảnh hưởng từ thuyết tương đối, nếu không nó sẽ đưa ra sai vị trí: Sai số thậm chí còn tăng lên theo thời gian, vài thước mỗi ngày. Vì vậy, lần tới khi bạn sử dụng điện thoại di động của mình để xác định vị trí cửa hàng Starbucks gần nhất, hãy nhớ rằng: bạn sẽ không thể tìm thấy nó nếu không có thuyết tương đối.
