Chuyện quái dị trong Đặc Thuyết Tương Đối của Bác học Albert Einstein

 

Đinh trọng Phúc

 

 

Những Điều kỳ lạ trong Đặc Thuyết Tương Đối của Bác Học Albert Einstein 

 

Chào bạn đọc,

Năm 1905, Phuơng trình E = mc²  là nội dung chính hay còn được coi là “sản phẩm chính” của ĐẶC THUYẾT TUƠNG ĐỐI dù vào thời đó ít ai tin. Dù sao, Albert Einstein và một số bác học khác vẫn tin vào những suy nghĩ chính ông khi kiểm chứng về “thái độ” của ánh sáng đối với nền tảng vật lý nhân loại vào những thập kỷ  có ít người tin vào lý thuyết đó.

Đặc thuyết đó có những tính chất, sẽ đề cập vào phần dưới:

* càng lao nhanh thời gian đi chậm lại-”moving clocks run slow” là gì?
* Twin Paradox là gì?
* vật chất hay khối lượng (mass) không bao giờ vượt qua tốc độ ánh sáng, và tốc độ ánh sáng là giới hạn cuối cùng của nó. Tại sao thế?
* khi di chuyển với tốc độ kế cận với vận tốc ánh sáng mọi công thức về động tử bình thường đều khác đi. Thật lạ lùng? 

* Bác học Einstein biện luận rằng-KHÔNG CÓ GÌ ĐI NHANH BẰNG VÀ HƠN TỐC ĐỘ ÁNH SÁNG

* * *

1- Khi một động tử lao đi với tốc độ gần tốc độ của ánh sáng vd 200 ngàn km/giây, và phát đi một tia sáng thì tốc độ một tia sáng phát ra từ động tử này cũng là tốc độ 300 ngàn km/giây cùng chiều của tia sáng.

2- Khi động tử đó lao đi với với tốc độ cũng 200 ngàn km/giây về phía nguồn sáng tức nghịch chiều với ánh sáng kia đang tới, tốc độ nguồn sáng tới gần động tử này cũng vẫn 300 ngàn km/giây điều này thật ‘quái lạ’ so với vật lý bình thường? 

 

* * *

Albert Einstein (1879 - 1955)

 

 

Đặc Thuyết Tương Đối (hay Lý Thuyết Tương Đối Đặc Biệt- the Special Theory of Relativity) do bác học Albert Einstein (1879-1955) đề xướng lúc đầu vào năm 1905. Chúng ta TẠM GỌI nói đó là Đặc Thuyết (lý thuyết đặc biệt) do nó sinh ra trong trường hợp có những điều kiện rất đặc biệt, hơn nữa theo nhà bác học thì khả năng hiểu biết đòi hỏi phải toàn diện.

Thuyết Tương Đối Tổng Quát được đề xướng lại vào năm 1915.

 

Ý Niệm TƯƠNG ĐỐI trong Hệ Thời Gian Vũ Trụ- SpaceTime

 

 

Bác học hay nhà toán học Đức Hermann Minkowski (1864–1909) cho rằng ĐẶC THUYẾT TƯƠNG ĐỐI có thể được hiểu rõ trong hệ không gian bốn chiều

​

Với hệ tọa trục bình thuờng, chúng ta có thể xác định điểm đứng của chúng ta: lấy ví dụ,”về đông 20 cây số lên bắc 5 dặm và đào sâu xuống 3 mét sẽ có kho tàng chôn ở đó”.

Đó là hệ thống không gian ba chiều cổ điển. Các bác học đương đại với bác học Einstein như Hermann Minkowski còn thêm một TRỤC thứ 4 nữa đó là trục THỜI GIAN VŨ TRỤ -SPACETIME. 

 

HỆ LIÊN TIẾN THỜI GIAN VŨ TRỤ- SPACETIME CONTINUUM

THỜI GIAN LÀ MỘT ẢO NIỆM---QUÁ KHỨ HIỆN TẠI TƯƠNG LAI ĐỀU CÓ THẬT VÀ TRƯỜNG CỬU TRONG HỆ THỜI GIAN VŨ TRỤ TRONG  ĐẶC THUYẾT TƯƠNG ĐỐI....

Với một đồng hồ nguyên tử atomic clock,  kiểm chứng nhiều lần từ năm 1971 được thực hiện trên nhiều chuyến bay ngang qua Đại tây Dương. Một đồng hồ nguyên tử cài vào chuyến hành trình dài đường này. Đương nhiên chúng ta biết vận tốc nhanh nhất của máy bay có nhanh gì cũng chỉ là một phần quá nhỏ so với tốc độ ánh sáng, tuy vậy người ta cũng đo được độ biến thiên PHẦN TRIỆU CỦA GIÂY với thuyết “moving clocks run slow” khi có sự so sánh giữa 2 đồng hồ nguyên tử (atomic clock), một đứng yên trên mặt đất và một di chuyển theo máy bay. Chuyện này đang hé lộ thuyết tương đối của Einstein là có thật! 

 

Trong vật lý, phạm trù Thời Gian Vũ Trụ -Spacetime là một mô thức toán học kết hơp giữa không gian và thời gian thành một dãi kết nối liên tục (interwoven continuum). Hình học Euclid xưa xem không gian gồm 3 chiều  (dài-rộng-sâu ). Nay Spacetime có thêm chiều thứ 4 đó là CHIỀU THỜI GIAN.

 

QUÁ KHỨ HIỆN TẠI TƯƠNG LAI CŨNG TƯƠNG ĐỐI

 

Nói gọn lại, Einstein trong ĐẶC THUYẾT TƯƠNG ĐỐI, thời gian là TƯƠNG ĐỐI...giả dụ ở một thiên hà rất xa hàng tỷ năm ánh sáng một hoạt động của người vũ trụ nào đó “ĐANG XẢY RA” nhưng đối với chúng ta nó đã là QUÁ KHỨ, hay ngược lại là TƯƠNG LAI đời ‘cháu chắt chít’ của chúng ta vậy.

 

(Hai thời gian chạy khác nhau ở đây không có nghĩa là hai “đồng hồ một nhanh một chậm” đó là trở ngại cơ khí của cái đồng hồ chỉ giờ. Thời gian trong thuyết tương đối đối với Einstein chỉ là một ẢO NIỆM (ILLUSION) vì nó không nhất quán. Quá khứ hiện tại và ngay cả tương lai; trong Hệ LIÊN TIẾN SPACETIME CONTINUUM)

 

 SpaceTime đang tồn tại mãi!

 

Ý tưởng đó đưa chúng ta đến các giả thuyết khoa học giả tưởng... về lại quá khứ để nói chuyện với người xưa như...gặp được vị anh hùng Nguyễn Huệ hay đi về.. “tương lai” để thấy được xã hội loài người vào năm 3000 hay sao?!

 

 

Tại sao chúng ta gọi spacetime là một dãi liên tu bất tận (continuum)?

 
Trong vô tận khoảng khắc (instant) xuất hiện của môt vật trong không gian nó là sự kết nối của vô tận (infinitive) khoảnh khắc (instants) đó sự liên kết với điều kiện hoàn toàn không có sự mất mát của điểm nào trong không gian cả. Nói như thế, chiều thời gian (time dimension) của Spacetime là chiều thứ 4 không thể thiếu trong lý thuyết vũ trụ và khác với không gian 3 chiều của hình học Euclid (dài rộng cao)

 

Đặc Thuyết của Einstein khám phá khi con người ta di chuyển với vận tốc gần kề với vận tốc ánh sáng (gần 300,000cs/giây) mọi thứ xảy ra khác với điều chúng ta thuờng nghĩ. Chúng ta càng di chuyển nhanh chừng nào thì đồng hồ chỉ thời gian chúng ta mang theo chậm lại chừng đó so với những ai còn đứng yên không di động theo chúng ta. Thời gian, đối vói các động tử di chuyển kể trên có thay đổi. Thời gian và không gian đúng ra là hai thực tế tách biệt giờ đây là một thể, đó gọi là hợp thể - Spacetime; rút gọn  chúng ta nói:

đồng hồ lao đi tốc độ gần với ánh sáng thì thời gian chạy chậm lại “: moving clocks run slow?!

 

 

 

HAI ĐỊNH ĐỀ CỦA EINSTEIN

 

Lý thuyết Tương Đối của Einstein dựa trên 2 Định Đề căn bản nhất:

(gọi là định đề do không thể chứng minh hay chưa chứng minh ra)

Định đề 1:

Vật lý bình thuờng trong đời sống mà chúng ta thấy bất cứ phần tử nào trong không gian đều nằm trong hệ thống 3 chiều giống nhau đó là DÀI /RỘNG cùng TRÊN/DƯỚI đó là không gian ba chiều. Hệ quy chiếu này áp dụng lên mọi hoàn cảnh cho chúng ta hàng ngày mà chúng ta vẫn thấy- đó là dung tích, thể tích, vị trí một vật...

 

Định Đề 2:

Tốc độ ánh sáng là bất biến! Nói như vậy trong môi trường chân không như không gian, tốc độ ánh sáng luôn giống nhau dù bạn có đi theo hay đi ngược chiều với nó bất cứ tốc độ nào.

 

Chuyện này rõ ràng quái lạ đối với chúng ta. Tại sao vậy?

 

ví dụ: chúng ta đuổi theo chiếc xe đò chạy 30 cây số giờ, trong lúc vận tốc chúng ta là 10 cây số giờ thì theo quy luật vật lý bình thuờng chiếc xe đò chỉ di chuyển với tốc độ chỉ còn 20 cây số giờ đối với chúng ta thôi. Trong hệ thống quy chiếu 3 chiều bình thường điều này chúng ta dễ hiểu, hiệu số tốc độ hai động tử đồng chiều và tổng số tốc độ nếu là nghịch chiều.

 

Theo Einstein, với định đề 2 mọi chuyện khác với chúng ta nghĩ.

 

Giả dụ, chúng ta ngồi trên một hỏa tiễn di chuyển với tốc độ rất nhanh 100,000 cây số một giây từ đây chúng ta chiếu ra một tia sáng; bình thuờng chúng ta nghĩ rằng giờ đây vận tốc tia sáng đó di chuyển xa chúng ta giờ chỉ còn 300000-100000 = 200000 cây số /giây xa chúng ta...

 

- SAI!?

 

Ánh sáng đó vẫn di chuyển xa chúng ta vẫn là 300,000 cs/giây

 

Định Đề thứ 2 của Einstein cho rằng tia sáng đó vẫn có tốc độ 300000 cây số/1 giây đối với chiếc hỏa tiển đó. Cũng tương tự chiếc hỏa tiễn có tốc độ 100,000 cây số/giây  đó đang lao về một nguồn sáng; bình thuờng chúng ta cho rằng tốc độ gần nhau giờ đây là

 

 100,000+300,000 =400,000 cây số/1 giây?

 

 - cũng SAI!?

 

Ánh sáng đó tiến gần chúng ta cũng 300 ngàn cây số 1 giây thôi.

 

 

Nếu bất cứ trường hợp nào tốc độ ánh sáng  cũng giữ nguyên như thế thì có cái gì quái dị xảy ra chăng? 

     CÓ

 đó là THỜI GIAN Do THỜI GIAN cũng LÀ TƯƠNG ĐỐI

 

Nói tới đây chúng ta nghe có vẻ ly kỳ huyễn hoặc?, hình như thời gian không còn cố định nữa chăng? Thật vậy, với hệ Thời Gian Vũ Trụ (spacetime) không còn bất biến nữa. Nó có thể bị lệch lạc, thay đổi. Di chuyển càng nhanh thời gian càng chạy chậm lại, với điều kiện không bình thuờng, có nghĩa là gần với tốc độ ánh sáng một tốc độ  quá nhanh lấy thí dụ chúng ta bay vòng quanh 7 lần địa cầu trong 1 GIÂY đồng hồ. Thời gian chạy khác nhau; không có nghĩa tương tự là cái đồng hồ yếu pin thì chạy chậm lại như trong nhà chúng ta. Mà một giây của một động tử lao với vận tốc gần ánh sáng nó đã còn một nửa so với 1 giây của một vật thể đang đứng yên.

 

 Một chuyện đầy kịch tính đối với cuộc đời bình thuờng nhưng trong THUYẾT TƯƠNG ĐỐI  (Relativity) thời gian tự nó chạy khác nhau đối với hai người, lấy thí dụ, di chuyển với hai tốc độ khác nhau. Ngang đây chúng ta tạm quên đi các vận tốc bình thuờng trong cuộc đời. 

TWIN PARADOX?

 

 

 

 

CÂU CHUYỆN Y NHƯ “TỪ THỨC VỀ LẠI CÕI TRẦN “  

 

CHUYỆN NGHỊCH LÝ CỦA 2 ANH EM SONG SINH DICK VÀ JOHN

 

Chúng ta lấy thí dụ, Dick là một phi hành gia NASA 30 tuổi từ giã mũi Canaveral Hoa Kỳ trong một hỏa tiễn tốc độ siêu nhanh (gần tốc độ ánh sáng) vào năm 2010 với một sứ mạng 10 năm tới một tinh cầu gần chúng ta xa tới 5 năm ánh sáng chẳng hạn. Sau thời gian ngắn di chuyển với tốc độ bằng 90% tốc độ GẦN TỐC ĐỘ ánh sáng cho  là 270,000 cây số 1 giây. Với Dick mọi thứ trong phi thuyền của anh trông có vẻ bình thuờng vẫn chạy đều không có gì lạ. Dưới địa cầu, người anh  sinh đôi với Dick là John, sau 10 năm chờ đợi sứ mạng chiếc phi thuyền của Dick trở về an toàn. 

Bây giờ đây chuyện lạ XẢY RA :

 

Thời gian trong phi thuyền của Dick đi và về chỉ chạy đúng 5 NĂM tức Dick mới 35 tuổi, nhưng tại địa cầu người anh sinh đôi với Dick là John đã là 40 tuổi!

 

Giờ hai anh em sinh đôi một người 35 tuổi và một người là 40 tuổi.

 

Với tốc độ gần suýt soát với ánh sáng, “moving clocks run slow”  đang áp dụng với tốc độ 90% tốc độ ánh sáng thời gian trong phi thuyền chỉ còn 1/2  tương đối với người ở lại trên địa cầu. Trong khi thời gian trôi đi 10 năm đối với người anh sinh đôi ở lại là John, trong lúc đó chỉ có 5 năm trôi qua với phi hành gia Dick vì đồng hồ của Dick chỉ chạy với tốc độ 1/2 đối với đồng hồ trên địa cầu. Nên nhớ rằng trong khi Dick có thêm 5 tuổi, anh vẫn cảm thấy rằng thời gian trôi đi bình thuờng trong phi thuyền đúng như 5 năm; không phải cái chuyện trường sinh thêm 5 tuổi, cũng phải chuyện đồng hồ hư chạy chậm lại 5 năm như trên địa cầu lo nghĩ mà chính THỜI GIAN TRONG PHI THUYỀN CHẠY CHẬM LẠI MỘT NỬA!!! 

 

Câu chuyện này gọi là chuyện nghịch lý từ đôi song sinh (Twin Paradox)

 

dù sao chúng ta cho rằng đây cũng là giả thuyết do có thứ phi thuyền nào của khoa học hiện đại di chuyển được với vận tốc gần với ánh sáng đâu?

 

======================= 

 

KHỐI LƯỢNG mass CŨNG TƯƠNG ĐỐI

KHỐI LƯỢNG mass CŨNG KHÔNG PHẢI BẤT BIẾN TRONG THUYẾT TƯƠNG ĐỐI

 

Theo vật lý thông thuờng khối lượng (mass) là đại lượng không thay đổi thuờng được viết tắt là (m). Trọng lượng của một vật là tích số khối lượng (m) và gia tốc trọng trường (g) (gravitational acceleration )  hay  P=mg  gia tốc trọng trường càng cao thì trọng lượng càng nặng. tuy rằng  trọng lượng một vật  trên mặt trăng chỉ bằng 1/6 trên trái đất vì gia tốc trọng trường trên mặt trăng yếu bằng 1/6 trên địa cầu nhưng khối lượng m vẫn không thay đổi.

 

Trong thuyết TƯƠNG ĐỐI của Einstein khối lượng -mass (m) không còn cố định nữa, nó thay đổi theo vận tốc và sự thay đổi này rõ rệt khi nó di chuyển với vận tốc cận kề với ánh sáng. Einstein cho rằng đạt đến vận tốc 90% tốc độ ánh sáng khối lượng (m) sẽ gấp đôi. Tốc độ 99% của ánh sáng thì khối lượng tăng cao gấp 7 lần! 

 

 

CÓ CÁI GÌ ĐẠT ĐẾN VẬN TỐC ÁNH SÁNG CHĂNG?!

 

EINSTEIN CHO RẰNG KHÔNG CÓ GÌ ĐI NHANH BẰNG VÀ HƠN TỐC ĐỘ ÁNH SÁNG?!

 

Einstein lý luận rằng một vật chất đạt đến vận tốc ánh sáng thì khối lượng biến đổi đến vô biên (infinitive). Chuyện đời thuờng khối lượng càng tăng thì càng cần nhiều năng lựợng để chuyển động nó. Khi khối lượng tăng đến vô biên thì năng lượng phải vô biên ĐIỀU NÀY KHÔNG THỂ CÓ; do vậy không có gì di chuyển NHANH HƠN TỐC ĐỘ ÁNH SÁNG.

 

 Chúng ta đang sống trong một vũ trụ có sự chi phối của Đặc Thuyết Tương Đối, một nơi không gì đi nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Tuy vậy Einstein và các bác học sau này đang có một mơ ước về những gì “NHANH HƠN “ tốc độ ánh sáng. Giấc mơ này đã và đang đưa hoạt động nghiên cứu của các bác học thế giới đi vào thế giới của nguyên tử gồm Hạt (particles) và các hạt HẠ NGUYÊN TỬ (sub atomic particles). Những điều này có vẻ bất thuờng đối với Thuyết Tương Đối.

 

Đó là gì chúng ta thấy tương tự với khoa học hiện đại với Máy Gia Tốc Hạt Lớn tai Châu Âu (Large Hadron Collier LHC) là cỗ máy gia tốc hạt khởi động vào ngày 10/9/2008.  LHC gồm một ống vòng (ring)liên hợp dài 27 km, kết tạo bởi hệ từ trường siêu dẫn (superconducting mangnets) có khả năng thăng hoa năng lực đưa vận tốc hạt truyền dẫn các hạt (particles) trong ống này lên suýt soát với tốc độ ánh sáng.

 

 

KIỂM CHỨNG THUYẾT TƯƠNG ĐỐI : CÓ THẬT KHÔNG?

 

 

Với một đồng hồ nguyên tử atomic clock  kiểm chứng nhiều lần từ năm 1971 được thực hiện trên chuyến bay ngang qua Đại tây Dương. Một đồng hồ nguyên tử cài vào chuyến hành trình dài đường này. Đương nhiên chúng ta biết vận tốc nhanh nhất của máy bay có nhanh gì cũng chỉ là một phần quá nhỏ so với tốc độ ánh sáng, tuy vậy người ta cũng đo được độ biến thiên PHẦN TRIỆU CỦA GIÂY (microsecond) với thuyết “moving clocks run slow” khi có sự so sánh giữa 2 đồng hồ nguyên tử (atomic clock), một đứng yên trên mặt đất và một di chuyển theo máy bay. Chuyện này đang hé lộ thuyết tương đối của Einstein là có thật!

 

 

Đinh trọng Phúc

27/6/2026

 

Nguồn tham khảo:

Key Concepts of special realitivity

space.com

Special relativity explained — Einstein’s mind-bending theory of space, time and light | Space