Chúng ta đang di chuyển với tốc độ ánh sáng trong không-thời gian mà không hay biết

Albert Einstein thường được coi là một trong những nhà khoa học có ảnh hưởng nhất mọi thời đại, với những hiểu biết sâu sắc về các quy luật tự nhiên. Tuy nhiên, công trình của ông có một hệ quả rất nghiệt ngã, đặc biệt là đối với những người yêu thích khoa học, những người hy vọng một ngày nào đó sẽ du hành đến những vì sao xa xôi. Lý thuyết của ông đã chứng minh rằng có một tốc độ nhanh nhất trong vũ trụ: tốc độ ánh sáng. Điều đó có nghĩa là chuyến đi khứ hồi ngắn nhất có thể đến ngôi sao gần nhất sẽ mất gần một thập kỷ.

Nhưng điều đó hoạt động như thế nào? Ngay cả những người say mê khoa học hiểu biết nhất cũng thường hiểu sai, hoặc ít nhất là không đầy đủ, về lý do tại sao bạn không thể đi nhanh hơn ánh sáng.

Sách giáo khoa giải thích lòng vòng

Giới hạn tốc độ cuối cùng này là một thực tế gây tò mò và là một thực tế khá trái ngược với trực giác thông thường của chúng ta. Xét cho cùng, nếu bạn ngồi trong ô tô của mình và nhấn ga, bạn sẽ đi nhanh hơn. Và trong khi ô tô của bạn có tốc độ tối đa, chúng ta biết những thứ nhanh hơn như máy bay chiến đấu và viên đạn.

Tuy nhiên, tăng tốc cuối cùng ngừng hoạt động. Cho dù bạn cố gắng thế nào, bạn cũng không thể đi nhanh hơn 300.000 km/giây.

Lời giải thích phổ biến nhất cho giới hạn tốc độ vũ trụ này là khi một vật thể di chuyển ngày càng nhanh hơn, khối lượng của nó tăng lên. Và lời giải thích này có một số ý nghĩa. Suy cho cùng, đẩy núi còn khó hơn đẩy đá cuội. Nếu khối lượng của các vật thể trở nên vô hạn khi chúng tiến gần đến tốc độ ánh sáng, thì có nghĩa là bạn không thể phá vỡ rào cản tốc độ đó — vì bạn sẽ cần năng lượng vô hạn để thực hiện.

Lời giải thích này có vẻ rất thuyết phục và nó thường được giải thích theo cách này ngay cả trong các chương trình vật lý đại học. Nhưng đó không phải là câu trả lời hay nhất.

Mọi thứ di chuyển với tốc độ ánh sáng

Để hiểu lý do thực sự tại sao bạn không thể đi nhanh hơn ánh sáng, chúng ta cần học một ý tưởng chính từ lý thuyết của Einstein. Trong khi kinh nghiệm chung của chúng ta cho biết rằng không gian và thời gian là những thứ khác nhau, Einstein nhận ra rằng chúng giống nhau hơn là khác nhau. Thay vì không gian và thời gian tách biệt, ta có một trường duy nhất, được gọi là trường không thời gian.

Ý tưởng này có lẽ dễ hiểu nhất bằng phép loại suy. Nhìn vào bất kỳ bản đồ thế giới. Chúng ta có thể xác định một vị trí trên bản đồ bằng hai số: vĩ độ (số bắc/nam) và kinh độ (số đông/tây). Mặc dù có một số khác biệt nhỏ (ví dụ: trời nóng hơn hoặc lạnh hơn khi bạn di chuyển về phía bắc/nam), thực sự không có sự khác biệt giữa hai hướng.

Trong không thời gian, nó cũng giống như vậy. Các cá nhân có thể di chuyển xuyên thời gian hoặc không gian, giống như những người du hành có thể quyết định di chuyển về phía đông/tây so với bắc/nam.

Bây giờ cho cái nhìn sâu sắc quan trọng. Một trong những giáo sư của Einstein, một nhà toán học tên là Hermann Minkowski, đã xem xét thuyết tương đối của Einstein và nhận ra rằng ở cấp độ sâu nhất và cơ bản nhất của nó, lý thuyết nói rằng bất kỳ vật thể nào cũng chỉ đơn giản là di chuyển trong không thời gian - một phần xuyên không gian và một phần xuyên thời gian. Khi lý thuyết của Einstein được đẩy mạnh hơn, điều được tiết lộ là mọi vật thể đều di chuyển trong không thời gian với một tốc độ duy nhất - tốc độ ánh sáng.

Để hiểu điều này dễ dàng hơn, giả sử bạn đang ở một địa điểm nào đó rộng lớn và bằng phẳng, chẳng hạn như Bonneville Salt Flats ở Utah. Giả sử thêm rằng bạn đang ở trong một chiếc ô tô đã khóa chân ga để nó chỉ có thể đi với một tốc độ duy nhất là 100 km/giờ.

Bây giờ, hãy ngồi sau tay lái và lái xe. Nếu bạn đi về phía đông với tốc độ 100 km /giờ, bạn hoàn toàn không di chuyển theo hướng bắc/nam. Tương tự, bạn có thể lái xe về phía bắc với tốc độ cố định, nhưng sau đó bạn sẽ không di chuyển về phía đông/tây. Hoặc bạn có thể chọn lái xe về phía đông bắc với tốc độ 100 km /giờ, do đó di chuyển theo cả hướng đông và bắc với tốc độ khoảng 69 km/giờ.

Nếu bạn di chuyển với tốc độ cố định, điểm mấu chốt là bạn có thể di chuyển theo bất kỳ hướng nào bạn muốn, nhưng không có hướng nào bạn có thể di chuyển nhanh hơn tốc độ cố định đó.

Và nó giống hệt nhau trong trường không thời gian. Các vật thể di chuyển trong không thời gian với tốc độ ánh sáng. Một vật thể đứng yên hoàn toàn không di chuyển trong không gian, vì vậy vật thể đó đang di chuyển trong thời gian với tốc độ ánh sáng. Hơn nữa, một vật thể di chuyển trong không gian với tốc độ ánh sáng không còn tốc độ để di chuyển trong thời gian.

Do đó, tốc độ tối đa tuyệt đối mà một vật thể có thể di chuyển trong không gian hoặc thời gian riêng lẻ cũng là tốc độ ánh sáng. Lưu ý rằng ý tưởng này cũng giải thích các đặc điểm kỳ lạ của thuyết tương đối, chẳng hạn như thời gian trôi chậm lại đối với một vật thể khi tốc độ của nó ngày càng nhanh hơn. Một vật thể di chuyển nhiều hơn trong trục không gian đang di chuyển ít hơn trong trục thời gian.

Giới hạn tốc độ là một thực tế khắc nghiệt

Lý do khó di chuyển trong không gian với tốc độ ánh sáng là bạn phải đẩy vật thể ra khỏi chuyển động theo hướng thời gian để chuyển động nhiều hơn theo hướng không gian. Và điều đó hóa ra là khó khăn. Nhưng, ngay cả khi bạn thành công, bạn cũng không thể vượt qua tốc độ đó.

Chính là như vậy. Lý do thực sự khiến bạn không thể di chuyển trong không gian nhanh hơn ánh sáng là vì bạn luôn di chuyển trong không thời gian với tốc độ ánh sáng. Điều tốt nhất bạn có thể làm là chuyển tất cả nỗ lực của mình vào việc di chuyển trong không gian; nhưng, một khi bạn đã đẩy tất cả chuyển động của mình theo trục không gian, thì sẽ không còn đẩy tốc độ được lên nữa. Chuyện đó cũng giống như chiếc xe không thể chạy nhanh hơn 100km/giờ.

Điều này có nghĩa là khi chúng ta sẽ phiêu lưu vào không gian giữa các vì sao thì chúng ta sẽ phải chấp nhận di chuyển không nhanh hơn ánh sáng? Một chuyến đi với tốc độ ánh sáng đến trung tâm thiên hà và quay lại mất 50.000 năm di chuyển. Chúng ta có thể làm tốt hơn không?

Đáng buồn thay, câu trả lời là không — ít nhất là trong lúc chưa có có một khám phá khoa học mới như siêu không gian hay những thứ chỉ tồn tại trong khoa học viễn tưởng. Nhưng hy vọng con người sẽ khám phá được những thứ vượt qua những rào cản và thách thức hiện tại,

Anh Tú (lược dịch)