|
Căn nhà lịch sử số 49 đường Kramgasse, nơi
Einstein sống trong căn hộ tầng thứ hai với
vợ Mileva và con trai thứ nhất Hans Albert
từ tháng 10. 1903 đến tháng 5.1905 - năm
thần kỳ. Đây là cánh cửa sổ nhìn ra vũ trụ.
Nơi đây ông đã thay đổi bộ mặt của nền khoa
học vật lý thế kỷ 20.
Quang cảnh bên trong của căn hộ tại Bern,
nay là bảo tàng viện.
Thuyết tương đối hẹp đã hình thành ở
Kramgasse số 49 tại Bern và những buổi đầu
của thuyết tương đối rộng cũng tại Bern. Nó
chỉ rõ nét hơn ở Prag và Zürich và sau
đó tôi đã hoàn thành nó bước đầu tại Berlin.
3
Einstein
(Einstein ở Bern cho đến năm 1909)
Rồi năm 1905 đến với Einstein, lúc đó 26
tuổi, như “năm thần kỳ” (annus mirabilis)
trong lịch sử khoa học, cũng như 1666 đã
từng là năm thần kỳ của Newton ở tuổi 24 khi
ông khai sinh các cơ sở của ngành vật lý và
toán học cho cuộc cách mạng của nền khoa học
thế kỷ 17. Tạp chí “Niên giám vật lý”
(Annalen der Physik) nổi tiếng của Đức năm
đó nhận được 5 bài báo của Einstein liên
tiếp chỉ cách nhau vài tháng. Một sự phát
triển bùng nổ của sức sáng tạo ở Einstein
sau bốn năm ‘ẩn dật’ tại Sở sáng chế. Đó là
5 bài báo thay đổi thế giới! Chúng nhắm vào
3 chủ đề: (1) bản chất của chuyển động Brown
trong chất lỏng, bằng cách sử dụng xác suất
như một phương pháp nghiên cứu mới trong vật
lý, góp phần đặt cơ sở cho ngành cơ học
thống kê (độc lập với Gibbs), và giải thích
được sự hiện hữu của nguyên tử, lúc bấy giờ
vẫn còn bị nghi ngờ rộng rãi; (2) giả thuyết
ánh sáng được cấu tạo bằng hạt được gọi là
photon với những “gói năng lượng lượng tử”,
được gợi ý từ giả thuyết của Max Planck cho
rằng các electron chỉ phát ra hay hấp thu
các gói năng lượng rời rạc (lượng tử); một
trong những áp dụng là giải thích được hiện
tượng quang điện khó hiểu lúc bấy giờ (năm
1921 ông được giải Nobel về công trình này);
và (3) “Về điện động lực học các vật thể
chuyển động”, tức thuyết tương đối hẹp
(special relativity theory).
Hừng đông của một thời đại mới bắt đầu.
Năm bài báo dần dần trở thành động lực và
nguồn cảm hứng cho giới khoa học. Chúng gây
ra hai cuộc cách mạng lớn của thế kỷ 20 về
thế giới quan. Cuộc cách mạng thứ nhất đã
thay đổi hẳn quan niệm về thời gian và không
gian, đó là lý thuyết tương đối hẹp. Mười
năm nữa, năm 1915, ông hoàn tất thuyết
tương đối rộng (general relativity),
theo đó không gian và thời gian sẽ kết nối
với nhau thành một không gian bốn chiều,
được gọi là không-thời gian
(spacetime) với một độ cong
(curvature), nhằm giải mã hấp lực huyền bí
của Newton hai trăm năm trước. Cong là ngôn
ngữ chính xác của hấp lực. Vật lý học trở
thành hình học. Cuộc cách mạng thứ hai là
cách nhìn hoàn toàn mới về bản chất hạt của
vật chất: hạt (particles) xuất hiện đồng
thời như sóng (waves). Các thí nghiệm ở thế
kỷ 18 và 19 chứng tỏ ánh sáng vận hành như
sóng, quan niệm được chấp nhận một cách phổ
biến. Nhưng theo Einstein, sóng điện từ của
Maxwell không giải thích hết được các tính
chất của ánh sáng, mà phải cần quan niệm
khác xem ánh sáng được cấu tạo bằng các hạt
có những “gói năng lượng” (năng lượng lượng
tử, hay “lượng tử ánh sáng” (quang lượng)
khác nhau, “chúng chuyển động mà không bị
phân chia, được hấp thu hoặc sinh ra cả
gói”. Ánh sáng có tính chất “nhị nguyên”
(dualism), vừa là sóng vừa là hạt, tuỳ theo
thí nghiệm người ta chọn. Điều này không phù
hợp với tính thống nhất của thiên nhiên đang
được công nhận phổ biến lúc bấy giờ.
Cuộc cách mạng thứ nhất được gọi là “Thuyết
tương đối”, còn cuộc cách mạng thứ hai là
“Thuyết lượng tử”. Người duy nhất đặt nền
móng cho cả hai cuộc cách mạng này năm 1905
là Einstein. Với thuyết tương đối hẹp,
Einstein đã thay đổi có tính cách lật đổ các
khái niệm về thời gian, không gian và năng
lượng, tức là thay đổi cả toà nhà cơ học cổ
điển Newton, vì mọi độ đo khác đều có thể
quy về ba đại lượng này. Từ Newton, sau đó
được Kant củng cố thêm, người ta tin rằng
chỉ có một thời gian tuyệt đối và phổ cập
ngự trị khắp nơi và đối với tất cả các hệ
quy chiếu trong vũ trụ. Nhưng không, theo
Einstein, mỗi hệ thống quy chiếu đều mang
theo mình một thời gian riêng. Không có thời
gian và không gian tuyệt đối. Chúng cũng
không độc lập với nhau nữa. Không có thời
gian của chúng ta, mà chỉ có thời gian “của
bạn”, “của tôi”. Thời gian tuỳ thuộc vào
chuyển động tương đối của người quan sát,
một giây trôi qua đối với một người quan sát
đứng yên bằng 1/ giây
của người quan sát chuyển động (tương đối
thẳng đều đối với người quan sát đứng yên, v
là vận tốc tương đối, c là vận tốc của ánh
sáng trong chân không). Đồng hồ của người
chuyển động do đó chạy chậm hơn đồng hồ
người quan sát, thời gian bị ‘giãn nở’ ra.
Người quan sát chuyển động càng nhanh, thời
gian của anh ta càng đi chậm lại; nếu anh ta
chuyển động với vận tốc gần bằng vận tốc ánh
sáng thì thời gian của người đó gần như đứng
lại (1 giây đồng hồ sẽ được kéo dài ra vô
cực). Điều gì sẽ xảy ra nếu bạn có thể chạy
khỏi nhà thờ Đức Bà Thành phố với vận tốc
bằng vận tốc ánh sáng? Bạn (được xem đứng
yên, nhà thờ Đức bà chuyển động) thấy đồng
hồ đó chạy như thế nào? Bạn sẽ thấy đồng hồ
đứng lại! Đơn giản là vì ánh sáng phát ra từ
chiếc đồng hồ đó sẽ không còn bắt kịp bạn
nữa. Tất cả thời gian đều được ‘chuyển tải’
thông qua vận tốc ánh sáng. Nếu giả thuyết
vận tốc ánh sáng bằng vô cực thì lúc đó thời
gian của các hệ quy chiếu mới bằng nhau, như
biểu thức trên cho thấy, thời gian của
Newton mới là tuyệt đối và phổ biến. Nhưng
tiếc thay vận tốc ánh sáng tuy rất lớn nhưng
là hữu hạn! Và chính điều này gây ra hiệu
ứng tương đối. Một hiệu ứng của nó là nếu
bạn đi chu du trong vũ trụ, thăm các thiên
hà khác, giả thiết bạn có thể làm điều đó
trên một phi thuyền bay với tốc độ gần bằng
ánh sáng, bạn sẽ thấy gì khi sau một hai năm
trở lại trên quê hương? Có lẽ chẳng còn ai
là người thân của bạn sống cả, họ đã gìa và
chết đi mấy thế kỷ trước, trong khi bạn vẫn
còn trẻ. Đó là "nghịch lý sinh đôi“.
Ảnh hưởng giãn nở thời gian sẽ kéo theo ảnh
hưởng co lại (phép co Lorentz) của không
gian theo chiều chuyển động với hệ số để
bù lại sự giãn nở thời gian, để bảo đảm vận
tốc ánh sáng truyền vẫn bằng một hằng số cho
mọi hệ thống quy chiếu (vận tốc bằng khoảng
cách truyền được chia cho thời gian). Chiếc
phi thuyền khi chuyển động nhanh ngang qua
ta, ta sẽ thấy nó bị ngắn lại theo hệ số
trên, chỉ thật sự đáng kể khi vận tốc nó
thật lớn
 Biếm hoạ của Wim
van Wieringen 1950. Các giáo sư huyên
bác đang nghiên cứu một vấn đề của Einstein
Nếu bạn và tôi chuyển động tương đối thẳng
đều đối với nhau, không gian của bạn chính
là một hỗn hợp của thời gian và không gian
của tôi, và ngược lại. [Thể hiện trong phép
biến đổi Lorentz là cái xương sống của
thuyết tương đối hẹp:
 ,
y’ = y, z’ = z,
 ;
(x,y,z,t) là toạ độ không gian và
thời gian của một hiện tượng vật lý đối với
người quan sát đứng yên, (x’,y’,z’,t’)
là hệ toạ độ của cùng hiện tượng đối với
người quan sát chuyển động (tịnh tiến theo
chiều của x
và x’ )].
Không gian và thời gian không còn tồn tại
độc lập nữa mà quyện lại thành một “thể liên
kết”. Minkowski, khi thành công trong việc
mô tả thuyết tương đối hẹp bằng ngôn ngữ
hình học một cách đẹp mắt, đã diễn tả điều
này một cách ấn tượng với những lời bất hủ
trước Hội nghị các nhà khoa học và bác sĩ
Đức tại Köln năm 1908 : "Thưa Quý Ngài!
Các quan niệm về không gian và thời gian mà
tôi muốn trình bày với Quý Ngài là phát
triển từ miếng đất vật lý thực nghiệm. Sức
mạnh của chúng là ở chỗ đó. Khuynh hướng
chúng là triệt để. Từ giờ phút này trở đi,
không gian xét riêng và thời gian xét riêng
chỉ còn là cái bóng, và chỉ có một thể liên
kết của cả hai mới giữ vững được tính độc
lập.“ 4 Sự diễn tả hình
học của thuyết tương đối hẹp là sự dọn đường
cho giai đoạn cách mạng thứ hai của thuyết
tương đối sắp tới, mà nếu: “Không có ý tưởng
quan trọng của Minkowski có lẽ lý thuyết
tương đối rộng vẫn còn trong giai đoạn trẻ
thơ” 5
như Einstein nói.
Chìa khoá để hiểu tính tương đối của thời
gian chính là khái niệm đồng thời của hai
hiện tượng. Sau một đêm của tháng 5 năm 1905
Einstein vật lộn với nó trong một cuộc thảo
luận với Besso và tưởng chừng ông đã bỏ cuộc
trước giờ phút “ngộ”. Thế nào
là hai hiện tượng diễn ra đồng thời? Đồng
thời đối với tất cả các quan sát viên, với
bạn và tôi ư? Theo Einstein, hai hiện tượng
xảy ra đồng thời đối với bạn (một hệ qui
chiếu) không nhất thiết cũng xảy ra đồng
thời đối với tôi (hệ qui chiếu khác), như cơ
học Newton đã từng quan niệm. Tức là tính
đồng thời không tuyệt đối cho tất cả hệ quy
chiếu, mà là tương đối, tùy theo hệ thống
quy chiếu. Einstein định nghĩa lại sự đồng
thời của hai hiện tượng một cách khoa học
như sau: Chúng được gọi là xảy ra đồng thời
đối với một quan sát viên A khi nào ánh sáng
phát từ hai địa điểm lúc chúng xảy ra,
truyền đi và gặp A cùng một lúc. Không ai
nghĩ ra điều này. Chúng ta sẽ dễ dàng thấy
tính tương đối của khái niệm đồng thời dưới
bức ảnh dưới đây.
Một quan sát viên ở dưới đất thấy hai tiếng
sét đánh xuống cùng một lúc (ảnh trên).
Nhưng người soát vé trên tàu thấy chúng
không diễn ra đồng thời như thế, do ảnh
hưởng của tàu chuyển động (ảnh dưới). Khái
niệm đồng thời không đúng cho mọi hệ thống
quy chiếu. (Nguồn: Die Welt hinter den
Dingen, tr.15)
Nếu một đám đông cùng vỗ tay một lượt để
đón một nhà khoa học giải Nobel nào đó đi
trên một chiếc xe lửa chạy nhanh qua, nhà
khoa học ấy sẽ không nghe một tiếng
vỗ tay lớn tổng hợp của tất cả tiếng vỗ tay
của đám đông, mà sẽ nghe một loạt tiếng vỗ
tay rời rạc của từng! Năm 1924 Einstein diễn
tả chìa khoá của thuyết tương đối hẹp như
sau: “Sau bảy năm suy nghĩ hoài công
(1989-1905) lời giải đáp đến với tôi bất
chợt với suy nghĩ, rằng các khái niệm và
định luật về không gian và thời gian của
chúng ta chỉ được phép có giá trị trong
chừng mực chúng có liên hệ rõ ràng với kinh
nghiệm, và rằng kinh nghiệm cũng rất có thể
khiến chúng ta có thể thay đổi những khái
niệm và định luật này. Bằng một sự xem xét
lại khái niệm sự đồng thời dưới dạng có thể
cải tạo được, tôi đã đi đến lý thuyết tương
đối hẹp.” 6
Định luật cộng của vận
tốc trong cơ học cổ điển, 2 + 3, cũng không
còn là 5 nữa, mà chỉ đúng xấp xỉ ở những vận
tốc nhỏ, nhưng sẽ rất khác biệt ở những vận
tốc lớn. Nếu v là vận tốc của xe lửa
đối với bạn đang đứng ở nhà ga, và w
là vận tốc của một người hành khách trong xe
lửa (đối với xe lửa) thì vận tốc của người
hành khách đó đối với bạn
không phải là v + w như
chúng ta thường nghĩ, mà chính xác là  .
Thông thường v và w rất nhỏ so
với c nên biểu thức này xấp xỉ bằng
v + w như ta thấy. Đối
với những vận tốc lớn cỡ c (thí dụ
vận tốc của các hạt cơ bản) thì tình hình sẽ
khác hẳn. Hơn nữa nếu bạn làm một phép toán
đơn giản bằng cách đặt w = c, bạn sẽ
thấy biểu thức trên bằng c. Điều này
có nghĩa gì? Nghĩa là vận tốc ánh sáng
truyền trong xe lửa (hệ thống chuyển động)
cũng bằng vận tốc truyền của ánh sáng đối
với nhà ga là hệ thống đứng yên. Đó chính là
kiểm chứng lại nguyên lý hằng số của ánh
sáng trong vũ trụ: vận tốc ánh sáng truyền
trong mọi hệ thống với vận tốc như nhau, hay
là vận tốc truyền của nó độc lập với chuyển
động của vật phát ra nó!
Điều thú vị và lạ mắt là cả bài báo 30
trang với gần 9.000 chữ này chỉ dựa trên hai
nguyên lý đơn giản làm tiền đề: nguyên lý
tương đối (được Galilei phát biểu năm
1632 cho cơ học và được Einstein tổng quát
hoá cho các hiện tượng điện từ) và nguyên
lý hằng số của vận tốc ánh sáng truyền trong
chân không. Tác phẩm thuyết tương đối có
cấu trúc đơn giản và đẹp mắt như chính tác
phẩm hình học của Euclide mà Einstein đã
từng ngưỡng mộ ở tuổi học trò.“Một lý
thuyết càng gây ấn tượng hơn khi những tiền
đề của nó càng đơn giản hơn, khi nó kết nối
được những sự vật càng đa dạng hơn và khi
lãnh vực ứng dụng của nó càng rộng rãi hơn”
7
như ông nói.
Thuyết tương đối hẹp là một thuyết như thế,
và thuyết tương đối rộng sau này là thuyết
thứ hai như thế. Ông tin tưởng tuyệt đối vào
tính đơn giản của các định luật phổ cập của
vũ trụ.
Hạt Myon, “nhân chứng” của thuyết tương đối
hẹp
Hạt bụi vũ trụ có tên
Myon sẽ chứng minh cho chúng ta sự giản nỡ
thời gian của thuyết tương đối. Myon là một
loại hạt cơ bản hình thành trong bầu khí
quyển ở độ cao 9000 mét, khoảng trên độ cao
của đỉnh núi Everest. Chúng lao xuống đất
với tốc độ gần bằng ánh sáng (3.105km/sec).
Để bay tới mặt đất, chúng phải cần một thời
gian 9/3.105
= 30.10-6 giây, hay viết tắt 30 .
Tuy nhiên, đời sống của hạt này ngắn ngủi,
chúng bị phân hủy chỉ sau 2
giây, để cho ra những hạt khác, cho nên chỉ
bay được khoảng đường trung bình là 2x3.105
= 600m thôi. Nhưng vì sao người ta lại
tìm thấy chúng trên mặt đất? Sự giản nỡ của
thời gian của thuyết tương đối hẹp sẽ đem
lại lời giải thích: vận tốc của Myon
thực tế sắp xỉ bằng v = 0.9978c.
Hệ số giản nỡ thời gian của Myon, theo
thuyết tương đối hẹp, do đó sẽ bằng  ,
nghĩa là tuổi thọ trung bình của các Myon
tăng lên 15 lần! Do đó khoảng đường Myon đi
được sẽ bằng 600m x15 = 9000m !
Nghĩa là Myon quả thực bay đến được mặt đất
như người ta đã tìm thấy. Ai có thể bay
nhanh như thế cũng sẽ thọ lâu 15 lần tuổi
thọ thường.
Hiệu ứng của thuyết tương đối hẹp cũng có
thể nhìn qua sự co lại khoảng cách Lorentz:
Myon xa mặt đất một khoảng cách bằng chiều
cao của núi Everest, nhưng với vận tốc bay
nhanh nói trên thì khoảng cách ấy bị rút lại
chỉ còn 600m, tức khoảng 2/3 chiều cao núi
Bà Đen Tây Ninh. Và Myon bay đến đích dễ
dàng.
Trong bức thư gửi cho người bạn Habicht vào
tháng 3 năm 1905, Einstein đã viết:
 “Tôi
hứa với bạn bốn bài nghiên cứu…, mà bài thứ
nhất tôi sẽ có thể gửi cho bạn sớm vì tôi sẽ
nhận được sớm các ấn phẩm dành riêng cho tác
giả. Bài này nghiên cứu bức xạ và những tính
chất năng lượng của ánh sáng, rất cách mạng
như bạn sẽ thấy…Bài thứ hai là sự xác định
của kích thước thật của nguyên tử từ sự
khuếch tán và sự ma sát bên trong (tính
nhớt) của các dung dịch được pha loãng của
các chất trung tính. Bài thứ ba chứng minh
rằng, dựa trên giả thuyết của thuyết phân tử
[động học] của nhiệt, các vật thể có độ lớn
1/1000mm, lơ lửng trong chất lỏng, phải đã
thực hiện một chuyển động ngẫu nhiên có thể
quan sát được, gây ra bởi chuyển động nhiệt;
thực tế đó là chuyển động của các vật thể
nhỏ vô tri lơ lửng mà các nhà sinh lý học đã
quan sát được và gọi chúng là “chuyển động
phân tử Brown”. Bài thứ tư đang hình thành
với đề tài điện động học của các vật thể
chuyển động, bằng cách sử dụng một sự điều
chỉnh thuyết về không gian và thời gian;
phần thuần tuý động học của bài này chắc
chắn sẽ làm cho bạn quan tâm.”
8
Tranh của Sidney Harris 1997
Niên giám Vật lý
số 17 năm 2005 đi vào lịch sử
Năm bài báo thay đổi thế giới
Bài 1 ngày 17.3: “Eine neue
Bestimmung der Moleküldimensionen” (Một cách
xác định mới kích thước các phân tử) Luận
văn tiến sĩ.
Được bổ sung và đăng trong Annalen der
Physik, Band 19, tr. 289-306, 1906)
Bài 2 ngày 30.4: “Über einen die
Erzeugung und Verwandlung des Lichtes
betreffenden heuristischen Gesichtspunkt”
(Giả thuyết lượng tử ánh sáng). Annalen
der Physik,
Band 17, tr.132-148. Einstein đã được
giải Nobel về công trình này.
Bài 3 ngày 11.5: “Die von der
molekularkinetishen Theorie der Wärme
geforderte Bewegung von in ruhenden
Flüssigkeiten suspendierten Teilchen” (Về
chuyển động Brown) Annalen der Physik,
Band 17, tr.549-560.
Bài 4 ngày
30.6: “Zur Elektrondynamik bewegter Körper”
(Về điện động lực học của các vật thể chuyển
động, hay Lý thuyết tương đối hẹp).
Annalen der Physik, Band 17, tr.891-921.
Bài 5 ngày
27.9: “Ist die Trägheit eines Körpers
von seinem Energieinhalt abhängig?” (Quán
tính của một vật thể có tuỳ thuộc vào
năng lượng của nó?) Bài này chứa đựng
công thức E=mc2 hay sự tương đương của khối
lượng và năng lượng như hệ quả của thuyết
tương đối hẹp.
Annalen der Physik, Band 18, tr.639-641.
Bài báo về Thuyết tương đối hẹp
Bài báo chứa đựng công thức E = mc2
Bài báo về giả thuyết lượng tử của ánh sáng
Bài báo về chuyển động Brown trong chất lỏng
Nghịch lý sinh đôi
 |
|
(Nguồn: Zeilinger, tr.34) |
Một phi hành gia từ giả người em sinh đôi
của mình để bay vào vũ trụ. Khi người đó trở
vể, anh ta không già đi bao nhiêu, nhưng
thấy người em mình râu dài tới rốn. “Chuyển
động làm cho trẻ”, thời gian giản nỡ đối với
người bay, như ta đã thấy theo thuyết tương
đối hẹp. Người bay giữ được tuổi trẻ càng
lâu khi vận tốc bay càng lớn, trong khi
người ở lại càng già đi nhiều. Nhưng điểm
gây tranh cãi là, thuyết tương đối có tính
cách đối xứng, nghĩa là những điều nói trên
cũng đúng cho chuyển động tương đối của
người em, trong khi người anh được xem như
đứng yên. Nhưng thực ra người người anh trên
đường phải tăng tốc và hãm tốc độ. Điều đó
làm cho tính đối xứng của thuyết tương đối
bị mất đi. Nếu bạn bay qua thái bình dương,
hay một vòng trái đất, bạn sẽ trẻ hơn những
người ở lại, một khoảng thời gian, tỉ lệ với
phần tỉ của giây.
Theo
tính toán, các
phi hành gia của Appolo 11 (Edward Aldrin,
Neil Armstrong và Michael Collins) sau khi
trở vể từ mặt trăng thì trẻ đi được
250 phần triệu của giây so với các đồng
nghiệp của họ ở dưới đất.
Với thuyết tương đối hẹp, giấc mơ có một hệ
quy chiếu tuyệt đối của Newton cũng bị tan
biến, chỉ còn lại các hệ quy chiếu quán tính
tương đối như nhau. Vũ trụ không có chế độ
ưu đãi tập trung, mà hoàn toàn ‘dân chủ’,
bình đẳng đối với các hệ quy chiếu chuyển
động đều với nhau. Vũ trụ ít bản ngã hơn
chúng ta tưởng. Chỉ có một cái tuyệt đối là
vận tốc truyền của ánh sáng (trong chân
không) trong mọi hệ quy chiếu là không thay
đổi, bằng 300.000km/giây, là yếu tố ràng
buộc. “Einstein đã truất ngôi hai cái ‘tuyệt
đối’ của thế kỷ 19: trạng thái yên tĩnh
(Ruhe) tuyệt đối mà ether là hiện thân, và
thời gian tuyệt đối và đều khắp trong vũ trụ
có thể được đo từ tất cả đồng hồ cùng một
cách” như Hawking nói.10
Một vài tháng sau khi bài báo thuyết tương
đối được công bố ông đi đến một khám phá mới
đặc biệt quan trọng, ông cho là quan trọng
nhất: khối lượng (mass) và năng lượng
(energy) chỉ là một. Ông viết cho người bạn
(Habicht) cảm tưởng của mình sau khi đi đến
kết luận mới này: “Một hệ quả của bài nghiên
cứu về điện động lực học đã đến trong suy
nghĩ của tôi. Nguyên lý tương đối trong sự
liên hệ với các phương trình cơ bản của
Maxwell đòi hỏi rằng khối lượng, một cách
trực tiếp, chính là một độ lớn của năng
lượng chứa trong một vật thể …. Một sự giảm
đáng kể của khối lượng chắc chắn phải xảy ra
ở Radium (do phát xạ năng lượng). Suy nghĩ
này ngộ nghĩnh và cám dỗ; nhưng không biết
Thượng đế có cười chế nhạo và đùa bỡn với
tôi chăng, tôi không thể biết.” 11 Thượng đế
không đùa bỡn với Einstein. Ông đã nhìn thấy
bí mật của Thượng đế. Đó là công thức nổi
tiếng E = mc2 (năng lượng bằng khối lượng
nhân với bình phương ánh sáng). Trong quyển
“Thuyết tương đối hẹp và rộng” năm 1916 ông
viết: “Kết quả quan trọng nhất có tính chất
tổng quát mà thuyết tương đối đã đem lại là
về khái niệm khối lượng (mass). Vật lý tiền
tương đối biết đến hai định lý bảo toàn có ý
nghĩa cơ bản, là định lý bảo toàn năng lượng
và định lý bảo toàn khối lượng. Với thuyết
tương đối chúng hoà nhập lại thành một định
lý.” 12 Theo công thức trên, một khối vật
chất nhỏ chứa đựng một năng lượng khổng lồ.
Vì sao người ta chưa biết điều đó? Bởi,
Einstein nói, người giàu có kia chưa bao giờ
xài tiền nhiều nên chúng ta chưa biết ông là
triệu phú - cho đến khi hai trái bom nguyên
tử đầu tiên nổ tại Hiroshima và Nagasaki! Sự
phân hạch hay tổng hợp nguyên tử sẽ giải
phóng một năng lượng được đo lường bằng công
thức trên một cách chính xác. Người ta cũng
hiểu được vì đâu mặt trời có một năng lượng
khủng khiếp như thế. Theo thuyết tương đối
hẹp, khối lượng và quán tính của vật thể
cũng thay đổi theo vận tốc, cả hai trở thành
càng lớn khi vận tốc chuyển động càng lớn,
và chúng sẽ tiến đến vô cực khi vận tốc của
vật thể lớn bằng vận tốc ánh sáng. Hệ quả:
không có vật thể nào chuyển động nhanh hơn
vận tốc ánh sáng cả, trong khi theo cơ học
của Newton vận tốc có thể lớn vô hạn. Vận
tốc ánh sáng trở thành giới hạn trong vũ
trụ.
Oppenheimer nói về ứng dụng của thuyết tương
đối hẹp: “Chúng ta sử dụng nó (lý thuyết
tương đối hẹp) hầu như trong mỗi ngành vật
lý hạt nhân và trong nhiều lãnh vực của vật
lý nguyên tử, và cũng như thế trong tất cả
lãnh vực của vật lý liên quan đến các hạt cơ
bản. Lý thuyết đó luôn luôn lại được kiểm
nghiệm bằng mỗi cách mới và nó là một phần
rất quý báu của tài sản chúng ta.” 13
Mỗi cậu học sinh trên đường phố Göttingen
của chúng ta hiểu về hình học bốn chiều còn
nhiều hơn Einstein. Mặc dù thế Einstein là
người đã làm nên công trình chứ không phải
những nhà toán học.14
D. Hilbert
Ý tưởng của thuyết tương đối rộng bắt nguồn
từ ý tưởng của Faraday và Maxwell trong điện
từ trường khoảng nửa thế kỷ trước: một thanh
nam châm tạo ra một trường (field) với những
tính chất nhất định trong không gian bao
quanh nó. Một cách tương tự, Einstein cho
rằng một thiên thể như mặt trời cũng sẽ tạo
ra một trường được diễn tả bằng những tính
chất hình học nhất định xung quanh không
gian nó và các vật thể ở trong vùng gần mặt
trời cũng phải chuyển động theo những quỹ
đạo được qui định bởi tính chất hình học đó,
giống như các mãnh vụn sắt phải xếp xung
quanh thanh nam châm theo những đường nét
nhất định dưới tác dụng của nam châm.
Einstein đã làm cho các tính chất hình học
này, hay trường, cắt nghĩa được khái niệm
‘hấp lực’ hai trăm năm mươi năm không lý
giải được của Newton mà chính ông cũng ‘bức
xúc’. Tính chất hình học trên được diễn tả
bằng “độ cong” của không-thời gian. Vật chất
trong vũ trụ đã gây ra độ cong đó tương tự
như khi ta đặt một tảng đá lên miếng nệm
mút. Quả táo rơi xuống đất không phải vì nó
bị ‘hấp lực’ của quả đất kéo, mà vì
không-thời gian xung quanh quả đất đã bị
cong và nó phải di chuyển theo đường cong.
Tương tự, ánh sáng khi đến gần mặt trời cũng
phải di chuyển theo đường cong của không
gian đã bị mặt trời làm cong. Quả táo hay
tia sáng đi theo những đường gọi là trắc địa
(geodesic lines) trong không-thời gian.Vật
chất trước nhất nói cho không gian biết cần
phải cong như thế nào, và ngược lại không
gian, khi đã được định hình rồi, thì sẽ nói
cho các vật thể khác biết phải chuyển động
như thế nào trong vùng ảnh hưởng của nó.
Không gian ở càng gần một khối lượng vật
chất lớn thì càng có tính chất phi-euclide,
càng xa những khối lượng vật chất thì càng
có tính chất euclide lại. Cách diễn tả hấp
lực bằng thuyết tương đối rộng của Einstein
chính xác hơn định luật hấp lực của Newton ở
những vùng gần thiên thể, nơi không-thời
gian cong nhiều hơn, sự khác biệt giữa
Newton và Einstein ở đó sẽ hiện rõ ra. Ở xa
vùng thiên thể thì hai cách diễn tả xấp xỉ
bằng nhau. Như trong trường hợp sao mercury
là hành tinh trong thái dương hệ ở gần mặt
trời nhất, gần nơi cong cong nhiều nhất so
với các hành tinh khác trong thái dương hệ.
Ở vùng này định luật hấp lực của Newton
không giải thích được độ lệch của điểm cận
nhật (là điểm của quỹ đạo của mercury gần
mặt trời nhất) trong khi thuyết tương đối
Einstein lại cung cấp được lời giải chính
xác một cách tuyệt vời!
Một tấm nệm cao su bị
một quả cầu kim loại làm biến dạng, gây ra
một độ cong, tương tự như tác
dụng của một hấp lực.
Một viên bi gần đó sẽ bị cuốn vào, diễn tả
cái được gọi là lực hút Netwon
Để diễn tả hình tượng cái
nhìn khác nhau giữa vật lý Newton và thuyết
tương đối rộng của Einstein chúng ta tưởng
tượng một sân golf phẳng với những chỗ lồi
(đồi) và lõm (thung lũng). Một quả golf được
đánh đi, giả thiết không bay bổng mà lăn sà
trên mặt cỏ, nó sẽ lần lượt đi lên đồi và
xuống thung lũng. Một người ở một cao ốc
tầng 20 gần đó nhìn xuống thấy gì? Anh ta
không thấy lồi lõm dưới đất của sân golf mà
chỉ thấy một cánh đồng bằng phẳng. Anh ta sẽ
thấy quả golf khi thì đi chậm lại (lúc lên
đồi) như có một lực gì kéo lùi nó lại, khi
thì thấy nó lại lao nhanh (lúc xuống thung
lũng) như thể có một lực gì hút nó về phía
trước. Anh ta nghĩ có một lực tác động lên
quả golf. Cái nhìn của anh ta chính là cái
nhìn của cơ học Newton. Còn người đứng dưới
đất thì thấy quả golf chạy theo hình dạng
lồi lõm đã định hình của sân golf. Cái nhìn
này của anh ta chính là cái nhìn của thuyết
tương đối rộng của Einstein: trước tiên vật
chất (khối lượng) định hình sân golf, tiếp
theo sân golf báo cho quả bi biết phải
chuyển động như thế nào trong đó. Những chỗ
lồi lõm đó trong cảnh quang phẳng của sân
golf chính là vật chất trong thuyết tương
đối rộng của Einstein, và mỗi vật chất được
đặc trưng bởi độ cong của nó.
Khoảng trống của Newton
Định luật hấp lực của Newton, theo đó
hai vật hút nhau với một lực tỉ lệ nghịch
với bình phương khoảng cách, mô tả định
lượng được một cách thống nhất tại sao quả
táo rơi dưới đất và các hành tinh hút nhau
trên trời. Nhưng Newton không trả lời được
câu hỏi vì sao có hấp lực đó và tại sao nó
truyền qua được khoảng chân không của vũ
trụ? Đó là điều bí ẩn. Nhưng Newton là người
hơn ai hết ý thức được chỗ yếu của nền tảng
cơ học của mình, thể hiện qua một số phát
biểu sau đây của ông.
“Rằng trọng lực là bẩm sinh, nội tại và
thiết yếu ở vật chất, để cho một vật
thể này có thể tác dụng lên một vật thể khác
ở xa nhau, xuyên qua một khoảng chân không
mà không có sự trung gian
của một cái gì khác, để qua đó, sự tác
dụng và lực của nó (trọng lực) có thể truyền
đi được từ vật này sang vật khác, điều
đó đối với tôi là một sự phi lý cao độ khiến
tôi không tin, rằng một người nào đó có thẩm
quyền để phán quyết trên lãnh vực triết học,
lại có thể đi tin điều đó được.”
15
“Mục đích chính của khoa học tự nhiên là lý
luận từ các hiện tượng, mà không tự đặt ra
các giả thuyết, và suy luận ra các
nguyên nhân từ các tác dụng, như thế cho đến
khi chúng ta đi đến nguyên nhân tận cùng
nhất, nó chắc chắn không mang tính cơ học.
Và không phải chỉ phát hiện ra cơ chế của
thế giới, mà trước nhất phải giải đáp những
câu hỏi như sau: có cái gì tồn tại ở những
nơi hầu như không có vật chất, và vì sao mặt
trời và các hành tinh lại hút nhau mà không
có một lớp vật chất dầy ở giữa chúng?”
16
Tôi đến nay đã giải thích các hiện tượng của
các thiên thể và các chuyển động của biển
bằng trọng lực, nhưng tôi chưa bao giờ đưa
ra nguyên nhân của lực này cả…Tôi chưa đạt
tới chỗ, xuất phát từ những hiện tượng, suy
ra lý do của những tính chất này của trọng
lực, và tôi không bịa ra giả thuyết
(hypotheses non fingo). Vì rằng, tất cả
những gì không được suy ra từ những hiện
tượng, đều là một giả thuyết, và giả thuyết,
dù cho giờ có tính chất siêu hình học hay
vật lý, cơ học hay là giả thuyết của những
tính chất tiềm tàng, đều không được phép đưa
vào vật lý ứng dụng…Chỉ cần trọng lực tồn
tại, chỉ cần nó tác dụng theo những định
luật được chúng ta trình bày, và nó có khả
năng giải thích tất cả các chuyển động của
thiên thể và của biển là đủ.
17
Einstein nói về câu nói nổi tiếng “tôi không
bịa ra giả thuyết” của Newton trong
“Bài giảng Herbert Spencer” của ông năm 1933
tại Oxford như sau: “Newton là nhà
sáng lập đầu tiên của một hệ thống bao quát,
có hiểu quả của môn vật lý học lý thuyết,
vẫn tin rằng các khái niệm và định luật cơ
bản của hệ thống ông là có thể được suy ra
từ kinh nghiệm. Câu nói “hypotheses non
fingo” của ông có thể được hiểu trong nghĩa
này.”
18
Với thuyết tương đối rộng,
còn gọi là thuyết trường hấp lực, Einstein
cũng đã ‘cướp' luôn ảo vọng cuối cùng của
chúng ta: không-thời gian chúng ta sống,
diễn tả thế giới thực tại, không phải
euclide mà là phi-euclide! Chúng ta đã sống
trong ảo vọng hơn hai ngàn năm nay từ lúc
Euclide viết tác phẩm bất hủ Những cơ sở
của hình học vào cuối thế kỷ thứ tư
trước công nguyên mà không biết. Tổng số ba
góc của một tam giác không còn là hai góc
vuông. Không gian một lần nữa không tuyệt
đối hay bất biến như Newton giả thuyết mà
tùy thuộc vào sự phân bổ vật chất trong đó.
Trước đây người ta quan niệm
không và thời gian chỉ là cái sân khấu cho
vật chất trình diễn trên đó.
Nay chính thời gian và
không gian tham gia trực tiếp vào. Được hỏi
có thể tóm tắt cốt lõi của thuyết tương đối
hay không, Einstein trả lời: “Trước đây
người ta tin rằng nếu tất cả các vật thể
biến mất khỏi vũ trụ, thời gian và không
gian vẫn còn lại. Tuy nhiên theo thuyết
tương đối, thời gian và không gian cũng biến
mất theo cùng với các vật thể.”
19 Không phải vật chất được đặt từ
ngoài vào một cái hộp rỗng mà tạo thành một
bộ phận khắn khít của cái hộp.
Einstein làm cong không gian.
(Nguồn: Einsteins
Leben und Werk, tr.68)
Riemann vào giữa thế kỷ
19 là người đầu tiên nhận thức không gian
không thụ động mà có khả năng tham gia tích
cực vào diễn biến vật lý. Einstein nói: “Chỉ
có thiên tài của Riemann, không được hiểu và
cô đơn, vào giữa thế kỷ trước đã nổ lực đạt
tới quan niệm của một khái niệm mới về không
gian, theo đó không gian đã mất đi tính chất
cứng nhắc, và sự tham gia của nó vào diễn
biến vật lý được nhận thức ra như là có thể.
Thành tựu tư duy này lại càng đáng ngưỡng mộ
hơn khi nó đi trước thuyết trường
Faraday-Maxwell về điện.” 20
Theo Riemann, lực chính là hình học,
chính là biểu hiện của sự biến dạng của hình
học. Một mảnh giấy nhầu hay cong sẽ có tác
dụng như một lực tác dụng lên một con bọ bò
trên đó khiến cho nó không thể bò theo đường
thẳng. Ông hình dung điện, ánh sáng và hấp
lực cùng là một thực thể nhưng thể hiện khác
dạng và các định luật của thiên nhiên sẽ
được diễn tả đơn giản ở không gian cao
hơn, có nhiều chiều
hơn. Ông tin sẽ khám phá ra tính thống nhất
của tất cả các định luật thiên nhiên. Ông
phát triển ngôn ngữ toán học để diễn tả ý
tưởng của mình và đã thoát ra khỏi không
gian euclide và định nghĩa trên các không
gian mới (phi-euclide) mà metric tensor như
một định lý Pythagore mở rộng. Metric tensor
diễn tả chính khái niệm cong của không gian
cho bất cứ số chiều nào và là đặc thù của
mỗi không gian như thế. Nhưng Riemann không
biết được metric tensor phải tuân theo các
phương trình nào, tức cái gì
làm cho không gian cong, bởi ông không biết
các phương trình trường mà điện, từ trường
và ánh sáng phải tuân thủ, những cái
Maxwell mới phát triển sau này. Khoảng nửa
thế kỷ sau Einstein đã tìm thấy ở hình học
Riemann những công cụ cần thiết cho thuyết
tương đối rộng của mình. Không gian không
còn ‘thờ ơ’ với diễn biến vật lý nữa.
|
 |
 |
|
Bernhard Riemann (1826-1866) |
Hermann Minkowski (1864-1909)
|
Kant, Newton và Einstein
Trong Phê phán lý tính thuần tuý Kant
nói:
Mọi nhận thức của ta đều bắt đầu bằng kinh
nghiệm, điều đó không có gì phải nghi
ngờ.[..] Thế nhưng, tuy mọi nhận thức của ta
đều bắt đầu từ kinh nghiệm, song không phải
vì thế mà tất cả đều bắt nguồn từ kinh
nghiệm.[…] Chúng ta sở hữu một số nhận thức
tiên nghiệm, và ngay lý trí bình thường
(allgemeiner Verstand) cũng không bao giờ
không có chúng.
21
Kant cho rằng thời gian và không gian là
những khái niệm tiên nghiệm không
phải được chắt lọc từ giác quan chúng ta mà
đã có sẵn trong lý trí của chúng ta.
Trong Nền tảng siêu hình học của khoa học
Kant nói thêm về định luật khoa học: “Một
thuyết khoa học hợp lý về thiên nhiên chỉ
xứng đáng với cái tên của một khoa học tự
nhiên, khi nào các định luật thiên nhiên làm
nền tảng của nó được nhận thức tiên
nghiệm chứ không phải chỉ là các định
luật của kinh nghiệm. Người ta gọi một nhận
thức về thiên nhiên của loại thứ nhất là
thuần tuý, của loại thứ hai là nhận
thức lý tính ứng dụng.”
22
Trước đó Newton đã quan niệm về thời gian: “Thời
gian là tuyệt đối, đích thực và có tính chất
toán học, và do bản chất tự nhiên của nó,
nó tự chảy như dòng nước một cách đều đặn,
và không có quan hệ đến bất cứ vật thể gì
bên ngoài” và tương tự về không gian: “Không
gian tuyệt đối, do bản chất tự nhiên của nó
và không có quan hệ gì đến vật thể bên
ngoài, vẫn không thay đổi và bất động.”
Tuy nhiên, theo Einstein, Kant có lý ở điểm
cho rằng những kiến thức chúng ta không chỉ
bắt nguồn từ kinh nghiệm, nguồn tư liệu mà
Hume cho là cơ sở duy nhất của mọi nhận thức
của chúng ta. Einstein đi xa hơn:
Nhưng đối với tôi, ở quan điểm của ông, có
cái đúng đối với vấn đề đang đề cập, đó là
sự khẳng định rằng, trong khi tư duy, chúng
ta với một “lý do chính đáng” nào đó đã sử
dụng đến các khái niệm, mà xét về mặt
lôgích, không có con đường nào dẫn từ kinh
nghiệm giác quan đến đó.
Tôi tin tưởng, người ta phải khẳng định còn
nhiều hơn nữa, rằng những khái niệm xuất
hiện trong tư duy và trong các lời nói của
chúng ta, tất cả, xét về mặt lôgích, là
những trước tác tự do của tư duy, và không
thể được suy ra một cách quy nạp từ những
kinh nghiệm của giác quan. Điều này, sở dĩ
không dễ dàng nhận ra, là vì chúng ta theo
thói quen liên hệ mật thiết một số khái niệm
và liên kết khái niệm (mệnh đề) nhất định,
với những kinh nghiệm của giác quan, đến nổi
chúng ta không ý thức được hố sâu ngăn cách
không gì vượt qua được giữa thế giới của các
kinh nghiệm giác quan và thế giới các khái
niệm và mệnh đề.
23
Chính sự nghiên cứu về Kant đã giúp Einstein
không bị giam hãm vào các kinh nghiệm giác
quan, vào chủ nghĩa thực chứng luận, như
Mach đã mắc phải. Tuy thế ông cũng không
theo khuynh hướng phổ biến ỏ Đức là tôn vinh
thái quá các bậc thầy, mà luôn giữ mình tỉnh
táo trên con đường tìm chân lý. Ông nói:
“Ông Kant có thể ví như một quốc lộ với
nhiều, và rất nhiều cột cây số, và các chú
chó đến đó, mỗi chú ký gửi phần của mình ở
các cột cây số”.24
Với thuyết tương đối hẹp,
Einstein cũng kéo xuống trần thế các khái
niệm không gian và thời gian đã bị triết học
(Kant) đưa từ vùng kinh nghiệm chủ nghĩa
lên vùng cao “tiên nghiệm” (a priori) trên
đỉnh olymp. Không phải thời gian, không gian
tuyệt đối có tính chất tiên nghiệm làm tiền
đề để hiểu biết vũ trụ. Khái niệm về thời
gian và không gian của chúng ta đều được
định dạng bởi kinh nghiệm và có gốc rễ rất
sâu, chúng là hậu nghiệm (a posteriori).
Với thuyết tương đối,
Einstein đã giải phóng con người ra khỏi sự
huyền bí và huyền thoại của không gian, thời
gian, của hấp lực, và của quan hệ giữa năng
lượng và khối lượng. Với giả thuyết lượng tử
quang học ông đã giải phóng con người ra
khỏi sự huyền bí của bản chất ánh sáng và
đưa con người vào hành trình khám phá thế
giới vật chất ở các phần tử cấu tạo nhỏ nhất
của nó.
Einstein là người duy nhất hoàn tất trọn
vẹn cuộc cách mạng thứ nhất. Cuộc cách mạng
thứ hai, thuyết lượng tử, mà công trình của
năm 1905 chỉ mới là khúc dạo đầu, ông phải
chiến đấu cho đến những năm đầu hai mươi mới
dọn được một miếng đất từ “hoang dã” của
thuyết lượng tử để những tài năng trẻ như
Niels Bohr, Louis de Broglie, Paul Dirac,
Werner Heisenberg, Max Born, Pascual Jordan
và Erwin Schrödinger làm tiếp cuộc cách
mạng. Bản chất đôi của ánh sáng vừa là sóng
ánh sáng vừa là lượng tử ánh sáng lần lượt
được áp dụng cho electron và kể cả cho vật
chất. Bản chất đôi này được Arnold
Sommerfeld gọi là “sự khám phá đáng ngạc
nhiên nhất trong tất cả các khám phá ngạc
nhiên của thế kỷ 20”. Einstein cũng tự
gọi công trình này của ông là ‘rất cách
mạng’. Nhiều hiện tượng không thể giải thích
được bằng bản chất sóng của ánh sáng, nhưng
lần lược được giải thích tức thì bởi bản
chất lượng tử ánh sáng. Cơ học lượng tử hay
cơ học sóng, với matrix, hay với phương
trình sóng Schrödinger, có thể giải thích
được tất cả các hiện tượng nguyên tử, trừ
thuyết điện từ và thuyết tương đối.
Tháng 5 năm 1909 khi Einstein nộp đơn xin
thôi việc ở Sở Sáng chế và khi được người ta
hỏi tại sao ông lại muốn nghỉ việc trong khi
ông được đánh giá cao, ông trả lời là để
nhậm chức giáo sư tại Đại học Zürich, thì bị
vị này chế nhạo ngay: “Làm sao có chuyện đó,
ông Einstein, tôi không tin ông đâu. Đó chỉ
là chuyện tiếu lâm thôi!” 25 Quả
thiên hạ ‘đùa dai’ với chàng thanh niên có
đôi mắt xa xăm như những vì sao này, cho
rằng anh ta sẽ không bao giờ làm nên chuyện
lớn. Người ta vẫn chưa biết rằng ‘con vịt
xấu xí’ ngày nào sắp chuyển mình thành thiên
nga bay khỏi cái nôi đã chật chội sau khi nó
đã giúp ông có được sự tĩnh trí và thời gian
để phát triển những ý tưởng cách mạng khoa
học của ông, chưa ai xung quanh ông biết
rằng ông từ chỗ vô danh sắp trở thành con
người của thế giới. Những ngày ở Sở Sáng chế
là thời gian ông chuẩn bị để chinh phục đỉnh
cao của ngọn núi Olymp của trí tuệ. Marie
Curie sau khi đọc và “ngưỡng mộ những bài
báo cáo của Einstein được công bố về vật lý
lý thuyết hiện đại”,và sau một lần quen biết
Einstein tại một hội nghị khoa học (Solvay
lần thứ nhất năm 1911 tại Brüssel, Bỉ) đã
đánh giá cao “sự sáng sủa của tư tưởng, kiến
thức rộng và chiều sâu của những ý tưởng”
của Einstein, và nếu xét tuổi đời còn trẻ
của ông thì “người ta có quyền đặt lên ông
những hy vọng lớn nhất và nhìn thấy trong
ông một trong những nhà vật lý lý thuyết
hàng đầu của tương lai”.26
Còn Henri Poincaré
thì chi tiết hơn: “Einstein là một trong
những bộ óc độc đáo nhất mà tôi biết; mặc dù
tuổi còn trẻ nhưng ông đã chiếm một vị trí
rất vinh dự trong những nhà thông thái hàng
đầu của thời đại ông. Điều mà chúng ta phải
ngưỡng mộ đặc biệt ở ông, đó là ông đã lãnh
hội các quan điểm mới một cách dễ dàng và
biết rút ra từ đó tất cả những hệ quả. Ông
không vướng mắc vào các nguyên lý cổ điển,
và, đứng trước một bài toán vật lý, ông ấy
nhanh chóng xem xét tất cả những khả năng
của nó. Điều đó đã nhanh chóng biến thành
tiên đoán trong trí tuệ của ông, một ngày
nào đó có thể được kiểm chứng bằng thí
nghiệm. Tôi không muốn nói rằng tất cả những
tiên đoán của ông sẽ được xác nhận bởi thí
nghiệm, khi một sự kiểm chứng trở thành hiện
thực. Vì ông đi tìm theo mọi hướng nên người
ta ngược lại chờ đợi rằng phần lớn những con
đường của ông sẽ dẫn vào ngõ cụt; nhưng
người ta cùng lúc phải hy vọng rằng một
trong những hướng mà ông đã chỉ ra sẽ đúng;
và điều đó đã đủ. Vì người ta phải làm như
thế. Nhiệm vụ của ngành vật lý toán là phải
khơi lên những vấn đề mà chỉ thí nghiệm mới
giải quyết được. Tương lai sẽ ngày càng
chứng minh giá trị của ông Einstein như thế
nào, và trường đại học nào biết gắn bó với
người thầy trẻ này chắc chắn sẽ có được
nhiều vinh dự từ đó.”27 Những
đánh giá của Marie Curie và Henri Poincaré
là theo yêu cầu của đại học kỹ thuật ETH
Zürich nhằm bổ nhiệm một giáo sư cho chiếc
ghế của Minkowski vốn vẫn trống từ năm 1902
khi ông đi Göttingen. Trước đó, Planck,
trong một bài giảng năm 1909 tại đại học
Columbia ở Mỹ, đã có những đánh giá đầu
tiên: “Không cần phải nhấn mạnh rằng quan
niệm mới này về khái niệm thời gian đã đặt
những đòi hỏi cao nhất đối với khả năng tư
duy trừu tượng và khả năng tưởng tượng của
nhà vật lý học. Về mức độ táo bạo nó vượt
qua tất cả những gì đã biết trong nghiên cứu
tự nhiên một cách tư biện, vâng, trong cả
triết học nhận thức luận; đối với nó hình
học phi-euclide chỉ là trò chơi trẻ con.
Ngược lại nguyên lý tương đối đòi hỏi một
cách đúng đắn ý nghĩa vật lý thực tiễn,
trong khi hình học phi-euclide chỉ có ý
nghĩa trong toán học thuần tuý mà thôi.
Người ta chỉ có thể so sánh cuộc cách mạng
gây ra bởi nguyên lý này trong lãnh vực thế
giới quan vật lý, về chiều sâu và chiều
rộng, với cuộc cách mạng do hệ thống thế
giới của Copernic gây ra.” 28
Planck nói về hình học phi-euclide lúc này
khi nó chưa được Einstein biến thành một
thực thể vật lý của vũ trụ. Nhưng những nhà
khoa học đầu đàn đã nhìn thấy tầm quan trọng
của ‘ngươi thầy trẻ’ này trước bầu trời của
vũ trụ bao la. Năm 1910, trước khi Einstein
được mời nhậm chức giáo sư ở Prag, Planck đã
viết một thư đánh giá đến phân khoa vật lý ở
đó với lời lẽ như sau: “
Nếu lý thuyết Einstein được kiểm chứng là
đúng, như tôi chờ đợi, ông sẽ là Copernic
của thế kỷ 20.”
29
Năm 1911, vài tuần trước khi lên đường
nhậm chức Giáo sư tại đại học ở Prag ông
được ‘Hội những người nghiên cứu thiên nhiên
Zürich’ mời thuyết trình về thuyết tương đối
hẹp, đây là lần thuyết trình đầu tiên về
thuyết tương đối của Einstein. Ông vẽ trên
bảng một đường dài nằm ngang và nói: “Giờ
Quý ngài hãy tưởng tượng tại mỗi điểm của
đường thẳng này có một đồng hồ, nghĩa là có
vô số đồng hồ” và rồi giải thích một tiếng
đồng hồ liền về những suy nghĩ phức tạp của
thuyết tương đối. Rồi thình lình ông dừng
lại, xin lỗi vì đã nói khá nhiều rồi. Ông
hỏi: “Thưa bây giờ là mấy giờ rồi?- Tôi
không có đồng hồ!” 30
Từ mốc thời gian 1905, khoa học
đang đứng trước một bình minh mới rạng rỡ
hơn bao giờ hết. Vật lý đang làm cuộc khai
sáng cho nhân loại. Galilei và Newton bây
giờ đã có người nối nghiệp!
Michele Besso, nhân
chứng của sự ra đời của thuyết tương đối
hẹp vào tháng 5.1905, và vợ
Marcel Großmann, người
bạn đã đưa Einstein vào Sở sáng chế và là
người giúp ông đến với hình học Riemann
Max Planck trao ‘Huy
chương Max-Planck’ cho Einstein năm 1929,
người thứ hai nhận huy chương này sau Planck
VI
Ở Berlin có hai loại vật
lý gia. Một bên là Einstein, và bên kia là
tất cả những người còn lại
.31
R.
Ladenburg
Trong khoảng
thời gian 1909-1914, Einstein làm giáo sư
tại Đại học Zürich, một thời gian ngắn tại
đại học Đức ở Prag, sau đó trở về đại học
ETH Zürich, nơi trước đây ông thi rớt ở kỳ
thi nhập học và sau đó lại thất bại trong
việc tìm một chân giảng nghiệm viên. Đầu năm
1914, ông chấp nhận lời mời của Hàn lâm viện
Phổ để về Berlin. Năm đó ông mới 35 tuổi,
thành viên trẻ nhất của Hàn Lâm viện Phổ.
Năm 1913 Planck (55 tuổi) và Nernst (49
tuổi) cùng với phu nhân đã từ Berlin lấy xe
lửa đi qua Zürich để mời cho được Einstein
về Berlin. Hai ông đã đã có ấn tượng rất
mạnh về Einstein khi gặp Einstein tại hội
nghị quốc tế Solvay lần thứ nhất năm1911ở
Bỉ, và có quyết tâm mời Einstein về Berlin
bằng được. Hai ông hứa với Einstein những
chế độ đãi ngộ hết sức đặc biệt: ngoài làm
thành viên của Viện hàn lâm Phổ với mức
lương cao nhất (12000 Đức Mã năm, chưa kể
tiền của đại học, tiền “danh dự” của Viện
hàn lâm do sự nổi tiếng) ông còn được làm
giáo sư đại học Berlin mà không phải giảng
dạy. Alexander Humboldt là người đầu tiên
được hưởng chế độ ưu đãi tương tự như thế
của Hàn lâm viện Phổ và Einstein là người
cuối cùng. Ngoài ra ông còn làm viện trưởng
của Viện Vật lý Vua Wilhelm (Viện Max
Planck) sẽ được thành lập. Các ưu đãi ngoài
sức tưởng tượng là những chính sách đặc biệt
ngoại hạng chỉ dành cho Einstein, lại được
mang đến bởi Planck và Nernst là những người
Einstein đã từng ngưỡng mộ! Ở Berlin, ngoài
Max Planck (với Max von Laue là giảng nghiệm
viên, và là người viết quyển sách đầu tiên
năm 1911 về thuyết tương đối), Walter
Nernst, giám đốc viện vật lý-hoá học của đại
học Berlin, còn có những tên tuổi khác như
Fritz Haber, giám đốc viện hoá vật lý Vua
Wilhlem, là người cũng rất tích cực ủng hộ
mời Einstein về Berlin, Emil Warburg, chủ
tịch viện vật lý-kỹ thuật nổi tiếng của
Berlin, Heinrich Rubens, giám đốc viện vật
lý của Đại học Berlin. Người ta kể rằng
trong cuộc gặp gỡ, khi Einstein nói hiện có
nhiều lắm 10 người hiểu được lý thuyết tương
đối của ông thì Nernst trả lời: “Tám trong
số đó hiện sống ở Berlin”. Berlin lúc bấy
giờ là trung tâm khoa học thế giới, đã trở
thành truyền thống nghiên cứu khoa học từ
khi Wilhelm Humboldt thành lập đại học
Berlin năm 1810 làm trung tâm nghiên cứu
khoa học quốc gia của Phổ, “lấy những giá
trị tinh thần để bù đắp lại những mất mát về
vật chất” sau khi Phổ thua trận đau đớn
trước Napoleon năm 1806. Rất nhiều tên tuổi
khoa học và toán học của Đức và nước ngoài
đã làm việc ở đây. Thêm vào đó, năm 1910,
nhân kỷ niệm 100 năm ngày thành lập đại học
Berlin, Trung tâm nghiên cứu Vua Wilhlem ra
đời để đáp ứng nhu cầu nghiên cứu ngày càng
tăng, và để giữ vững địa vị khoa học của Đức
trên thế giới, một sự kiện quan trọng trong
đời sống khoa học của nước Đức. Khoa học đã
thành chính trị đối với Phổ từ lâu trong
lịch sử. Trung tâm nghiên cứu Vua Wilhelm
trở thành một uy tín quốc gia. Năm 1909
người có sáng kiến chính thành lập trung
tâm, Adolf Harnack, đã tuyên bố với nhà vua
đang rất phấn khởi: “Lực lượng quốc phòng và
khoa học là hai trụ cột kiên cố của tên tuổi
của Đức, và nhà nước Phổ theo truyền thống
vinh quang của nó có nghĩa vụ lo cho sự duy
trì của cả hai.”
32
Lý do của những sự
ưu đãi ngoại hạng cho Einstein? Planck đã
viết cho Bộ Giáo dục Phổ: “Tóm lại, người ta
có thể nói rằng, trong những vấn đề lớn mà
qua đó ngành vật lý hiện đại thêm phong phú,
không có vấn đề nào mà Einstein không có
đóng góp đặc biệt” 33, rằng
Einstein đã nổi tiếng thế giới ở tuổi rất
trẻ và thuyết tương đối của ông là “cơ bản”
và “cách mạng”. Nhưng không phải chỉ vì tài
năng khoa học của Einstein. Phổ muốn rằng cả
thế giới vật lý và khoa học nhìn sự hiện
diện của Einstein tại Berlin như một tín
hiệu của sự ưu việt Phổ trên mặt trận khoa
học. Sự xuất hiện của Einstein trong Hàn Lâm
viện Berlin sẽ được “cả thế giới vật lý đánh
giá như một sự thắng lợi đặc biệt quý giá
cho Hàn lâm viện.”
34
Einstein có những đắn đo
khi chấp nhận đi về thủ đô của nước Phổ, một
trung tâm quyền lực quân sự mà ông vốn không
ưa thích, quốc gia mà ông đã hai thập niên
trước tự ý xin ra khỏi quốc tịch. Nhưng
không có nơi nào có sức thu hút mạnh như
Berlin về mặt khoa học và điều kiện làm
việc, cũng như đời sống văn hoá của thành
phố thế giới này mà Zürich, Leiden, Prag,
hay cả Wien cũng không thể sánh kịp, mặc dù
ông cũng không thích lắm “kiểu người Berlin”
sẽ làm việc xung quanh ông. Elsa, người vợ
tương lai của ông tại Berlin, gọi đó là “sự
thiếu vắng của phẩm chất tốt cá nhân”.
Einstein cũng muốn đi tìm một nơi yên ổn, có
nhiều thì giờ và yên tĩnh cho việc nghiên
cứu, và ông cũng đang có vấn đề với người vợ
thứ nhất của mình, cuộc hôn nhân đang hồi
khủng hoảng. Einstein khi về Berlin đã vui
miệng nói “Các ngài ở Berlin chờ đợi tôi là
một con gà đẻ trứng vàng. Nhưng tôi không
biết có đẻ trứng được nữa không”.
35
Thuỵ Sĩ sau đó cũng đã
tìm cách kéo Einstein lại, kể cả việc phao
tin cho Bộ Văn hoá Đức rằng Einstein là
người gốc Do Thái để hy vọng Phổ sẽ từ chối
Einstein!
Năm 1914 lúc ông vừa dọn về Berlin được vài
tháng thì Thế chiến thứ nhất bùng nổ. Những
gì ông đã ngờ về nước Đức lâu nay, lý do đã
khiến ông bỏ ra đi năm 15 tuổi, bây giờ biến
thành sự thật khủng khiếp. Trong khi 93 vị
chức sắc hàng đầu của giới khoa học và văn
hoá Đức ký tên ủng hộ một lời kêu gọi đến
“Thế giới văn hoá” cho rằng “nước Đức bị bắt
buộc chấp nhận cuộc chiến tranh”, khẳng định
“chúng ta sẽ chiến đấu tới cùng với tư cách
một dân tộc văn hoá mà di chúc của một
Goethe, một Beethoven, một Kant cũng thiêng
liêng như quân đội và tổ quốc của nó”, và
“nếu không có chủ nghĩa quân sự Đức, văn hoá
Đức sẽ bị xoá sạch khỏi mặt đất” thì
Einstein ủng hộ một tuyên ngôn hoàn toàn
ngược lại: “Không khí như thế không thể được
biện hộ bởi một sự đam mê quốc gia, nó không
xứng đáng với những gì cả thế giới hiểu dưới
từ văn hoá, và nếu nó là tài sản chung của
những người học thức thì đó là một điều bất
hạnh”. 36
Chống lại cuộc chiến tranh của Phổ, đó là
một hành động quả cảm phi thường của một nhà
khoa học khi chính ông là người được Hàn lâm
viện Phổ hậu đãi hiếm thấy trong lịch sử.
Cuối năm 1914 ông gia nhập “Hội Tổ quốc mới”
mà mục tiêu là sự thành lập một “Hiệp chủng
quốc Châu Âu”! Hội bị cấm và sau chiến tranh
được đổi thành “Liên minh Đức đấu tranh cho
nhân quyền”, thông qua nó ông dấn thân chính
trị trong thời Cộng hoà Weimar sau khi chế
độ quân chủ sụp đổ lúc Đức thua trận. Năm
1932 ông cho xuất bản một đĩa thu âm tựa đề
“Niềm tin của tôi” (Mein Glaubenbekenntnis,
năm 2005 được tái bản). Ông viết cho Romain
Rolland tháng 5.1915: “Phải chăng những thế
kỷ sau sẽ ca ngợi châu Âu chúng ta rằng ba
thế kỷ hoạt động văn hoá cần mẫn đã không
thúc đẩy nó đi xa hơn là từ sự điên rồ tôn
giáo đến sự điên rồ quốc gia (chủ nghĩa)?”
37 Cuối
năm 1915 trong một bài viết “Ý kiến của tôi
về chiến tranh” cho “Hội Goethe Berlin” được
đăng tải trong quyển sách “Đất nước của
Goethe 1914-1916 - một quyển sách kỷ niệm tổ
quốc” ông bày tỏ niềm lạc quan rằng với một
tổ chức xuyên quốc gia người ta có thể tránh
được những cuộc chiến tranh ở châu Âu, giống
như một nước phổ Phổ tránh được một cuộc
chiến tranh giữa Bang Bayern và Württemberg,
rằng một tổ chức như thế sẽ có thể được
thành lập không lâu. Ông thất vọng về Thuỵ
Sĩ, vì phần lớn báo chí nói tiếng Đức của
Thuỵ Sĩ đã có thái độ rất thiện cảm với Đức
trong chiến tranh, người đứng đầu quân đội
Thuỵ Sĩ là một người chịu ảnh hưởng của Phổ
trong việc cải cách quân đội. Bức tranh của
ông về Thuỵ Sĩ tối đi. Một năm sau chiến
tranh bắt đầu ông viết cho Lorentz: “Hơn nữa
tôi phải nói rằng sự kính trọng của tôi đối
với các nhà nước tiến bộ về chính trị đã
giảm đi rất nhiều khi biết rằng tất cả nhà
nước ấy đều nằm trong tay của các tập đoàn
thống trị nắm trong tay báo chí và quyền
lực, có thể làm những gì họ muốn.” 38
Ông bị cuốn vào chính
trị từ đó và phải chia quỹ thời gian của ông
‘giữa phương trình và chính trị’ như ông
nói. Einstein là một trong rất ít nhà khoa
học dám lẻ loi đứng chống lại một trận cuồng
phong của chiến tranh. Ông liên kết với các
nhân sĩ của giới tả như Alfred Döblin,
Heinrich Mann, Käthe Kollwitz, Erich Mühsam,
Carl von Ossietzky, Henri Barbusse và Romain
Rolland để chống lại chủ nghĩa quân sự, chủ
nghĩa quốc gia, đấu tranh cho hoà bình và
dân chủ. “Chủ nghĩa quốc gia là một căn bịnh
trẻ con. Bịnh sởi của giống người.” 39
Ông là con người khoa học hiếm thấy
có ý thức chính trị, và có những phán đoán
chính trị sắc bén và chính xác, có dũng cảm
công dân, không chạy theo đám đông. Ông
không bao giờ do dự khi lấy thái độ chính
trị, ở bất cứ nơi đâu và bất cứ lúc nào. Sau
khi Hilter lên nắm quyền đầu năm 1933 ông là
người công khai tố cáo chế độ quốc xã từ
nước ngoài. Người bạn thân Max von Laue của
ông đặt câu hỏi nhà khoa học nên làm chính
trị hay không. Ông bác bỏ quan niệm đó:
“Chính ở tình hình hiện tại ở nước Đức người
ta thấy sự tự giới hạn này dẫn tới đâu. Nó
đồng nghĩa với việc nhường quyền lãnh đạo
cho những kẻ mù quáng và vô trách nhiệm nếu
chúng ta không có hành động chống lại. Chúng
ta sẽ đứng ở đâu nếu Giordano Bruno,
Spinoza, Voltaire và Humboldt nghĩ và hành
động như thế?” 40 Sau
thế chiến thứ hai Max von Laue đã phải thú
nhận một cách thấm thía: “Tất cả chúng ta đã
biết, rằng bất công đã xảy ra, nhưng chúng
ta đã không muốn nhìn vào nó, chúng ta đã
lừa dối chúng ta và chúng ta không ngạc
nhiên khi thấy rằng chúng ta phải trả giá
cho điều đó”.
41
Một trang chữ ký của các nhà khoa học Đức
trong “Lời kêu goị
Thế giới văn hoá” (Aufruf an die
Kulturwelt).
(Nguồn: Einsteins
Leben und Werk)
(Nguồn: Einsteins Leben und Werk)
Một đoạn trong “Lời
kêu gọi những người Châu Âu” của Einstein,
Nicolai và Foerster, như một đối trọng
Trong thời gian ở Berlin ông tiếp tục nghiên
cứu lý thuyết tương đối mở rộng ứng dụng vào
hấp lực của Newton, những gì ông đã bắt đầu
từ 1907 và năm 1913 cùng với Großmann đặt
nền tảng toán học cho nó bằng hình học
Riemann trong không-thời gian bốn chiều
Minkowski. Năm 1915 ông hoàn thành công
trình đồ sộ này, năm 1916 được công bố trên
tạp chí Niên giám Vật lý. Đó là công
trình vất vả nhất và sâu sắc nhất của
Einstein, “một thành tựu lớn nhất của tư duy
con người về thiên nhiên, sự kết hợp của
chiều sâu triết học, trực giác vật lý và
nghệ thuật toán học một cách ngạc nhiên” như
Max Born sau này bình luận, và “nó thu hút
tôi như một tác phẩm nghệ thuật mà người ta
thưởng thức một cách thích thú và chiêm
ngưỡng”. Hình học Riemann sau hơn nửa thế
kỷ ngủ yên nay được đánh thức, có một bộ mặt
khác hẳn, từ đây gắn liền với thuyết tương
đối rộng không ai có thể bỏ qua.
Đối với chúng tôi, các lỗ đen là sự xác nhận
đẹp nhất và ấn tượng nhất của thuyết tương
đối rộng của Einstein. Chúng là những nơi mà
thuyết Einstein bộc lộ hết sức mạnh và sự
vinh quang của nó.
42
F. Dyson
Tháng 8 năm 1917 ông báo cáo trước Hàn Lâm
viện Phổ về công trình quan trọng tiếp theo
về vũ trụ học. Đó là công trình thế kỷ cho
ngành thiên văn học hiện đại, được xây dựng
trên thuyết tương đối rộng. Các phương trình
từ thuyết tương đối rộng đã châm ngòi một
giai đoạn phát triển vũ bảo mới cho ngành
thiên văn và thay đổi hiểu biết con người về
số phận của vũ trụ một cách triệt để và thú
vị nhất. Để bảo đảm một vũ trụ ổn định,
Einstein đã đưa vào phương trình mình “hằng
số lamda (λ)” tương ứng với một năng lượng
nhằm tác dụng cân bằng các lực co lại của
hấp lực hoặc khuynh hướng phình ra. Nhưng
chỉ vài năm sau đó Friedmann từ Nga đã đưa
ra một lớp mô hình vũ trụ không đứng yên mà
tiến hoá, có quá khứ, hiện tại và tương lai,
phù hợp với phương trình của thuyết tương
đối rộng. Einstein tự gọi hằng số lamda của
ông là “cái ngu ngốc lớn nhất” trong đời
khoa học ông. Vũ trụ chúng ta không đứng yên
mà tiến hoá. Theo tính toán của Friedmann,
vật chất trong vũ trụ trước đây phải xuất
phát từ một nơi nào rất nhỏ bé, từ đó, sau
một tiếng nổ ban đầu (big bang) vật chất sẽ
bay toả khắp nơi. Năm 1929 Erwin Hubble với
viễn vọng kính lớn trên núi Wilson đã xác
nhận chính xác thế giới đang giãn nở, các
thiên hà chạy ngày càng xa nhau, và đều
khắp, càng xa nhau càng chạy nhanh hơn,
giống như cái bánh bông lan có nho khô bên
trong lúc nó nở lên. Friedmann không chứng
kiến được điều đó nữa, ông mất năm 1925.
Người ta tính toán được tuổi của vũ trụ từ
lúc big bang xảy ra là khoảng mười ba tỉ
năm. Đây chỉ mới là ‘khúc dạo đầu’của một
giai đoạn phát triển bảo táp của ngành thiên
văn theo thuyết tương đối trong những năm
sáu mươi, sau khi thuyết tương đối rộng như
nàng tiên ngủ yên đi ba thập niên, vì kỹ
thuật chưa có điều kiện để kiểm chứng. Lỗ
đen sẽ là cao điểm của sự phát triển này.
Những phương trình hấp lực của thuyết tương
đối rộng chứa những nghiệm số là những điểm
kỳ dị tại đó vật chất và bức xạ biến mất! Đó
chính là lỗ đen mà Einstein lúc đầu cũng
không tin.
Bốn ngày trước khi công bố bài nghiên cứu về
vũ trụ học, Einstein viết cho Paul
Ehrenfest: “Tôi cũng lại phạm tội một cái gì
trong lý thuyết hấp lực (với thuyết tương
đối rộng), và có một ít nguy cơ bị cho vào
nhà thương điên.” 43
(Nguồn: Einsteins Leben und Werk)
Hằng số lamda (λ), “cái
ngu ngốc lớn nhất của đời tôi”
|
