Ký ức về thuyết tương đối

Hồi còn nhỏ, tôi hay nghe thấy người lớn nói “nhanh như chớp”, mà không hiểu ý nghĩa thực của nó là gì. Bước vào đại học, tôi được tiếp cận lý thuyết tương đối của Einstein thông qua quyển sách “Lý thuyết trường” của Landau[1]. Trong sách của mình, Landau đã trình bày thuyết tương đối theo một trình tự và luận lý chặt chẽ, xuất phát từ định đề cơ bản “Tốc độ ánh sáng là cực đại”, tôi liền nghĩ đến câu nói “nhanh như chớp” được nghe từ nhỏ.

Tuy nhiên, với những sinh viên như chúng tôi lúc bấy giờ thì thuyết tương đối là vấn đề khó hiểu khó học. Cái khó ở đây không phải chỉ là lý luận bằng toán, mà khó hơn ở những ý tưởng lạ, những khái niệm mới không quen thuộc, thậm chí ngược đời. Bấy lâu nay tôi vẫn tin rằng đồng hồ đeo tay của tôi cũng như của mọi người đều chỉ những khoảng thời gian giống nhau, nhưng hóa ra không phải thế. Theo thuyết tương đối thì đồng hồ (cùng với người nào) di chuyển nhanh hơn sẽ chạy chậm hơn, tốc độ di chuyển càng lớn thì thời gian của đồng hồ càng chậm. Thế tại sao mọi cuộc hẹn vẫn không bị lỡ? đó là vì tốc độ di chuyển của người (cùng với đồng hồ) thường nhỏ hơn rất nhiều so với tốc độ ánh sáng nên độ chậm của thời gian là quá nhỏ không thể thấy được. Ngay cả khi di chuyển nhanh hơn như trong trường hợp đồng hồ của nhà du hành vũ trụ bay quanh trái đất với tốc độ 8 km/s trong một năm thì khi trở về mặt đất, đồng hồ cũng chỉ chậm khoảng 0,01 giây (độ chậm thời gian của đồng hồ nguyên tử gắn trên vệ tinh đã được ghi nhận và đã được ứng dụng trong hệ thống định vị toàn cầu). Sự chậm thời gian đối với nhà du hành vũ trụ làm cho tôi sực nhớ tới câu chuyện cổ tích “Từ Thức gặp Tiên”. Từ Thức thích đi ngao du, bị lạc trên núi, bất ngờ có đường dẫn lên cõi tiên gặp Giáng Hương và kết duyên tiên. Được chừng một năm, nhớ nhà, Từ Thức đòi về; nhờ cưỡi xe mây nhà trời, chỉ chớp mắt đã về đến làng cũ; quang cảnh đổi khác, không thấy người quen, hỏi thăm một ông già thì được biết cụ tổ bốn đời nhà ông tên là Từ Thức, bị lạc trên núi cách nay đã ngót hai trăm năm… Tôi rất thích thú và tự hào vì từ lâu người Việt đã sáng tác ra một câu chuyện phù hợp với quan niệm về thời gian của thuyết tương đối hiện đại.

PGS.TS Phùng Văn Trình đến với thuyết tương đối bằng sự say mê

Một thí dụ khác là câu chuyện về độ dài rộng to bé. Tôi và nhiều bạn sinh viên đều nghĩ rằng một cái thước phải có chiều dài xác định không thay đổi. Nhưng khi được học về thuyết tương đối mới nhận ra đó là một sự hiểu sai lầm. Thực tế độ dài của một cái thước không hoàn toàn xác định mà tùy thuộc vào cái thước đó nằm yên hay di chuyển. Theo thuyết tương đối, khi một cái thước thẳng chuyển động dọc theo phương của thước thì độ dài của nó bị co lại ngắn hơn khi thước nằm yên. Nghe thế cậu bạn tôi liền nói đùa: nếu một cô gái xinh đẹp mà chạy nhanh như ánh sáng thì người cô sẽ bẹp lại mỏng như tờ tranh Tố Nữ. Tôi thì không lo thế vì biết rằng các vật có khối lượng không thể chuyển động nhanh bằng ánh sáng được, hơn nữa dù có chạy nhanh bao nhiêu, bản thân cô gái vẫn thấy mình không thay đổi gì, vẫn đầy đặn như thế. Thực ra về lịch sử sự co độ dài của thước chuyển động đã được Lorentz[2] phỏng đoán từ năm 1892 trước Einstein (1905). Vì thế người ta thường gọi sự co độ dài đang nói là sự co Lorentz để ghi nhớ sự đóng góp của ông.

Như vậy là thuyết tương đối đã làm cho tôi và các bạn phải thay đổi quan niệm về thời gian và không gian. Không những thế, thuyết tương đối còn cho chúng ta những nhận thức mới về năng lượng, được thể hiện trong công thức (gọi là công thức Einstein): E = mc². Trong đó E là năng lượng của một vật, m là khối lượng của nó. Công thức này rất nổi tiếng được nhiều học giả nghiên cứu thảo luận và được phân tích tầm quan trọng trên các mặt báo phổ thông; có nơi người ta dựng tác phẩm điêu khắc cao 3 mét về công thức này như ở Berlin (Đức) hay trồng hoa kết thành công thức này trước sân công cộng như ở Mỹ. Công thức này chỉ dẫn ra nguyên lý sử dụng năng lượng hạt nhân (nguyên tử); nó cũng cho biết vì sao mặt trời và các ngôi sao lại nóng sáng đến thế; tính theo công thức này thì mỗi giây năng lượng mặt trời tỏa ra tương ứng với một khối lượng khoảng 4 triệu tấn, tức là khối lượng mặt trời bị hao đi mỗi giây là 4 triệu tấn (cứ yên tâm, mặt trời còn tồn tại khoảng 4 tỷ năm nữa).

Đối với tôi, công thức Einstein là người thầy chỉ dẫn làm luận án phó Tiến sỹ khoa học. Công việc khởi nguồn từ ý tưởng khi áp dụng công thức Einstein cho một hạt cơ bản như hạt electron (hạt điện tử) hoặc các hạt khác cần phải chú ý rằng mỗi hạt cơ bản có một chuyển động đặc biệt xảy ra ở trong lòng của nó; năng lượng của chuyển động ở bên trong này chưa được tính trong công thức Einstein. Tôi đã tìm được cách bổ sung thêm phần năng lượng chuyển động bên trong nói trên vào trong công thức Einstein. Từ đó tiến hành các khâu tính toán phức tạp dài dòng, cuối cùng tính được mômen lưỡng cực điện riêng của hạt (mang điện ).Vì lý do này mà tôi đã lấy tên luận án là “Một phương pháp tiếp cận mômen lưỡng cực điện riêng của electron". Hoàn thành luận án thì tôi cũng trở thành một tín đồ ngoan đạo của thuyết tương đối.

Thuyết tương đối ngay từ khi vừa ra đời đã nổi tiếng; mấy chục năm đầu nó nổi tiếng vì gây tranh cãi, nghi ngờ mất lòng tin của nhiều người, đến nỗi Hội đồng xét Giải thưởng Nobel không dám lấy công trình đó để trao giải cho Einstein trong năm 1921 (thay vào đó là công trình Giả thuyết lượng tử ánh sáng). Những năm về sau, thuyết tương đối nổi tiếng vì những ý tưởng mang tính cách mạng về nhận thức tự nhiên được thừa nhận và cùng với thuyết lượng tử trở thành hai thuyết trụ cột của vật lý học và khoa học cho đến nay. Còn Einstein được coi là thiên tài xuất chúng, có lẽ từ xưa đến nay chỉ có Newton là so sánh được. Tuy nhiên tôi vẫn luôn tin tưởng rằng thế hệ trẻ ngày nay và mai sau sẽ có những phát hiện ngang tầm với Einstein và Newton.

Ký ức về học tập và nghiên cứu thuyết tương đối của tôi là như thế, thật say mê, hào hứng, có lúc đau đầu vì bế tắc, có lúc thoải mái vì thông thoáng,  và điều sung sướng nhất là tôi được biết thêm nhiều tri thức mới. Xin kính cẩn cảm ơn thầy Einstein. 

PGS.TS Phùng Văn Trình

Nguyên Chủ nhiệm bộ môn Vật lý lý thuyết, trường Đại học Bách khoa Hà Nội