Không gì có khối lượng vượt được tốc độ ánh sáng, vì càng tiến gần tốc độ đó, mỗi chút tốc độ tăng thêm lại đòi một lượng năng lượng lớn hơn trước, và muốn đạt đúng tốc độ ánh sáng thì cần năng lượng vô hạn. Theo thuyết tương đối hẹp của Einstein, tốc độ ánh sáng trong chân không, khoảng ba trăm nghìn cây số mỗi giây, không chỉ là tốc độ của ánh sáng, mà là giới hạn tốc độ của mọi thông tin và mọi chuỗi nguyên nhân kết quả trong vũ trụ.
Chào bạn, đây là Nhà Vật Lý. Phim viễn tưởng cho tàu vũ trụ vượt tốc độ ánh sáng như chuyện bình thường. Tập này mình giải thích vì sao vật lý mà ta biết hôm nay nói không, bằng những bằng chứng đo được hằng ngày, từ máy gia tốc hạt cho tới những hạt nhỏ xíu rơi từ bầu trời xuống đầu bạn.
Một tốc độ mà ai đo cũng ra như nhau
Với xe cộ, tốc độ phụ thuộc người đo. Bạn chạy xe máy bốn mươi cây số một giờ, chiếc xe bên cạnh chạy năm mươi, với bạn nó chỉ nhích lên mười. Đó là cách cộng tốc độ quen thuộc.
Ánh sáng không như vậy. Cuối thế kỷ mười chín, các thí nghiệm rất tinh tế, trong đó nổi tiếng là thí nghiệm của Michelson và Morley, tìm cách đo xem ánh sáng có nhanh chậm khác nhau theo hướng Trái Đất chuyển động không, và không tìm thấy khác biệt nào.
Năm một nghìn chín trăm lẻ năm, Einstein lấy điều đó làm nền: tốc độ ánh sáng trong chân không là như nhau với mọi người quan sát, dù họ đứng yên hay đang lao đi. Để điều này đúng, thời gian và khoảng cách phải co giãn tuỳ người đo.
Nghe kỳ lạ, nhưng các hệ quả của ý tưởng đó đã được kiểm chứng rất nhiều lần.
Càng nhanh càng khó nhanh thêm
Ở tốc độ thường ngày, đẩy một vật mạnh gấp đôi thì nó tăng tốc gấp đôi, như Newton mô tả. Nhưng khi tốc độ tiến gần tốc độ ánh sáng, điều đó không còn đúng. Cùng một lực đẩy, cùng một lượng năng lượng đổ vào, vật chỉ nhanh thêm được rất ít.
Năng lượng vẫn đi vào vật, nhưng phần lớn không biến thành tốc độ nữa, mà làm tăng năng lượng của vật theo cách khác. Công thức nổi tiếng năng lượng bằng khối lượng nhân bình phương tốc độ ánh sáng cho thấy năng lượng và khối lượng là hai mặt của một thứ.
Tính toán cho thấy để vật có khối lượng đạt đúng tốc độ ánh sáng, cần năng lượng vô hạn. Không có nguồn năng lượng vô hạn nào, nên không vật có khối lượng nào đạt tới, chứ đừng nói vượt qua.
Máy gia tốc hạt là bằng chứng sống. Các máy lớn đẩy prô tôn tới tốc độ cực sát tốc độ ánh sáng. Đổ thêm năng lượng, hạt nặng thêm năng lượng rất nhiều, nhưng tốc độ chỉ nhích ở những chữ số rất xa sau dấu phẩy, không bao giờ chạm tới.
Thời gian chậm lại: những hạt muon rơi từ trời
Một hệ quả của thuyết tương đối là đồng hồ đang chuyển động nhanh chạy chậm hơn đồng hồ đứng yên, nhìn từ người đứng yên. Ở tốc độ thường ngày, hiệu ứng này nhỏ không đáng kể. Gần tốc độ ánh sáng thì rất lớn.
Khi tia vũ trụ va vào khí quyển trên cao, chúng tạo ra những hạt gọi là muon. Muon sống rất ngắn rồi phân rã. Tính theo tuổi thọ của chúng khi đứng yên, phần lớn muon lẽ ra phải phân rã hết trước khi đi xuống tới mặt đất.
Thế nhưng các máy dò ở mặt đất vẫn bắt được rất nhiều muon. Lý do là chúng bay với tốc độ gần tốc độ ánh sáng, đồng hồ bên trong chúng chạy chậm lại so với ta, nên chúng sống đủ lâu để tới nơi. Đây là một bằng chứng kinh điển của thuyết tương đối.
Ngay lúc bạn nghe tập này, vẫn có những hạt muon xuyên qua người bạn mỗi phút. Chúng vô hại ở mức đó, và chúng là một chiếc đồng hồ tương đối luận đang chạy trên đầu mỗi người.
Ánh sáng bị vượt mặt trong nước, và giới hạn của nhân quả
Có một chi tiết thú vị: giới hạn là tốc độ ánh sáng trong chân không. Trong nước, ánh sáng đi chậm hơn đáng kể. Một hạt mang điện năng lượng cao hoàn toàn có thể chạy nhanh hơn ánh sáng trong nước, và khi đó nó phát ra một thứ ánh sáng xanh lam đặc trưng, gọi là bức xạ Cherenkov, giống như tiếng nổ khi máy bay vượt tốc độ âm thanh.
Ánh sáng xanh lam bạn thấy trong ảnh bể nước của lò phản ứng nghiên cứu chính là hiện tượng này. Nó không vi phạm thuyết tương đối, vì hạt vẫn chậm hơn ánh sáng trong chân không.
Tại sao giới hạn này quan trọng tới vậy? Nếu thông tin đi nhanh hơn ánh sáng, theo thuyết tương đối, sẽ có những người quan sát thấy kết quả xảy ra trước nguyên nhân: tin nhắn tới trước khi được gửi. Giới hạn tốc độ ánh sáng là thứ giữ cho trật tự nguyên nhân rồi mới tới kết quả không bị đảo lộn.
Vì thế, như ở tập trước, rối lượng tử dù kỳ lạ cũng không gửi được tin nhanh hơn ánh sáng.
Những câu hỏi còn để ngỏ
Vũ trụ đang giãn nở, và những thiên hà rất xa đang lùi ra xa ta nhanh hơn tốc độ ánh sáng theo một cách tính nào đó. Điều này không vi phạm thuyết tương đối, vì đó là chính không gian giãn ra, chứ không phải thiên hà chạy xuyên qua không gian.
Các ý tưởng như lỗ sâu hay động cơ bẻ cong không gian xuất hiện trong một số tính toán lý thuyết, nhưng đều đòi hỏi những dạng vật chất chưa ai thấy hoặc điều kiện có lẽ không thể có. Chúng là giả thuyết toán học, chưa phải công nghệ.
Điều chắc chắn là cho tới nay, mọi thí nghiệm đều phù hợp với giới hạn tốc độ ánh sáng. Một khám phá ngược lại sẽ là một cuộc cách mạng, và cộng đồng vật lý sẽ đòi những bằng chứng cực kỳ chắc chắn.
Câu hỏi để bạn nghĩ tiếp: tất cả những ý tưởng mình kể trong mấy tập này đều có thể kiểm bằng thí nghiệm. Có những thí nghiệm nào bạn có thể làm ngay tại nhà, an toàn, với dây, đồng hồ và một quả nặng, để tự đo một hằng số của tự nhiên?
Câu hỏi thường gặp
Tốc độ ánh sáng bằng bao nhiêu?
Trong chân không, ánh sáng đi khoảng ba trăm nghìn cây số mỗi giây. Với tốc độ đó, ánh sáng đi được khoảng bảy vòng rưỡi quanh Trái Đất trong một giây.
Phô tôn không có khối lượng nên đi bằng tốc độ ánh sáng phải không?
Đúng. Những hạt không có khối lượng như phô tôn luôn đi đúng bằng tốc độ ánh sáng trong chân không, không nhanh hơn, không chậm hơn. Chỉ hạt có khối lượng mới không đạt được tốc độ đó.
Nếu đi gần tốc độ ánh sáng thì mình có trẻ lâu hơn không?
Theo thuyết tương đối, người đi rất nhanh rồi quay về sẽ già ít hơn người ở lại. Hiệu ứng này đã được đo bằng đồng hồ nguyên tử đặt trên máy bay, nhưng ở tốc độ con người đạt được hiện nay, chênh lệch chỉ là phần rất nhỏ của giây.
Bức xạ Cherenkov có nguy hiểm không?
Bản thân ánh sáng xanh không nguy hiểm, nhưng nó là dấu hiệu của các hạt năng lượng cao trong môi trường có phóng xạ mạnh như bể lò phản ứng. Những nơi đó được che chắn và kiểm soát nghiêm ngặt.
Ai đã đo tốc độ ánh sáng lần đầu?
Một trong những ước lượng sớm được ghi nhận là của nhà thiên văn Ole Rømer ở thế kỷ mười bảy, dựa trên thời điểm che khuất các vệ tinh của sao Mộc. Về sau các nhà vật lý đo ngày càng chính xác bằng thí nghiệm trên mặt đất.
