Vì sao E = mc2? - Phần 16

Đây là chỗ toán học mà ta đã xét ở đầu chương này trở nên rất hữu ích. Ta đã đưa ra một dự đoán chính xác cho lượng chậm đi mà một đồng hồ nhỏ đang chuyển động tốc độ cao gõ nhịp so với một đồng hồ vẫn đứng yên. Do đó, ta có thể sử dụng phương trình của mình để dự đoán thời gian sẽ trôi chậm đi bao nhiêu khi chuyển động ở 99,94% tốc độ ánh sáng, và do đó thời gian sống của một hạt muon sẽ kéo dài thêm bao nhiêu. Einstein dự đoán rằng các muon ở Brookhaven sẽ có thời gian sống kéo dài thêm bởi hệ số γ = 1/√(1 – v2/c2), trong đó v/c = 0,9994. Nếu bạn có chiếc máy tính trên tay, thì hãy nhấn các số trên vào và xem kết quả là gì. Công thức của Einstein cho đáp số 29, đúng bằng cái các nhà thực nghiệm Brookhaven tìm thấy.

Nên tạm dừng một chút ở đây để hỏi xem chuyện gì đã xảy ra. Chỉ sử dụng định lí Pythagoras và giả thuyết Einstein về tốc độ ánh sáng là như nhau đối với mọi người, ta suy ra được một công thức toán học cho phép chúng ta dự đoán sự kéo dài thời gian sống của một hạt hạ nguyên tử gọi là muon khi muon được gia tốc vòng quanh một máy gia tốc hạt ở Brookhaven đến 99,94% tốc độ ánh sáng. Dự đoán của chúng ta là nó sẽ sống lâu gấp 29 lần một hạt muon đứng yên, và dự đoán này ăn khớp chính xác với cái được các nhà khoa học tại Brookhaven chứng kiến. Bạn càng suy nghĩ nhiều về điều này, thì bạn thấy nó thật là hay. Chào mừng đến với thế giới vật lí! Tất nhiên, lí thuyết Einstein đã được xác lập chắc chắn vào cuối thập niên 1990. Các nhà khoa học tại Brookhaven chú tâm nghiên cứu các tính chất khác của các muon của họ - các hiệu ứng kéo dài thời gian sống của lí thuyết Einstein mang lại thêm một lợi ích nữa, nghĩa là họ đã quan sát chúng lâu hơn.

Do đó, ta phải kết luận, bởi vì các thí nghiệm cho ta biết như thế, rằng thời gian là dát mỏng được. Tốc độ trôi qua của nó biến thiên tùy theo người (hoặc tùy theo muon), phụ thuộc vào họ đang di chuyển ra sao.

Như thể hành trạng khá bất thường này của thời gian là chưa đủ, còn có cái gì đó khác đang ẩn náu, và độc giả thận trọng có lẽ đã phát hiện ra. Hãy nghĩ lại về những muon đang lao vèo vèo xung quanh AGS. Hãy lập một vạch mức trong vành đai và đếm xem các muon băng qua nó bao nhiêu lần khi chúng quay tròn trước khi chúng phân hủy. Đối với người đang quan sát các muon, chúng băng qua 400 lần bởi vì thời gian sống của chúng đã kéo dài thêm. Bạn sẽ băng qua vạch mức đó bao nhiêu lần nếu bạn có thể lao vèo vèo cùng các muon xung quanh vành đai gia tốc? Tất nhiên, nó cũng phải là 400 lần; nếu không thì thế giới sẽ chẳng còn ý nghĩa gì cả. Vấn đề là ở chỗ theo đồng hồ của bạn, khi bạn bay vòng quanh vành đai cùng với các muon, chúng chỉ sống trong 2,2 micro giây, bởi vì muon vẫn đang đứng yên so với bạn và các muon sống trong 2,2 micro giây khi chúng đứng yên. Tuy nhiên, bạn và hạt muon vẫn phải thực hiện 400 vòng quay trước khi hạt muon không còn nữa. Cái gì đã xảy ra? Bốn trăm vòng quay trong 2,2 micro giây trông có vẻ như không thể. May thay, có một cách thoát ra khỏi nghịch lí này. Chu vi của vành đai có thể giảm từ góc nhìn của hạt muon. Hoàn toàn phù hợp thôi, chiều dài của vành đai, khi xác định bởi bạn và hạt muon, phải co lại một lượng đúng bằng lượng tăng thời gian sống của hạt muon. Không gian cũng phải có tính dát mỏng nữa! Như với sự giãn nở thời gian, đây là một hiệu ứng có thật. Các vật thực tế thật sự co lại khi chúng chuyển động. Là một thí dụ lạ, hãy tưởng tượng một chiếc xe dài 4 mét đang cố nhét vào một ga ra dài 3,9 mét. Einstein dự đoán, nếu chiếc xe chuyển động nhanh hơn 22% tốc độ ánh sáng thì nó sẽ bị nén lại vừa khớp với ga ra, ít nhất là trong một phần nhỏ của giây trước khi nó lao xuyên qua bức tường phía sau. Một lần nữa, nếu bạn đang quan tâm tính toán, thì bạn có thể kiểm tra rằng 22% là con số thích hợp. Chạy nhanh hơn nữa thì chiếc xe co lại dưới 2,9 mét; chạy chậm hơn nữa thì nó co lại không đủ.

Khám phá rằng sự trôi qua của thời gian có thể chậm đi và khoảng cách có thể co lại là đủ lạ khi áp dụng cho thế giới của các hạt hạ nguyên tử, nhưng luận giải của Einstein cũng áp dụng tốt cho các thứ kích cỡ con người. Một ngày nào đó chúng ta có thể khai thác hành trạng kì lạ này cho sự tồn vong của nhân loại. Hãy tưởng tượng bạn đang sống trên Trái đất trong một tương lai xa. Trong quãng thời gian một vài tỉ năm, mặt trời sẽ không còn là một nguồn sáng dung dưỡng sự sống ổn định cho thế giới của chúng ta nữa, mà sẽ là một ngôi sao kềnh, không bền, sôi sùng sục, có khả năng nhận chìm hành tinh của chúng ta khi nó tiến sang giai đoạn giãy chết cuối đời của nó. Nếu khi đó chúng ta chưa bị tuyệt chủng vì một lí do nào đó khác, thì cái cần thiết là con người phải thoát khỏi hành tinh quê nhà của chúng ta và chu du đến các vì sao. Dải Ngân hà, hòn đảo xoắn ốc địa phương của chúng ta bao gồm một tỉ mặt trời, có bề rộng 100.000 năm ánh sáng. Điều này có nghĩa là ánh sáng mất 100.000 năm để truyền xuyên qua nó, khi xác định bởi ai đó trên Trái đất. Hi vọng rằng yêu cầu cho điềm báo cuối cùng ấy được cung cấp rõ ràng như chúng ta đã nói. Có vẻ như đích đến khả dĩ của nhân loại bên trong Dải Ngân hà sẽ mãi mãi hạn chế với một phần nhỏ bé gồm những ngôi sao ở rất gần quê hương của chúng ta (theo kích cỡ thiên văn học) bởi vì chúng ta khó có thể thực hiện một chuyến hành trình đến những góc khuất xa xôi của thiên hà mà bản thân ánh sáng mất đến 100.000 năm để vượt qua. Nhưng đây là chỗ Einstein xuất hiện cứu nguy. Nếu như ta có thể chế tạo một phi thuyền vũ trụ có thể ném chúng ta vào vũ trụ ở tốc độ rất gần tốc độ ánh sáng, thì lượng co lại sẽ càng tăng nếu chúng ta càng có thể chuyển động gần tốc độ ánh sáng hơn. Nếu ta làm chủ được tốc độ 99,99999999% tốc độ ánh sáng, thì ta có thể đi ra khỏi Dải Ngân hà  và thẳng tiến đến thiên hà Andromeda láng giềng, ở xa gần 3 triệu năm ánh sáng, trong khoảng thời gian chỉ có 50 năm. Phải thừa nhận rằng đó là một đòi hỏi quá lớn, và nó đúng là vậy. Trở ngại lớn là làm sao cấp năng lượng cho một phi thuyền vũ trụ để nó đạt tới những tốc độ cao như thế, nhưng vẫn còn trở ngại khác nữa: Với sự uốn cong của không gian và thời gian, việc du hành tới những nơi xa xôi của vũ trụ trở nên không thể tưởng tượng nỗi ở chỗ nó chưa từng có trước đây. Nếu bạn là một thành viên của đoàn thám hiểm Andromeda đầu tiên của nhân loại, đi tới một thiên hà mới sau chuyến hành trình 50 năm, thì con cái của bạn chào đời trong không gian có thể sẽ ước muốn trở lại thế giới quê hương của chúng và hướng đôi mắt khát khao của chúng về phía Trái đất. Đối với chúng, Hành tinh Xanh sẽ chẳng gì hơn là một câu chuyện vũ trụ được kể trước lúc đi ngủ. Quay đầu phi thuyền vũ trụ, và lái ngược về Trái đất trong 50 năm, toàn bộ chuyến hành trình đến Andromeda và quay về sẽ mất 100 năm. Tuy nhiên, vào lúc họ đi vào quỹ đạo Trái đất, thì 6 triệu năm đã trôi qua đối với các cư dân trên Trái đất rồi. Nền văn minh tổ tiên của họ liệu có còn tồn tại hay không? Einstein đã giúp chúng ta mở mắt nhìn vào một thế giới lạ lẫm và tuyệt đẹp.

Vì sao E = mc2?
(và vì sao chúng ta lại quan tâm?)
Brian Cox & Jeff Forshaw
Bản dịch của TVVL
<< Phần trước | Phần tiếp theo >>

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email
Tin tức vật lý
Extension Thuvienvatly.com cho Chrome

Thêm ý kiến của bạn

Security code
Refresh

Các bài khác


Nước chậm đông được làm lạnh đến nhiệt độ thấp kỉ lục
16/01/2018
Lần đầu tiên nhiệt độ của nước lỏng chậm đông được đo chính xác đến dưới –40°C. Các nhà nghiên cứu, đứng đầu
Ánh sáng có thật sự kết hợp trở lại sau khi truyền qua hai lăng kính hay không?
15/01/2018
TÓM TẮT. Chúng tôi trình bày một bố trí thí nghiệm đơn giản và rẻ tiền chứng minh rõ ràng các màu của ánh sáng trắng sau
Vật lí Lượng tử Tốc hành (Phần 4)
12/01/2018
Nhiệt động lực học và entropy Ngoài việc khám phá lực điện từ, nghiên cứu năng lượng ở dạng nhiệt còn đưa đến một
Vật lí Lượng tử Tốc hành (Phần 3)
12/01/2018
Lực điện từ Nếu ánh sáng thật sự là sóng, thì có vẻ hợp lí thôi nếu ta hỏi: chính xác thì cái gì đang dao động như
Năng lượng tối là gì?
10/01/2018
Trong phần này, đầu óc của bạn bùng nổ bởi vũ trụ đang dãn nở của chúng ta Có lẽ bạn đang choáng váng trước thực tế
Hiệu ứng Hall lượng tử 4D trong phòng thí nghiệm
10/01/2018
Tính chất của một vật liệu 4D giả thuyết đã được mô phỏng trong các thí nghiệm của hai đội vật lí quốc tế. Một đội
Nước chậm đông có thể tồn tại ở hai pha lỏng
07/01/2018
Nước có thể tồn tại ở hai pha lỏng với khối lượng riêng khác nhau. Đó là kết luận của các nhà nghiên cứu ở Thụy
Vật chất tối là gì?
07/01/2018
Bạn đang hụp lặn trong nó Đây là biểu đồ cột về khối lượng và năng lượng trong vũ trụ như chúng ta biết: Các nhà
Vui Lòng Đợi

360 độ

Vật lý 360 độ là trang tin nhanh, trao đổi chuyên đề vật lý và các khoa học khác cũng như các nội dung liên quan đến dạy và học.
Hi vọng các bạn giúp chúng tôi bằng cách đăng kí làm CTV.
Liên hệ: banquantri@thuvienvatly.com