Chân không và cuộc chiến
Sóng-Hạt
Khoa học hiệnđại không hoàn toàn là những tri thứcđã hoàn thiện.
Chân không Ether và tính sóng-hạt của vật chất là một ví dụ. Những tranh cãi
vềchúng đã kéo dài qua hàng thếkỷnhưng đến nay vẫn chưa có hồi kết.
Vớiđa sốngười, chân không nghĩa là chẳng có gì hết. Nhưng từnhiều thếkỷ
trước câu hỏi “chân không liệu có phải là trống rỗng tuyệtđối?” đã thường xuyên
đượcđặt ra và thậm chí bùng lên thành những cuộc tranh luận nóng bỏng. Rất
nhiều nhà khoa học tin rằng chân không được lấpđầy bởi vật chất mà người ta gọi
là Ether hoặc Aether. Vấnđề chỉtạm lắng đi khi Anhxtanh (Einstein) vĩ đại nói rằng
chẳng có chất Ether nào hết. Nhiều người lảng đi khi nghe Anhxtanh nói vậy bởi
Anhxtanh không nói suông. Sinh mạng hàng trăm ngàn người Nhật bảnđã bịcướp
đi do hai quảbom nguyên tửném xuống nước Nhật, tiếc thay, lạiđóng vai trò của
một minh chứng vô cùng ấn tượng.
Nhưng “phong trào tạm lắng” không có nghĩa là “phong trào lại yên”. Vấnđề
chân không một lần nữađang nóng dần.
Thầy bói Anhxtanh và con voi Chân không
Từhơn hai ngàn năm trước câu hỏi vềchân không đã xuất hiện và cũng đã
có câu trảlờiđầu tiên. Trong mô hình vũtrụcủa người Hy lạp, bầu trời là một vòm
thuỷtinh khổng lồvà các vì sao được gắn lên đó. Nhưvậy, người Hy lạp cổ đại tin
rằng giữa các vật thểvũtrụcó vật chấtđể giúp các vật thểnày tương tác (gắn kết)
với nhau.
Niềm tin này tan vỡkhi mô hình Địa tâm sụpđổ. Nhưng một bước tiến lớn
khác vềchân không được tạo ra ởthếkỷ17. Christiaan Huygens đã đề xuất giả
thiết ánh sáng là một loại sóng lan truyền trong một môi trường mà ông gọi là
Aether. Ý tưởng này xuất phát từsựso sánh. Tất cảcác loại sóng đều cần một môi
trường để lan truyền. Nếu không có không khí, sẽchẳng có âm thanh nào hết mặc
dù các vật thểvẫn dao động. Nếu ánh sáng có bản chất sóng nó cũng cần một môi
trường để lan truyền. Tiếc thay, ý tưởng này bịNiu-tơn (Newton) chống đối kịch
liệt vì e ngại rằng chất Aether sẽlàm cản trởchuyểnđộng của các vật thểvũtrụ
vốnđang tuân thủrất hoàn hảo các định luật Kepler và định luật vạn vật hấp dẫn.
Niu tơn cho rằng ánh sáng là các hạt tồn tại tựthân và chẳng cần môi trường để nó
chuyểnđộng.
Tuy vậy Niu tơnđã vô cùng kinh ngạcđặt câu hỏi tại sao hai vật thểtrong vũ
trụ ở cách nhau rất xa, chẳng có gì ởgiữa lại có thểhút nhau với một lực khổng lồ
nhưvậy. Rõ ràng, Niu tơnđã bịkẹt giữa các lý thuyết của chính mình và không
thoát ra được. Nhưng do uy tín của Niu tơn quá lớn nên trong một thời gian dài
người ta không mặn mà với chất Aether nữa. Họchọn giải pháp “quẳng gánh lo đi
để vui sống”.
Khoảng một thếkỷsau, Young và Fresnel đã chứng minh được cảbằng lý
thuyết và thực nghiệm ánh sáng là một sóng ngang, khác với Huygens trướcđó
nghĩrằng ánh sáng là sóng dọc. Và vấnđề chân không là một môi trường mà
Huygens đặtđã ra một lần nữa lại bùng lên. Người ta tìm cách chứng minh sựtồn
tại của Aether.
Vấnđề môi trường chân không càng được hâm nóng thêm sau khi Maxwell
đã chứng minh rằng sóng điện từcó thểtồn tại và lan truyền. Ông cũng chỉra rằng
sóng điện từcó cùng bản chất với ánh sáng và suy ra từlý thuyết của mình tốcđộ
lan truyền của sóng điện từxấp xỉbằng 300 000 Km/ s. Điềuđáng nói là tốcđộ này
được rút ra mà không cầnđến bất kỳhệquy chiếu nào.
Maxwell đã đề xuất vài mô hình môi trường chân không để giải thích quá
trình lan truyền ánh sáng. Nhưng nhìn chung các nhà chân không học gặp khó
khăn lớn khi xây dựng một mô hình môi trường chân không. Theo hình dung của
họ, môi trường chân không phải là chất lỏng để vật chất có thểchuyểnđộng trong
đó mà không gặp trởngại. Mặt khác nó phải cực kỳcứng (hơn thép hàng triệu lần)
để có sựlan truyền ánh sáng cực nhanh nhưvậy. Một mô hình thoảhiệp là chân
không rất cứng ởtần sốcao nhưng lại rất mềmđối với các tần sốthấp và bịcuốn
theo khi vật chất chuyểnđộng.
Năm 1887 Michelson và Morley ởnước Mỹ đã tiến hành một thí nghiệm
nhằm tìm kiếm sựcuốn theo của Ether quanh trái đấtđang chuyểnđộng. Thí
nghiệmđượcđa sốcác nhà khoa học cho là chặt chẽvềlô gic, tinh xảo vềthiết bị
(Michelson vềsau được trao giải Nô ben do đã chếra những thiết bịquang học
tinh xảođể làm thí nghiệm chứkhông phải nhờkết quảthí nghiệm). Nhưng
Michelson cũng nhưtất cảmọi ngườiđã vô cùng sửng sốt khi kết quảthí nghiệm
cho thấy không có sựcuốn theo nào đã xảy ra. Lorentz, một nhà khoa học Hà lan đã
đặt ra giảthiết các thướcđo cũng bịco lại khi chuyểnđộng. Giảthiết này được
chấp nhận một cách dè dặt.
Poincaré, nhà toán học xuất sắc nhất cuối thếkỷ19 cũng đã có những bước
tiến lớn trong vấnđề này. Nhưng lời giải cuối cùng lạiđến từmột người vô danh
tiểu tốt tên là Anhxtanh trong một công trình mà sau này được gọi là thuyết Tương
đối hẹp.
Anhxtanh đã tổng hợp lại những tri thứcđã được công bốtrướcđó và bổ
sung những ý tưởng của riêng mình để tạo ra một lôgic chặt chẽ, xuyên suốt có
tính thuyết phục r ất cao nên đa sốcác nhà bác họcđã nhanh chóng chấp nhận lý
thuyết này. Mộtđóng góp lớn của Anhxtanh là ông đã loại bỏkhái niệm thời gian
tuyệtđối và thay bằng khái niệm thời gian tương đối. Sau đó Anhxtanh đã bổsung
cho lý thuyết của mình công thức nổi tiếng E=mc2.Đây thực sựlà công lao của
Anhxtanh.
Mặc dù vậy, không phải tất cả đềuđã chấp nhận lý thuyết của Anhxtanh bởi
các tiên đề mà Anhxtanh dựa vào để xây dựng nên thuyết Tương đối phảng phất
mơhồnhưtiên đề thứnăm trong hình học Euclid vậy. Lý thuyết liên quan đến tốc
độ vô cùng lớn, không có điều kiện kiểm chứng nên mặc dù nó đã giải thích được
nhiều hiện tượng mâu thuẫn, sựnghi ngờ đối với thuyết Tương đối vẫn tồn tại dai
dẳng.
Trong thuyết Tương đối Anhxtanh đã phủnhận chất Ether. Ông cho rằng, với
việc chấp nhận hai tiên đề mà ông đưa ra, một lý thuyết mới có thể được xây dựng
hoàn chỉnh và “việcđưa Ether truyền ánh sáng vào là không cần thiết bởi các vấn
đề được phát triển hoàn toàn không đòi hỏi phải có một không gian tĩnh tuyệt
đối…”.
Sau đó Anhxtanh công bốthuyết Tương đối rộng. Tuy được công bốsau
nhưng nó lạiđược kiểm chứng trước, một sựkiện gây chấnđộng dưluận. Với
thành công của thuyết Tương đối rộng những nghi ngờ đối với thuyết Tương đối
hẹpđã giảmđi rất nhiều.
Nhưng bản thân Anhxtanh lại cảm nhận rõ hơn ai hết mâu thuẫn mà mình
đang phảiđối mặt. Trong thuyết Tương đối hẹp ông đã phủnhận sựtồn tại của
Ether nhưng sẽrất khó chấp nhận thuyết Tương đối rộng nếu không chấp nhận
Ether. Khi đó “không gian cong” sẽlà cái gì?
Năm 1920, sau khi thuyết Tương đối rộng gặt hái những thành công rực rỡ,
ông đã phát biểu “…theo thuyết Tương đối rộng, vũtrụkhông có Ether là không
thểtưởng tượng được; trong vũtrụ đó sẽkhông chỉkhông có ánh sáng lan truyền
mà còn không thểtồn tại các chuẩn vềkhông gian và thời gian, không có thướcđo
và cũng chẳng có đồng hồ”. Nhưng ông cũng thêm vào ngay sau đó rằng Ether sẽ
không thểlà “môi trường có thể định lượng được, với các phần nhỏtrường tồn
theo thời gian” và “ý tưởng vềsựvậnđộng không thểáp dụng đối với nó” (?).
Đến tận những năm 1930, một sốnhà vật lý vẫn tiếp tục theo đuổi Ether.
Tiếc rằng họvẫn bám lấy mô hình cũvà đi tìm sựtrôi dạt của Ether khi vật chất
chuyểnđộng.
Nhưng ởcuối thập kỷba mươi, khi nghiên cứu vềphóng xạngười ta phát
hiện ra khi một hạt nhân nguyên tửvỡra làm đôi, hai nửa của nó có khối lượng hơi
nhỏhơn khối lượng tổng cộng ban đầu. Khối lượng bịhao hụt nếu tính theo công
thức của Anhxtanh vừađúng bằng năng lượng được giải phóng trong quá trình
phân rã.
Tr ên cơsởphát minh này, bom nguyên tử đã được chếtạo. Hai quảbom đã
được ném xuống hai thành phố đông đúc của Nhật bản, cướpđi sinh mạng của
hàng trăm ngàn người vô tội. Đến lúc này, khắp hang cùng ngõ hẻm ai cũng biết
đến Anhxtanh!
Anhxtanh vĩ đại quá! Ông ấy là một vịthánh!
Từ đó trở đi người ta không dám nghi ngờthuyết Tương đối nữa.
Anhxtanh qua đời năm 1955 nhưng khoa học
không vì thếmà dừng lại. Cho đến nay vật lý đã có rất
nhiều thay đổi.
Nhưng nếu có vấnđề gì mâu thuẫn với lời phán của
Anhxtanh trong hai thuyết Tương đối, người ta thường
tìm cách né tránh đốiđầu. Ether bịrơi vào quên lãng
trong dòng vật lý chính thống.
Nhưng đó đây trong các câu lạc bộcác nhà nghiên cứu không chuyên người
ta vẫn suy ngẫm vềEther. Những người phảnđối một vài khía cạnh hay toàn bộ
thuyết Tương đối vẫn nhóm họp trên các diễnđànđể thảo luận. Trên thếgiới có
khá nhiều những diễnđàn nhưvậy. Đối với các nhà vật lý chính thống đó chỉlà
đám người rỗi hơi, không đáng để ý. Quảthực vật lý đã gặt hái được rất nhiều
thành tựu quan trọng trong nửa cuối thếkỷhai mươi.
Người viết cũng có nhiều “duyên nợ” với vật lý nói chung và chân không nói
riêng nên cũng xin có một vài ý kiến.
Ởgóc độ cá nhân, người viết tin vào sựtồn tại của Ether. Học thuyết của
Anhxtanh đã có những bằng chứng ủng hộrất mạnh nhưng không có nghĩa là nó
đúng hoàn toàn. Niu tơnđã xây dựng được thuyết Vạn vật hấp dẫn rất hay trong
khi ông vẫn hình dung rất sai lầm rằng tốcđộ truyền tương tác bằng vô cùng.
Từ đó trở đi
người ta không
dám nghi ngờ
thuyết Tương đối
nữa