Nếu chúng ta không trông ngóng cái bất ngờ, thì không bao giờ chúng ta có thể tìm thấy nó.

– Heraclitts

Trí tưởng tượng còn quan trọng hơn cả kiến thức.

– Albert Einstein

Để đánh giá được tầm nhìn xa của Manet, Monet và Cézanne, cần phải tìm hiểu sự đột phá mang tính cách mạng đã xảy ra trong vật lý ở đầu thế kỉ hai mươi. Năm 1905, một năm trước khi Cézanne mất, một viên chức mờ nhạt ở Sở cấp bằng phát minh tên là Albert Einstein đã cho đăng một bài báo trên tờ tạp chí Đức Annalen der Physik sau này được biết đến là thuyết tương đối hẹp (thuyết tương đối nguyên thủy đã được phát minh bởi Galileo). Einstein chưa bao giờ tỏ ra rất quan tâm hay yêu thích gì về nghệ thuật hiện đại, ấy vậy mà nhiều kết luận rút ra từ các phương trình “đẹp” của ông về không gian, thời gian và ánh sáng lại có sự tương tự đến kì lạ với những cách tân mà Manet, Monet và Cézanne đã đưa ra.

Cống hiến của Einstein bùng lên, đối lập với cái nền của một niềm tin đầy tính áp đặt và bất di bất dịch vào quyền lực vô biên của cơ học cổ điển. Hệ thống của Newton đã vận hành tốt trong hơn hai trăm năm đến mức ở ngưỡng cửa thế kỉ hai mươi, nhiều nhà vật lý đã tin rằng chỉ còn là vấn đề thời gian trước khi sách giáo khoa vật lí, tương tự như sách về giải phẫu học trước đó, có thể khép lại không phải viết thêm gì nữa. Chắc chắn là còn có các vấn đề mới sẽ nảy sinh, họ nghĩ, nhưng những vấn đề ấy chắc chắn cũng sẽ giải quyết được trong cái khuôn khổ của vật lý Newton.

Tuy nhiên, bất chấp niềm tin đó, vào cuối thế kỉ mười chín đã bắt đầu xuất hiện một số vết rạn nhỏ trong cơ học cổ điển mà người ta không thể lờ đi được: có hai đặc tính nhỏ nhặt của ánh sáng chẳng phù hợp vào đâu. Năm 1900, trong bài diễn văn đọc trước Viện Hoàng gia, Huân tước Kelvin, một nhà vật lý xuất sắc, đã hết lời ca ngợi những chiến công của cơ học Newton. Rồi ông đề cập đến hai vấn đề còn chưa giải quyết được liên quan đến ánh sáng, gọi đó là “hai đám mây còn sót lại ở chân trời phong cảnh Newton”. Nhưng việc xua tan được hai đám mây đều liên quan đến ánh sáng này hóa ra lại là rất khó, bất chấp sự chú tâm của những trí tuệ mẫn tiệp nhất. Những nhà vật lý tham gia giải quyết vấn đề đã không thể biết rằng họ đã đặt nhầm các câu hỏi. Cần phải có trí não của một đứa trẻ thơ để diễn đạt lại một trong hai câu hỏi đó.

Năm 1873, nhà vật lý James Clerk Maxwell đã dùng toán học miêu tả ánh sáng di chuyển trong không gian theo dạng sóng như thế nào. Khi còn là một đứa trẻ, Einstein đã tự hỏi thế giới nhìn sẽ ra sao nếu cậu cưỡi trên một chùm ánh sáng lao vun vút. Einstein cũng băn khoăn không biết sóng ánh sáng sẽ trông như thế nào nếu như cậu tụt khỏi chùm sáng và di chuyển cạnh nó với cùng một tốc độ. Những câu hỏi đơn giản của Einstein khi ấy thật giống với những băn khoăn mà Copernicus và Kepler đã đặt ra nhiều thế kỉ trước, ở chỗ, về cơ bản, chúng chính là các vấn đề về phối cảnh của người nghệ sĩ, nảy sinh ra do thay đổi điểm quan sát.

Thiếu các kĩ năng toán học để trả lời các câu hỏi ngây thơ ấy, Einstein đã phải đợi đến năm ông hai mươi sáu tuổi. Năm 1905, sau nhiều thất bại cay đắng, Einstein thấy mình không được sử dụng đúng tầm năng lực, chỉ là một viên chức quèn tại Sở cấp bằng sáng chế ở thành phố Bern, Thụy Sĩ. Mặc dù ân hận là đã làm cha mẹ thất vọng, ông đã viết cho bạn: “Tôi đang có vài ý tưởng tuyệt vời mà lúc này đây cần được nuôi dưỡng phát triển một cách đúng đắn”. Và trong năm 1905 ấy, ông không những lấy được bằng tiến sĩ, mà còn phát lộ ra một điều sẽ buộc tất cả chúng ta phải thay đổi cách nghĩ của mình về thế giới – ông cho công bố công trình của ông về thuyết tương đối hẹp.

Để hiểu được cuộc cách mạng về khoa học này, tương tự như Einstein, chúng ta đầu tiên phải tự định nghĩa cho mình ba thuật ngữ “không gian”, “thời gian” và “ánh sáng”. Newton đã khẳng định rằng không gian là tuyệt đối. Nó phẳng, đồng nhất và trơ. Theo Newton, không gian ở mọi chỗ đều như nhau. Nếu chúng ta đo một cái thước kẻ đang chuyển động trên quỹ đạo quanh sao Alpha của chòm Nhân Mã, thì chiều dài của nó cũng đúng bằng cái thước ở trong tủ của mẹ bạn ở trên trái đất này. Không gian và thời gian là hoàn toàn tách biệt, cái này không hề ảnh hưởng tới cái kia. Không gian và vật chất cũng như vậy, chúng không tác động qua lại với nhau, không gian không tương tác với các vật thể đặt ở trong nó.

Newton cũng khẳng định rằng thời gian là tuyệt đối: một dòng sông chảy không ngừng, không gì ngăn cản nổi và xuôi mãi theo một hướng. Thậm chí mặc dù cảm nhận của con người về thời gian có thể khác nhau, tùy thuộc vào việc bạn đang ngồi trên ghế chữa răng hay trên chiếc đu quay nhào lộn, bản thân thời gian vẫn tồn tại bên ngoài ý thức. Thời gian được coi là một dòng chảy thẳng tắp, vượt lên trên mọi công việc của Con người, với tốc độ thay đổi mãi mãi là bất biến. Một phút trôi qua theo một chiếc đồng hồ tưởng tượng đặt trên sao chổi Halley đang vùn vụt lao đi cũng dài bằng một phút theo chiếc đồng hồ trong bếp nhà bạn.

Theo vật lý Newton, vì không gian và thời gian là cố định và không đổi, nên ánh sáng phải là người đưa tin, di chuyển trong không gian từ chỗ này sang chỗ khác, trong một khoảng thời gian nhất định. Để đo được vận tốc của ánh sáng trong mô hình này, cần phải xác định rõ người tiến hành đo ở trạng thái nghỉ, chuyển động cùng chiều hay ngược chiều với chùm sáng. Nơi đo tốt nhất vận tốc của ánh sáng được cho là từ vị trí nghỉ tuyệt đối, và vị trí này được coi là ở trong ether. Chừng nào còn liên quan đến người đo, thì ether đã tạo ra một mặt bằng lý tưởng, bất động tuyệt đối. Vào đầu thế kỉ mười chín, Augustin Fresnel đã sử dụng thành công khái niệm nghỉ tuyệt đối này để tính được vận tốc của ánh sáng là 300.000 km/s[1], trong vật lý được biểu diễn bằng kí hiệu chữ c.

Các quan niệm của Newton về không gian, thời gian và ánh sáng là một phần của khối kiến thức tiên nghiệm của chúng ta. Chúng có vẻ hiển nhiên là đúng và khẳng định lý trí thông thường của chúng ta. Einstein đã lật ngược mọi cái khi tuyên bố rằng không gian và thời gian là tương đối, chỉ có vận tốc của ánh sáng là không thay đổi mà thôi. Toàn bộ thuyết tương đối hẹp của ông dựa trên hai định đề bề ngoài có vẻ khá đơn giản. Định đề thứ nhất nói rằng các định luật vật lý đều có dạng như nhau trong tất cả các hệ quy chiếu quán tính (nghĩa là không có một hệ quy chiếu ưu tiên nào – hay một chỗ nào trong ether – là ở trạng thái nghỉ tuyệt đối cả). Định đề thứ hai nói rằng vận tốc ánh sáng là không đổi đối với mọi người quan sát, bất kể họ chuyển động nhanh chậm và có hướng như thế nào. Hai cơn địa chấn nhẹ nhàng này dưới tầng vỏ dày của hệ tư tưởng cổ điển đã tạo ra một hiệu ứng kiến tạo lớn đến mức lật nhào nhiều cột trụ nâng đỡ toàn bộ tòa nhà vật lí.

So với những trải nghiệm thường nhật, thì tầm suy nghĩ của Einstein khác lạ đến mức chỉ có thể minh họa nó tốt nhất là thông qua các ví dụ[2]. Nếu bạn muốn, hãy tưởng tượng rằng chàng viên chức Sở cấp bằng sáng chế Einstein đang rời văn phòng đi ăn trưa. Anh bước lên một chuyến tàu hỏa sẽ rời nhà ga trung tâm Bern vào đúng lúc chiếc đồng hồ trên nóc ga điểm 12 giờ 00 phút trưa, (Hình 9.1). Nếu tàu chuyển bánh và chạy thong thả dọc theo đường ray với tốc độ 8 km/h, thì Einstein có thể ngoảnh lại nhìn và thấy thời gian trôi đi khi kim phút đồng hồ quay chậm rãi và đạt tới vị trí chỉ 12 giờ 01 phút. Với vận tốc 8 km/h, thời gian và không gian dường như là tuyệt đối, và ánh sáng dường như đã băng qua cả hai tọa độ này.

Hình 9.1. Tàu hỏa chuyển động ra xa tháp đồng hồ với vận tốc 8 km/h. Sau khi 1 phút trôi qua, người quan sát trên tàu thấy rằng đồng hồ chỉ 12 giờ 01 phút.

 

Để “xem mấy giờ rồi”, chúng ta nhìn đồng hồ. Ánh sáng phát xuất từ mặt trời đập vào mặt đồng hồ, làm hiện rõ thứ tự bố trí của các kim rồi bật khỏi mặt đồng hồ đi tới mắt ta. Ánh sáng đi vào hai con ngươi mắt mang theo hình ảnh của mặt đồng hồ. Mặc dù khoảng thời gian ánh sáng đi từ mặt đồng hồ tới mắt ta là vô cùng ngắn ngủi, nhưng nó vẫn có thể đo được. Khi chúng ta “xem xem mấy giờ rồi” thực sự là chúng ta nhìn thấy trạng thái của cái mặt đồng hồ ở một khoảnh khắc trước đó. Ánh sáng luôn luôn mang theo nó cái khoảnh khắc ngưng đọng khi hình ảnh của một vật được tạo ra.

Bây giờ chúng ta hãy giả thiết con tàu đó lao vun vút ra xa tháp đồng hồ với tốc độ của ánh sáng, tức là thay cho 8 km/h, con tàu lao đi với vận tốc 300.000 km/s (Hình 92). Nếu việc tăng tốc này bắt đầu đúng vào 12 giờ 00 phút trưa, thì ánh sáng mang theo thông điệp “12 giờ 00 phút trưa” sẽ luôn luôn cùng chuyển động cùng với con tàu, bởi vì ánh sáng bật khỏi mặt đồng hồ chứa thông điệp “12 giờ 00 phút trưa” cũng chuyển động với vận tốc đúng bằng vận tốc của con tàu.

Hình 9.2. Tàu hỏa chuyển động ra xa tháp đồng hồ với vận tốc ánh sáng. Sau khi 1 phút trôi qua, người quan sát trên tàu thấy rằng đồng hồ vẫn chỉ 12h00.

Đối với Einstein và bất kì hành khách nào trên con tàu cao tốc ấy khi ngoảnh nhìn lại tháp đồng hồ, thì thời gian có thể sẽ không bao giờ thay đổi. Nó sẽ vĩnh viễn hiện ra là 12 giờ 00 phút trưa. Điều này tạo ra một hiệu ứng thật kì quặc, bởi vì đối với hành khách trên con tàu đang lao đi với vận tốc ánh sáng ngoảnh nhìn lại tháp đồng hồ, thời gian trên mặt đồng hồ đã đứng dừng lại. Tuy nhiên, nếu Einstein, mặc dù ngỡ ngàng vì nhìn thấy thời gian đã không hề chuyển động, lại móc đồng hồ của mình từ túi áo vét ra xem khi đang đi trên con tàu ấy, thì ông sẽ thấy rằng đồng hồ của ông vẫn tích tắc chuyển dịch thời gian, bất chấp con tàu đang lao đi với tốc độ kinh hồn kia.

Trong ví dụ này, chúng ta thấy có hai loại thời gian, một đông cứng lại trên mặt tháp đồng hồ khi hành khách ngoảnh lại nhìn từ con tàu đang lao đi vùn vụt, và một loại thời gian nữa được đồng hồ của người hành khách ghi lại ở trên con tàu. Từ thí nghiệm tưởng tượng này, Eistein kết luận rằng thời gian không phải là tuyệt đối, mà là mang tính chất tương đối. Ông nhận ra rằng: thời gian phụ thuộc hoàn toàn vào vận tốc của người quan sát đối với vị trí của đồng hồ (hay ngược lại, vận tốc của đồng hồ đối với người quan sát). Hiệu ứng kì quặc này không thể nhận thấy được trong thế giới đời thường, bởi vì chẳng có cái gì có thể chuyển động gần với vận tốc của ánh sáng cả, hơn nữa, vận tốc 300.000 km/s thì nhanh đến nỗi đối với chúng ta sự truyền của ánh sáng có vẻ gần như là tức thì. Tuy nhiên, tính tương đối của thời gian vẫn còn tồn tại ở những vận tốc chậm hơn vận tốc ánh sáng, mặc dù ở một mức độ thấp hơn. Ở tốc độ bằng một nửa vận tốc ánh sáng, tức là 150.000 km/s, thời gian trên mặt đồng hồ không đứng yên mà có chạy, nhưng chậm hơn so với đồng hồ của các hành khách trên tàu.

Bản chất kì lạ này của thời gian còn có thêm một hiệu ứng nữa là dường như sẽ đem quá khứ và tương lai xích lại gần nhau hơn khi chuyển động với vận tốc ngày càng tăng. Tuy nhiên, ảo giác này thật ra là kết quả của việc thời điểm hiện tại mở rộng ra ôm lấy thêm quá khứ và tương lai. Cuối cùng, tại vận tốc c, hiện tại đã bao trùm toàn bộ quá khứ và toàn bộ tương lai, để toàn bộ thời gian trở nên tồn tại trong một khoảnh khắc bất động của cái bây giờ. (Hình 9.3)

Với sự trợ giúp của các thí nghiệm “tưởng tượng” như vậy, mà Einstein gọi là gedankenexperiments. Einstein đã nhận ra rằng thời gian, trước kia vốn được coi là liên tục, bất biến và tuyệt đối, trong thực tế lại phụ thuộc duy nhất vào việc người quan sát chuyển động nhanh như thế nào đối với các đồng hồ khác nhau. Người quan sát chuyển động đối với một đồng hồ càng nhanh, thì đối với anh ta thời gian trôi càng chậm lại.

Chuyển động với các vận tốc tương đối tính đồng thời cũng tạo ra những biến đổi kì quặc về hình dạng của các vật thể thông thường. Theo thuyết tương đối hẹp, các vật có hình dạng rắn sẽ thay đổi vẻ bên ngoài khi chúng được quan sát tại các vận tốc gần với vận tốc ánh sáng. Hình dạng của một vật thể trong thế giới này sẽ dường như là bất biến khi người quan sát chuyển động với vận tốc nhỏ hơn một nửa vận tốc ánh sáng, tức là vật thể ấy sẽ giữ nguyên hình dạng của nó dù người quan sát có chuyển động nhanh đến đâu và theo hướng nào so với vật đó. Bất kì một biến dạng nào chỉ có thể xảy ra khi có sự tác động của một tác nhân bên ngoài. Chân lý này được nêu trong định đề thứ tư của Euclid (tất cả các góc vuông đều bằng nhau) và nhà vật lý thế kỉ mười chín Hermann von Helmholtz đã cho rằng đó là một định luật bất khả xâm phạm của thế giới vật lí. Lon bia, chiếc thước kẻ, cái cây sẽ mãi mãi giữ nguyên hình dạng của chúng, trừ phi có một lực nào đó can thiệp vào nhằm thay đổi chúng. Sự tồn tại bền vững của hình dạng vật thể là một phần của khối kiến thức tiên nghiệm mà chúng ta có về thế giới, bởi vì không có cái gì trong kinh nghiệm chung của chúng ta mâu thuẫn với chân lí.

Hình 9.3. Thời gian chậm lại khi người ta tiến gần tới vận tốc ánh sáng. Thời điểm hiện tại mở rộng ra từ một mảnh hẹp cho tới khi ôm trọn cả quá khứ và tương lai. Với tốc độ ánh sáng, thời gian ngừng thay đổi, vì nó đã chứa đựng mọi sự thay đổi.

Thí nghiệm tưởng tượng của Einstein đã hé lộ ra rằng các vật thể trong không gian và thời gian bắt đầu trải qua một sự biến đổi hình dạng mỗi khi người quan sát đạt tới gần vận tốc ánh sáng. Hơn thế nữa, các biến dạng ấy lúc nào cũng như nhau. Ví dụ, các vật nhìn thấy ở hai bên phía xa của con tàu chuyển động với vận tốc bằng nửa vận tốc ánh sáng luôn nom như bị kéo dài ra theo chiều thẳng đứng, còn ở vận tốc lớn hơn, đỉnh của chúng bắt đầu cong đi, tách ra khỏi phương đứng thẳng, các góc vuông biến mất và được thay thế bởi các cung tròn (Hình 94 và 9.5).

Hình 9.4. Phong cảnh nhìn từ con tàu chuyển động với vận tốc 8 km/h.
Hình 9.5. Phong cảnh nhìn từ con tàu chuyển động với vận tốc 150,000 km/s.

Điều kinh ngạc thực sự của những biến dạng này là đối với con mắt của người quan sát, những vật thể đó thực tế đã biến dạng theo sự biến dạng dẻo của không gian mà chúng ở trong đó. Cái không gian mà Euclid tuyên bố là đồng nhất và bất động, còn Newton khẳng định là tuyệt đối, hóa ra lại là một không gian có những đặc tính của Silly Putty[3], bây giờ lại thay đổi phụ thuộc vào vận tốc của người quan sát. Không gian có khả năng làm biến dạng bất cứ vật thể nào tình cờ nằm trong miền vận tốc tương đối tính của người quan sát. Quan niệm cho rằng không gian tương tác với thể tích, hình dạng và kích cỡ của vật thể nằm ở trong nó là một trong những viễn kiến thiên tài quan trọng nhất của thuyết tương đối hẹp của Einstein.

Một hiệu ứng quang học kì lạ nữa của điểm nhìn tương đối tính là việc đồng thời nhìn được nhiều mặt của một vật thể khi quan sát nó từ cửa sổ toa tàu. Trong cái thế giới hằng ngày của chúng ta, để có thể nhìn được các mặt khác nhau của một vật sau khi đã nhìn thấy mặt trước của nó, phải có thời gian trôi đi và vị trí của chúng ta trong không gian phải thay đổi. Tuy nhiên, từ con tàu cao tốc của chúng ta, cả mặt trước và mặt bên của một vật đều có thể nhìn thấy đồng thời (Hình 9.6).

Hình 9.6. (Trái) Hình ảnh của ngôi nhà nhìn từ con tàu chuyển động với vận tốc 5 dặm/h. (Phái) Hình ảnh của ngôi nhà nhìn từ con tàu chuyển động với vận tốc 93.000 dặm/s.

Với con tàu không ngừng tăng tốc, không gian càng ngày càng bị nén lại cho đến lúc cuối cùng, tại vận tốc ánh sáng, không gian dọc theo trục chuyển động của con tàu đã thu lại thành một mặt phẳng mỏng vô hạn, có chiều cao và chiều sâu, nhưng không có bề dày (Hình 9.7). Một trong những chiều kích của không gian Euclid, tối quan trọng đối với quan niệm của chúng ta về thực tại đã thực sự biến mất tại vận tốc ánh sáng!

Hình 9.7 Một lát mỏng vô hạn của phong cảnh trong Hình 9.5 bị nén lại như được nhìn từ cửa sổ con tàu chuyển động ngang qua nó với vận tốc ánh sáng

Bên cạnh không gian và thời gian, thuyết tương đối hẹp cũng đã làm thay đổi nhận thức của chúng ta về bản chất của ánh sáng. Các thí nghiệm tinh vi của các nhà vật lý ở thế kỉ mười chín đã xác định được vận tốc ánh sáng là 300.000 km/s, ngụ ý rằng ánh sáng đã chuyển động trong không gian (kilomet) theo thời gian (giây). Các nhà khoa học đã coi vận tốc này, tương tự như vận tốc của một vật bất kì khác trong thế giới của chúng ta, là tương đối. Họ cho rằng nếu một người quan sát đi ngược lại với chiều của một chùm sáng, thì chùm sáng dường như chuyển động nhanh hơn, còn khi người quan sát chuyển động cùng chiều với ánh sáng, thì chùm sáng dường như chuyển động chậm lại. Chúng ta đã quan sát thấy kiểu tương đối này hằng ngày, và nó có vẻ như không có gì phải bàn cãi nữa.

Khi một hành khách trong chiếc ôtô chạy trên quốc lộ quan sát một đoàn tàu hỏa chạy trên đường sắt song song với quốc lộ, đoàn tàu dường như phóng qua nhanh hơn tốc độ thực của nó nếu như nó chạy ngược hướng với ôtô. Nếu đoàn tàu đi cùng chiều với ôtô, thì đối với hành khách ngồi trong ôtô, đoàn tàu dường như chạy chậm lại, và thậm chí đứng yên nếu như vận tốc ôtô bằng đúng vận tốc đoàn tàu.

Hiện tượng về tính tương đối này của vận tốc đã ăn sâu vào trong những niềm tin chung của chúng ta đến mức lời tuyên bố của Einstein nói rằng vận tốc của ánh sáng là tuyệt đối và bất biến, đã trở thành một cú sốc ghê gớm về văn hóa và khoa học, Einstein nói rằng c, vận tốc ánh sáng, không giống như vận tốc của ôtô, tàu hỏa hay sao chổi, mà là một hằng số thực sự của vũ trụ, một sự thật siêu hình mẫu, bất khả thay đổi, đứng vượt lên trên mọi quan niệm từ trước đến nay về thực tại. Đối với tất cả mọi người quan sát, bất kể chuyển động theo hướng nào hoặc nhanh đến thế nào đi chăng nữa so với một chùm sáng, thì vận tốc của ánh sáng mà bất kì ai trong số họ đo được, cũng sẽ luôn luôn giống nhau, luôn là 300.000 km/s. Cái giá trị bằng số này chính là giới hạn về tốc độ của vũ trụ.

Cách thú vị để so sánh những cách tân của Manet, Monet và Cézanne với thuyết tương đối hẹp của Einstein là thực hiện một chuyến đi trên một đoàn tàu tưởng tượng đang lao như tên lửa, tăng tốc dần đến vận tốc của ánh sáng. Chúng ta sẽ thấy những tiên kiến của ba danh họa trên ngày càng trở nên rõ ràng như thế nào khi chúng ta so sánh những hiệu ứng thị giác hiện lên bên ngoài cửa sổ toa tàu với những phong cách hội họa của ba người. Trong thí nghiệm này, chúng ta sẽ giống như cậu bé Einstein, người đã mong muốn biết thế giới nhìn sẽ ra sao nếu như cậu cưỡi trên một chùm sáng lao vụt đi.

Các phương trình của Einstein không cho phép bất kì một vật thể nào chuyển động được với vận tốc ánh sáng, bởi vì khi các vật thể đạt ngày càng gần đến vận tốc ấy, chúng càng tăng khối lượng và vì vậy, càng chống lại việc tăng tốc. Cuối cùng, chúng đạt tới khối lượng vô hạn, và cần phải có một năng lượng vô hạn để vượt qua quán tính vô hạn của chúng. Dù không có vật gì hình thành từ vật chất có thể đạt tới vận tốc ánh sáng, nhưng để trả lời cho câu hỏi của cậu bé Eisntein và để kết thúc cái gedanken experiment này, chúng ta hãy tưởng tượng rằng con tàu đặc biệt của chúng ta đã thoát ra khỏi cái quá trình hạn chế đó và giờ đây đã đạt tới vận tốc ánh sáng. Thế giới sẽ hiện ra như thế nào trước mắt chúng ta, từ cái mặt bằng quan sát độc nhất vô nhị này? Đây chính là cái mặt bằng duy nhất trong vũ trụ mang tính “tuyệt đối”.

Hãy tưởng tượng chúng ta ngồi trong toa quan sát của đoàn tàu, trên chiếc ghế có thể cho phép chúng ta xoay tròn nhìn được cả những gì đang lao tới cũng như những gì đã lùi lại phía sau, đồng thời cũng có thể cho chúng ta nhìn thấy phong cảnh đồng quê đang vụt nhanh qua hai bên cửa sổ. Ngồi bên chúng ta là ba họa sĩ tài danh để bình luận về quang cảnh nhìn thấy. Khi đoàn tàu bắt đầu tăng tốc, ta không nhận thấy hiệu ứng gì của tính tương đối cho đến khi đoàn tàu đạt được một nửa vận tốc của ánh sáng. Bắt đầu từ đây, chúng ta để ý thấy có một loạt những biến dạng thị giác kì quặc xuất hiện. Nhìn về phía trước, chúng ta nhận thấy hình dạng các vật thể bị phẳng bẹt ra một cách lạ lùng. Trong quang cảnh trước mũi tàu, phần hậu cảnh bắt đầu tiến gần ra phía tiền cảnh, nén phần trung cảnh lại. Điều này tạo nên ảo giác rằng phối cảnh chiều sâu đã bị ép phẳng ra. Mọi vật nom như bị “nhai nghiến” đi. Không gian giữa các vật thể bị vạt nhỏ lại, và các hình dạng người bắt đầu nom như chỉ có hai chiều, bớt tròn trịa, trông như trong các quân bài phẳng.

Ở thời điểm đó, Manet không thể không tủm tỉm cười, lấy khuỷu tay thúc vào sườn chúng ta, chỉ ra rằng ông đã thấy trước được các hiệu ứng như vậy khi vẽ bức Bữa trưa trên cỏ. Nếu chúng ta quay lại nhìn về phía sau, hiệu ứng như vậy cũng hiển hiện rõ rành rành. Bất chấp việc chúng ta đang vùn vụt rời xa khỏi quang cảnh phía sau, nó vẫn hiện ra mỗi lúc một phẳng hơn và phong cảnh ở phía chân trời xa có vẻ ngày càng tiến lại gần hơn với các vật thể ở ngay cuối đoàn tàu. Nhìn cả phía trước lẫn phía sau, chúng ta thấy các hình dạng vật thể ngày càng bị phẳng hơn và phối cảnh chiều sâu đã bị rút ngắn lại về phía trước.

Nếu chúng ta nhìn ra bên ngoài thành tàu khi đang lao đi với tốc độ bằng một nửa vận tốc của ánh sáng, ta sẽ thấy các vật thể đi vèo qua chúng ta cũng bắt đầu thay đổi hình dạng của chúng. Chiều rộng của chúng bị co lại đáng kể trong khi đó chiều cao lại tăng lên tương ứng. Chúng đem lại một ảo giác rằng chúng cao hơn và mỏng hơn, so với lúc được quan sát ở những vận tốc thấp hơn. Ngoài ra, các đỉnh của chúng như nghiêng lệch ra khỏi đường thẳng đứng. Các góc vuông đã biến mất, nhường chỗ cho những đường cong thoai thoải.

Ở những vận tốc lớn như thế này, các bóng cũng thay đổi. Di chuyển ở các vận tốc nhỏ đã tạo ra một ấn tượng – theo thuyết tương đối là không đúng – rằng ánh sáng đi từ nơi này đến nơi kia theo thời gian. Theo quan niệm nhầm lẫn này, phía đối diện với nguồn sáng phải luôn luôn ở trong bóng râm. Nhưng khi chúng ta đạt tới vận tốc ánh sáng, bóng râm của các vật thể sẽ bớt đậm đặc, sự đối lập giữa ánh sáng và bóng râm sẽ giảm bớt đi. Để minh họa, hãy hình dung rằng nếu như ta đồng thời có thể nhìn thấy hai mặt của một vật, một mặt nằm trong bóng tối còn mặt kia thì không, khi ấy việc nhìn thấy tức thì cả hai mặt đó sẽ có khuynh hướng làm nhòe đi sự khác biệt giữa ánh sáng rõ ràng và bóng tối sẫm đậm. Hình ảnh tương phản sáng tối sắc nét sẽ bị phá vỡ lem nhem. Đến lúc này, Monet không thể không bình luận rằng phong cảnh tương phản rành mạch đang dần nhòe đi, trở nên mơ hồ hơn, và hiệu ứng này mỗi lúc một rõ hơn theo thời gian chúng ta tăng tốc so với phong cảnh. Khi vận tốc của chúng ta đạt đến gần 300.000 km/s, tất cả các bóng râm sẽ biến mất.

Bên cạnh việc giảm sự tương phản sáng tối này, màu sắc của các vật thể trong phong cảnh cũng bắt đầu thay đổi ở những vận tốc rất cao. Điều này không phải chỉ là một chức năng của tính tương đối, mà còn là do hiệu ứng Doppler. Tiếng kêu chói tai của còi xe cứu thương hay tiếng xé gió của đoàn tàu lao vụt qua chúng ta là một ví dụ về việc các sóng âm đã bị ảnh hưởng bởi chuyển động so với một người nghe như thế nào. Đây chính là hiện tượng được Christian Doppler miêu tả lần đầu tiên vào năm 1842. Tương tự như vậy, sóng ánh sáng cũng bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Doppler và thay đổi màu sắc dưới con mắt của một nhà quan sát chuyển động so với nó. Năm 1905, qua một loạt phương trình miêu tả định luật biến đổi của tần số ánh sáng, Einstein đã kết hợp hiệu ứng Doppler cổ điển với lý thuyết tương đối hẹp của ông; và bằng cách này, ông đã giải thích chính xác bản chất của sự thay đổi màu sắc theo thuyết tương đối. Những chuyển dịch này trong quang phổ do chuyển động sẽ không thể hiện rõ ràng chừng nào người quan sát chưa đạt tới các tốc độ tương đối tính.

Khi ấy, nhìn từ đuôi tàu, cây cối, nhà cửa và con người sẽ trở nên đỏ hơn. Các vật thể ở phía trước mũi tàu sẽ thành xanh hơn. Hai bên thành tàu, cảnh vật cũng thay đổi màu sắc. Nhìn qua cửa sổ thành tàu, Monet sẽ thốt lên “Mon Dieu” và thích thú giơ tay chỉ về phía cái hiệu ứng cầu vồng đang bao trùm cả vùng đồng quê. Toàn bộ bảng màu đang biến đổi, những vật nào chúng ta vừa vượt qua trở nên đỏ hơn, những vật nào còn đang ở gần phía trước thì xanh tím thêm. Những vật thẳng hai bên thành tàu thì khoác các sắc da cam, vàng và lục.

Trong khi tất cả những thay đổi ấy xảy ra trong tọa độ không gian, thì một biến đổi tương đối tính tương tự cũng xảy ra trong tọa độ thời gian. Các đồng hồ nhìn từ xa hai đầu đoàn tàu bắt đầu chạy chậm lại[4]. Đối với hành khách trên tàu, khoảng thời gian giữa các sự kiện trong quá khứ – ở phía sau – sau đoàn tàu, và trong tương lai – ở phía trước – trước mặt đoàn tàu, có vẻ như bị co ngắn lại. Quá khứ và tương lai, được ngăn cách bởi hiện tại, có vẻ như tiến lại gần nhau, nhưng đó chỉ là ảo giác. Thời khắc hiện tại ở bên ngoài đoàn tàu – cái bây giờ – cái mà Monet gọi là sự tức thì – đang thực sự nở phồng ra để ôm thêm lấy cả quá khứ lẫn tương lai. Như vậy, các vật thể và sự kiện quan sát từ phía sau tàu (không gian) và từ quá khứ (thời gian) đã co lại để gần hơn với phía trước tàu (không gian) và tương lai (thời gian).

Đến vận tốc ánh sáng, quang cảnh ở đuôi tàu sẽ hòa vào quang cảnh ở trước tàu! Các từ “phía trước” và “đằng sau” đã bị mất ý nghĩa của chúng và không gian ở bên ngoài tàu đã co chặt lại đến mức hai hướng không gian trở nên tiếp xúc với nhau. Do hiệu ứng dị thường này, bất kì một người nào nhìn về phía đầu tàu lại sẽ thấy cả đuôi tàu! Trước, sau, bên cạnh – tất cả đều co lại thành một mặt phẳng vô hạn hai chiều, thẳng đứng. Chiều dài, cái chiều kích đầu tiên của không gian Euclid đã biến mất. Như đã nói, khi chúng ta càng tiến gần đến vận tốc ánh sáng, thì khoảng cách giữa quá khứ và tương lai càng thu nhỏ lại, bởi vì hiện tại đang nở ra, tràn ra theo hai hướng, nuốt lấy cái đã qua và cái sẽ tới trong một khoảnh khắc duy nhất của bây giờ. Ở vận tốc của ánh sáng, cả ba phân đoạn ấy của thời gian hòa vào làm một. Nhưng với mọi người ở trên đoàn tàu, không có gì bị mất đi cả: màu sắc, hình dạng và ranh giới giữa các vật thể ở trên đoàn tàu vẫn nguyên như cũ.

Đến đây thì Cézanne hầu như chắc chắn sẽ chỉ ra rằng đối với hành khách đi trên con tàu ấy, việc xác định xem thời gian có trôi qua đối với các sự kiện diễn ra ngoài Con tàu hay không là hoàn toàn không thể làm được. Giống như các bức tranh phong cảnh và tĩnh vật của ông, thời gian riêng (eigenzeit theo tiếng Đức, dịch nghĩa đen là “thời gian riêng”) đã mờ đi để ôm trùm một khoảnh khắc bây giờ vĩnh viễn bất động. Thời gian như nó đo được bằng sự thay đổi, đã không tồn tại. Einstein nói: “Bạn phải chấp nhận cái ý niệm cho rằng thời gian chủ quan với sự nhấn mạnh của nó đến cái hiện tại là không mang một ý nghĩa khách quan nào… phân biệt quá khứ, hiện tại và tương lai chỉ là một ảo giác, dù nó có bền vững đến thế nào đi chăng nữa”.

Trước Einstein, não trạng của phương Tây nhận thức không gian và thời gian là hai tọa độ khác nhau. Phép đo của mỗi cái là một công việc khác nhau về chất, nó khác biệt như xem thời gian trên một cái đồng hồ và đo chiều dài bằng một chiếc thước kẻ. Nhưng như chúng ta đã thấy trên chuyến du hành bằng tàu hỏa của mình, một khi chúng ta đã bứt khỏi những vận tốc chậm chạp của sự tồn tại gắn liền với trái đất, thì thời gian và không gian trở thành một cặp bổ sung cho nhau, xoắn bện chặt chẽ với nhau: khi thời gian nở ra, thì không gian co lại; khi thời gian co lại, thì không gian nở ra.

Năm 1908, Hermann Minkowski, một nhà toán học người Đức và là thầy giáo cũ của Einstein, đã thể hiện bằng phương trình mối quan hệ tương hỗ này và nhận ra rằng nó bao hàm một chiều thứ tư và được ông đặt tên là continuum không-thời gian. Cụm từ mới được sáng tạo ra cho cái khái niệm mở mang tâm trí mang tính cách mạng này đã nhập hai từ cũ lại – không gian và thời gian – hòa trộn chúng với nhau để nhấn mạnh một sự thật rằng chúng tuy hàng ngàn năm nay được coi là tách biệt, nhưng thực sự chính là một thể thống nhất tuyệt vời. Trước cử tọa của kì họp lần thứ tám mươi Đại hội đồng các nhà Khoa học Tự nhiên và Y học Đức, Minkowski bắt đầu bài nói của mình bằng những lời đầy tính cách mạng như sau:

“Thưa quý vị! Hình ảnh của không gian và thời gian mà tôi mong được đặt trước quý vị đây đã bắt nguồn từ mảnh đất của vật lý thực nghiệm và từ đó mà chúng có được sức mạnh của mình. Các hình ảnh ấy đã khác hẳn về cơ bản. Từ nay trở về sau, không gian đứng một mình và thời gian đứng một mình sẽ phải chịu số phận mờ dần đi để trở thành hai cái bóng mờ nhạt, và chỉ một sự thống nhất giữa không gian và thời gian mới duy trì được một thực tại độc lập”.

Trong bài báo năm 1905 của mình, Einstein đã xóa bỏ khái niệm trạng thái nghỉ tuyệt đối, coi nó là vô nghĩa bởi vì không tồn tại một thứ ether bất động – các định luật của vật lý là như nhau trong tất cả mọi hệ quy chiếu. Do mọi vật đều chuyển động đối với các vật khác, nên không có một vị trí vật lý nào là đứng yên trong vũ trụ này cả.

Như vậy, thuyết tương đối hẹp đã trở thành một dự luật về quyền dân chủ cho tất cả mọi hệ quy chiếu quán tính. Lí thuyết này không nói rằng mọi vật đều có tính tương đối, mà đúng hơn nó tuyên bố rằng các nhận biết về thế giới là phụ thuộc vào người quan sát. Chỉ có ánh sáng – thứ không thể dùng làm một mặt nền được bởi vì không có cái gì thuộc vật chất có thể đạt tới vận tốc đó – là có thể trở thành điểm quan sát ưu việt lý tưởng, và không bao giờ đạt được.

Theo Einstein, ánh sáng đã được nâng cao hơn hẳn cả không gian lẫn thời gian. Sự thật, nó có vẻ như trở thành chính nguồn gốc của không gian và thời gian. Một cách dung tục, chúng ta đã tin rằng các tia sáng đi xuyên qua nhiều năm ánh sáng trong các khoảng cách liên thiên hà. Nhưng nhà vật lý Edward Harrison đã viết ngược lại:

“Không-thời gian được cấu tạo theo một kiểu mà khoảng cách để các tia ánh sáng đi được luôn luôn bằng không. Các tia sáng… không di chuyển trong bất kì khoảng cách nào trong không-thời gian. Ở thế giới của không-thời gian, chúng ta chạm tới các vì sao”.

Hay như sau đó ông nói: “Trong một nhịp tim đập người ta có thể đi vòng khắp vũ trụ này”.

Tầm nhìn xa và sâu sắc của Einstein cũng làm đảo lộn cả niềm tin triết học cơ bản đối với quy luật về nhân quả, quy luật hình thành nên cái nền tảng của lẽ phải thông thường. Khi có bất kì cái gì vi phạm quy luật đó, chúng ta đều nói rằng như vậy là kì quặc, lạ lùng, hay không thể như thế được. Tuy nhiên, thuyết tương đối hẹp đã nêu ra một ngoại lệ của quy luật đó bằng việc diễn tả hai nhà nghiên cứu, chuyển động với các vận tốc tương đối tính theo những hướng khác nhau và quan sát hai sự kiện khác nhau, đều có thể đưa ra những kết luận khác nhau một cách hoàn toàn hợp lý về trình tự diễn tiến của hai sự kiện mà họ cùng quan sát. Người đầu tiên có thể tuyên bố với niềm tin chắc chắn rằng theo kết quả của những đo đạc và quan sát của anh ta, thì hai sự kiện này xảy ra tiếp nối nhau. Người thứ hai có thể cũng nói không kém phần chắc chắn rằng hai sự kiện mà anh ta quan sát được đã xảy ra đồng thời với nhau! Những người như họ, vượt qua nhau khi đang chuyển động với vận tốc tương đối tính, đã cảm nhận thời gian một cách khác nhau[5]. Hay giống như đoạn thơ hài hước thông minh của Arthur Buller, phóng đại sự vi phạm của thuyết tương đối so với lẽ phải thông thường:

“Có cô nàng xinh xắn

Đi nhanh hơn ánh sáng

Làm một chuyến xa nhà

Sáng nay lên đường sớm

Rồi trở về đêm qua”

Quy luật về nhân quả, được viết lại, giờ đây cần phải bao gồm cả những trường hợp đặc biệt mà theo các cách phát biểu của thế kỉ mười chín đáng ra sẽ là những vi phạm nghiêm trọng đối với nó. Nghịch lý của Einstein là thách thức thực sự đầu tiên kể từ khi nhà triết học Zeno của thành Elea đưa ra bốn nghịch lý của mình về thời gian và không gian vào thế kỉ thứ năm trước CN (trong đó có nghịch lý về cuộc chạy thi giữa Achilles và chú rùa đã nói ở Chương 2). Tính trình tự tiếp nối chính là căn cốt của luật nhân quả. Ý tưởng cấp tiến cho rằng các khái niệm về tính tiếp nối và tính đồng thời chỉ phụ thuộc duy nhất vào vận tốc tương đối của người quan sát đã ra đời và phá tan tành cái mái nhà được chống đỡ vững chắc của logic thường nhật, làm các mảnh vỡ và tàn tích của nó bắn tung tóe khắp mọi nơi.

Đối lập với tính trình tự tiếp nối là tính đồng thời. Bằng phát ngôn này tôi muốn nói rằng hai sự kiện hoặc là đã xảy ra cái này tiếp sau cái kia, hoặc ngay cùng một lúc với nhau, cho đến trước Einstein, đấy là một lựa chọn hoặc thế này, hoặc thế kia, không cần có gì phải bổ sung hết. Cả sự tiếp nối và sự đồng thời đều là những chân lý tiên nghiệm. Vì không có ai đặt câu hỏi nghi vấn đối với cái logic nếu-thì, nên cũng không hề có ai nghi ngờ một cách nghiêm túc rằng đã có những sự kiện xảy ra đồng thời. Khi chúng ta nói: “Điều gì đó đã xảy ra vào thời điểm tôi đang gọi điện thoại” là chúng ta đã ngụ ý rằng có một thời điểm phổ biến toàn vũ trụ để ta có thể ở vào cái thời điểm ấy. Một thời hiện tại của toàn vũ trụ sẽ ngụ ý rằng tại bất kì một khoảnh khắc nào đó của thời gian, sẽ có một loạt những sự kiện cùng xảy ra ở mọi nơi trong vũ trụ. Nhiều người chúng ta còn nhớ rõ mình đang làm gì trong thời gian và đang ở đâu trong không gian vào đúng lúc Neil Armstrong cắm lá cờ Mĩ lên mảnh đất của mặt trăng.

Nhưng hệt như đã làm trật bánh đoàn tàu đang lao nhanh của sự tiếp nối, thuyết tương đối hẹp của Einstein cũng làm nổ tung nhà ga của tính đồng thời. Ý niệm về một thời khắc bất động chứa đựng các sự kiện xảy ra đồng thời với nhau đã bị đập tan ra thành muôn mảnh nhỏ; theo các phương trình của Einstein, mỗi mảnh nhỏ ấy tồn tại trong một hệ quy chiếu quán tính riêng của mình với thời gian và không gian riêng của nó, trong quan hệ tương đối so với mọi hệ quy chiếu khác chứa đựng thời gian và không gian riêng của mỗi cái. Không những đã xóa bỏ khái niệm trạng thái nghỉ tuyệt đối, mà Einstein còn phá tan quan niệm cho rằng có tồn tại một thời điểm phổ quát, diễn ra đồng thời toàn vũ trụ. Ông gọi nguyên lý này là tính tương đối của sự đồng thời. Trong cuốn Einstein – Huyền thoại và Thi hứng của mình, Alan J. Friedman và Carol C. Donley đã phát biểu:

“Việc tính đồng thời thất bại, không trở thành một thuộc tính tuyệt đối đã mang ý nghĩa là “vũ trụ tại một thời điểm” không phải là một thực tại có thể xác nhận được. Thời điểm không có tính phổ biến toàn vũ trụ; hiện tại chỉ là một khái niệm địa phương đối với từng người quan sát; nó sẽ có một ý nghĩa khác đối với một người quan sát khác bất kì, ở trong một hệ quy chiếu quán tính bất kì nào khác”.

Hai người còn nói tiếp: “Ý niệm về một hiện tại mang tính phổ quát quan trọng đến mức nên gán cho nó vị thế của một huyền thoại”.

Nghệ thuật, giống như khoa học, đã dựa rất nặng nề vào khái niệm một hiện tại mang tính phổ quát: các sự kiện xảy ra đồng thời trong những miền khác nhau của không gian. Khi Giotto bắt giữ thời gian trên các tác phẩm hội họa của mình ở thế kỉ mười ba, ông thực hiện bằng cách chọn một thời điểm và làm nó đông cứng lại; rồi sắp xếp người và vật vào những vị trí tương đối trong không gian. Kết quả là một bức tranh phối cảnh ba chiều của một khoảnh khắc đồng thời của thời gian. Để có thể vẽ một bức tranh theo phương pháp như vậy, ông phải tin vào tính đồng thời của hiện tại mang tính phổ quát. Trong khoảng thời gian sáu trăm năm tiếp sau đó, trừ một số bức họa vẽ như thật của Hogarth và những người khác, thì không có một họa sĩ nào đã vẽ theo một kiểu nào khác. Nghệ thuật đã phản ánh tư duy của các thời đại.

Khoa học và nghệ thuật luôn thống nhất với nhau một cách cởi mở, không có gì phải gìn giữ. Trước khi có thuyết tương đối, không nhà khoa học nào lại có thể hình dung nổi rằng thời điểm hiện tại lại không phải là một bức tranh rõ ràng của nhiều sự kiện trong không gian xảy ra trong một khoảnh khắc được giữ lại của thời gian. Tuy nhiên, theo Einstein, sự rõ ràng ấy chính lại là một ảo giác, bị đập vỡ thành vô số mảnh nhỏ giống như hình ảnh phản xạ của vô số mặt của một viên kim cương đã được mài sáng, mỗi mặt lấp lánh ở một khoảnh khắc hơi khác với nhau. Phá vỡ hiện tại của sự đồng thời ấy thành muôn khoảnh khắc chỉ có một ngoại lệ: Quang cảnh nhìn từ một chùm sáng sẽ không vỡ vụn ra thành một luồng các hình ảnh. Từ cái bệ nhìn tưởng tượng duy nhất ấy, thế giới vẫn giữ được vẻ trong trẻo toàn vẹn trong một khoảnh khắc thời gian.

Sự thay đổi mà Einstein tạo ra trong quan niệm của con người về ánh sáng đã đem lại một chuyển đổi kì thú trong những ý niệm của chúng ta liên quan đến màu sắc (Chương 13 sẽ nói chi tiết hơn về việc này). Ánh sáng hiển hiện đối với cơ quan tri giác của chúng ta trong hình thức phong phú nhất của nó là màu sắc. Một trong những niềm tin thâm căn cố đế nhất trong trải nghiệm của con người là niềm tin cho rằng màu sắc của một vật là một thuộc tính cố hữu của vật đó. Cỏ thì xanh và ngay cả khi chúng ta nhìn nó trong ánh chiều tím chạng vạng, chúng ta vẫn biết rằng nó màu xanh. Các nhà khoa học đã giải thích rằng cỏ có màu xanh bởi vì phân tử chính của nó, phân tử diệp lục, đã phản xạ bước sóng ánh sáng đặc thù mà chúng ta nhìn thấy ra là màu xanh. Bước sóng này đã hấp thụ tất cả các bước sóng khác. Họ đã chỉ ra rằng màu sắc là kết quả hoạt động của cấu trúc nguyên tử và phân tử của một vật. Vì vậy, chúng ta suy ra rằng màu sắc là một tính chất thuộc hạ tầng của thực tại. Các bề mặt phản xạ của một vật có thể bị ảnh hưởng bởi những điều kiện của khí quyển, nhưng màu cơ bản của vật đó nhìn trong ánh sáng rõ ràng thì phụ thuộc vào các nguyên tử cấu thành nên nó.

Thuyết tương đối hẹp đã phát lộ ra điều ngược lại. Màu sắc, cũng như thời gian và không gian, hóa ra cũng mang tính tương đối. Một vật thể phóng như bay ra xa một người quan sát với tốc độ tương đối tính sẽ có màu chuyển dịch về phía đầu đỏ của quang phổ; còn vật lao đến gần thì dịch chuyển về phía đầu màu lam. Cái hệ quả làm ngỡ ngàng nhà khoa học cũng như người họa sĩ là màu sắc không những chỉ phụ thuộc vào cấu tạo nguyên tử của một vật thể, mà còn phụ thuộc vào vận tốc và hướng chuyển động của vật đó so với người quan sát. Một cách tình cờ, Einstein đã giải thoát màu sắc khỏi vòng kìm hãm chặt chẽ của sự phản xạ các bước sóng ánh sáng.

Ở những vận tốc tương đối tính, màu sắc tự do thay đổi theo chuyển động[6]. Xanh lá cây không nhất thiết là xanh lá cây. Trong những hoàn cảnh nhất định và nói một cách tương đối, nó có thể là đỏ hoặc là tím. Các nhà thiên văn, bắt đầu với William Huggins, đã nhận biết được những chuyển dịch quang phổ của các vì sao từ năm 1868. Thuyết tương đối, khi kết hợp với hiệu ứng Doppler đã giải mã được sự bí hiểm của hiện tượng này.

Thuyết tương đối hẹp còn làm suy yếu khái niệm thiêng liêng cho rằng thế giới bên ngoài nhận thức của chúng ta là một thực tại khách quan. Aristotle, Bacon, Descartes, Locke, Newton và Kant tất cả đều đặt các thành trì triết học tương ứng của các ông trên giả định rằng bất kể bạn, người quan sát, đang ở đâu, bất kể bạn đang di chuyển nhanh đến thế nào, thì thế giới bên ngoài bạn cũng sẽ không bị bạn làm ảnh hưởng. Các công thức của Einstein đã thay đổi quan niệm này về thực tại “khách quan” bên ngoài. Nếu không gian và thời gian là tương đối, thì trong cái mạng lưới có thể uốn cong được ấy, thế giới khách quan cũng sẽ mang một tính đàn hồi nhất định. Các sự kiện xảy ra đồng thời hay tiếp nối nhau, màu sắc, hình dạng của vật thể đã không chỉ thuộc về thế giới bên ngoài hoạt động của con người nữa; thay vào đó, chúng cũng phụ thuộc vào tốc độ của cái bộ óc đang lao vùn vụt trong không gian và thực hiện việc quan sát chúng.

Tính chủ quan – thứ mà trước thế kỉ hai mươi bị tất cả các ngành khoa học ghét cay ghét đắng và ngược lại được coi là nguồn cảm hứng của mọi môn nghệ thuật – đã vượt qua sự chia cắt vĩ đại. Lo âu và khó chịu, khoa học bị buộc phải chấp nhận thằng bé khốn kiếp đó vào trong căn nhà thiêng liêng của riêng mình. Cái thế giới gọi là khách quan sẽ thay đổi về kích thước, hình dạng, màu sắc và tính liên tục khi một người quan sát chủ quan thay đổi tốc độ và hướng chuyển động so với nó. Nhiều nhà khoa học sẽ phản biện tính tương đối không phải là chủ quan, vì mỗi một hệ quy chiếu đều được liên hệ về toán học với một hệ quy chiếu bất kì khác bằng công cụ toán học. Mặc dù bản thân Einstein cũng không hề tin có bất kì điều gì là chủ quan về lý thuyết của ông, nhưng các độc giả có đầu óc thiên về triết học một chút có thể đưa ra những phán xét của riêng mình khi đối mặt với nghịch lí: liệu những biến dạng mà người quan sát đã nhìn thấy có “thực sự” tồn tại, hay chúng chỉ là một “ảo giác”? Năm 1911, Einstein đã đề cập đến chủ đề này:

“Hỏi hiện tượng co Lorentz (-FitzGerald) có tồn tại hay không tồn tại, thì chỉ gây bối rối mà thôi. Nó “thật sự” không tồn tại… đối với một người quan sát đang chuyển động (cùng với một thanh sắt); nhưng nó lại “thực sự” tồn tại… theo nghĩa nó có thể được chứng minh bởi một người quan sát đứng yên”.

Những độc giả nào có quan điểm chặt chẽ và đúng đắn về mặt toán học cho rằng tính tương đối không phải là chủ quan thì chắc chắn sẽ cảm thấy hơi khó chịu khi suy nghĩ về phát ngôn trên của Einstein: một thứ gì đó – vừa là “thật” với người quan sát này, đồng thời lại là “ảo” đối với một người quan sát khác – lại chỉ hoàn toàn phụ thuộc vào điểm quan sát của một người. Phát ngôn của Einstein là một định nghĩa chính xác về tính chủ quan.

Tóm tắt lại, có thể nói bụi phóng xạ của thuyết tương đối hẹp đã làm thay đổi nhiều niềm tin rất cơ bản về thực tại từ sau năm 1905. Kể từ đó trở đi, những nguyên lý sau đây đã tích hợp trở thành một quan niệm hoàn toàn mới về thế giới:

• Không gian và thời gian mang tính tương đối, là những tọa độ tương hỗ nhau và kết hợp với nhau để tạo nên một chiều kích cao hơn gọi là continuum không-thời gian. Chúng không bất biến, tuyệt đối và tách biệt.

• Không hề có một cái gọi là điểm quan sát được ưu tiên. Đối với những vật thể vật chất, không có hệ quy chiếu quán tính nào ở trạng thái nghỉ tuyệt đối cả, và ether là chất không hề tồn tại.

• Các quy tắc nhân quả của thế kỉ mười chín sẽ bị hủy bỏ trong những hoàn cảnh tương đối tính nhất định.

• Màu sắc không phải là thuộc tính cố hữu của vật chất, mà phụ thuộc vào vận tốc tương đối của người quan sát.

• Không tồn tại một khoảnh khắc hiện tại mang tính phổ quát.

• Các quan sát về thực tại là phụ thuộc vào người quan sát, điều này ngụ ý rằng chúng ít nhiều đều mang một mức độ chủ quan.

Dù tất cả những nguyên lý này là rất cấp tiến, nhưng các nghệ sĩ đã nhìn thấy trước được từng cái một và mọi cái, mặc dù họ không hề biết đến lý thuyết khoa học về chúng. Chính xác đến mức tiên tri, các họa sĩ cách mạng đã đưa hết tất cả những quan niệm mới này về thực tại vào trong mặt phẳng tranh của họ. Theo như tôi hiểu về lịch sử nghệ thuật, chính những cách tân này đã là nguồn cơn làm dội xuống đầu những họa sĩ ấy bao lời khinh miệt và chế nhạo của công chúng và các nhà phê bình, những người đã không thể biết rằng họ có đặc ân được là những kẻ đầu tiên nhìn thoáng thấy hình dạng của tương lai.

Chú thích

  1. Nguyên tác sử dụng đơn vị “dặm” (mile), tương đương 1,6 km. – ND
  2. Từ đây đến cuối cuốn sách, tôi sẽ thực hiện việc so sánh giữa hình ảnh mà một nghệ sĩ sẽ hình dung ra với cái mà một người quan sát tưởng tượng sẽ nhìn thấy bằng mắt và bức ảnh chụp được bằng máy ảnh khi chuyển động với các vận tốc tương đối tính (tức là gần vận tốc ánh sáng – ND). Việc này sẽ khác với việc một nhà khoa học, dùng các thiết bị tinh vi của mình, tiến hành đo đạc khi chuyển động với cùng vận tốc đó. Ví dụ, người ta có thể đo được các hiệu ứng tương đối tính tại các vận tốc thông thường hằng ngày bằng các thiết bị đo cực kì tinh nhậy. Mãi đến năm 1959, các nhà khoa học mới bắt tay vào giải quyết một cách đầy đủ vấn đề người quan sát sẽ thực sự nhìn thấy cái gì. Thậm chí ngày hôm nay, với sự trợ giúp của những mô phỏng tân tiến trên máy tính, các chuyên gia thuyết tương đối vẫn chưa nhất trí với nhau về việc sẽ có những hiệu ứng thị giác thật sự nào tồn tại ở những vận tốc tương đối tính. Hendrick Lorentz và George FitzGerald là hai nhà vật lý trước Einstein đã phỏng đoán rằng hình dạng bên ngoài của một vật thể dường như sẽ co ngắn lại khi nó đi qua một người quan sát với một tốc độ rất cao. Nhiều nhà khoa học trong lĩnh vực này sau đó đều tin một cách sai lầm rằng hiệu ứng co Lorentz-FitzGerald, như nó đã được gọi tên như vậy, sẽ không thể quan sát được. Tuy nhiên, cho đến năm 1961, các nhà khoa học đã nhận ra rằng sự co ấy thực sự có thể nhìn thấy.
  3. Silly Putty: Một loại polime vô cơ, được phát minh ra ở Mĩ trong thời gian chiến tranh thế giới lần thứ hai, có đặc tính mềm, dẻo, dễ biến hình, thoạt tiên được hãng Crayon dùng để chế tạo đồ chơi. – ND
  4. Vật lý học cổ điển của Newton dự đoán thời gian ghi lại theo các đồng hồ ở phía đuôi đoàn tàu sẽ chạy chậm lại, trong khi các đồng hồ ở phía trước sẽ chạy nhanh hơn.
  5. Trong bộ phim Chiếc tàu ngầm màu vàng có cảnh nhóm Beatles vượt qua một chiếc tàu ngầm khác y hệt, đi ngược hướng với tàu của họ. Trong chiếc tàu đó cũng có một nhóm Beatles giống họ như đúc. Rồi các thành viên của nhóm để ý thấy có một sự chuyển đổi kì lạ của thời gian theo thuyết tương đối khi thời gian trên một chiếc tàu chạy nhanh hơn còn thời gian trên chiếc kia thì chạy chậm lại.
  6. Một nhà vật lý có thể tính được vận tốc của một vật so với trái đất căn cứ theo sự dịch chuyển màu sắc này, rồi trả vật đó lại với màu sắc “thật” của nó. Tuy nhiên, việc khám phá ra sự dịch chuyển màu sắc, kết quả của tính tương đối / hiệu ứng Doppler, lại đặt nghi ngờ cho tính đúng đắn của cụm từ “màu sắc “thật” của một vật thể”.

Tác phẩm, tác giả, nguồn

  • Tác phẩm: Nghệ thuật và vật lý
  • Tác giả: Leonard Shlaintli Bach
  • Biên dịch: Trần Mạnh Hà và Phạm Văn Thiều
  • Nhà xuất bản tri thức
  • Nguồn: Kipkis

Hits: 14

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *