[Series hại não] Tại sao tốc độ ánh sáng là giới hạn tuyệt đối?

Mở đầu

Trong bài trước mình có đề cập đến Thuyết tương đối hẹp dựa trên 2 định đề, một trong số đó là:

Tốc độ của ánh sáng trong chân không là như nhau cho tất cả các người quan sát, không phụ thuộc vào chuyển động của nguồn ánh sáng.

Đúng ra phải thêm một điều nữa, đó là:

Tốc độ của ánh sáng trong chân không là giới hạn tuyệt đối. Không gì có thể di chuyển nhanh hơn ánh sáng.

Nhưng có thật thế không? Nếu những điều này là sai thì chẳng phải Thuyết tương đối sẽ sai hay sao? Chắc sẽ có một số bạn thắc mắc, cũng như mình, tại sao lại như thế? Điều gì chứng tỏ tốc độ ánh sáng là tuyệt đối, là không đổi với người quan sát khác nhau, là không phụ thuộc vào tốc độ di chuyển của nguồn sáng?

Tìm hiểu

Ánh sáng theo Vật lý hiện đại được "cấu tạo" bởi hạt photon, là một hạt cơ bản, đồng thời là hạt lượng tử của trường điện từ và ánh sáng cũng là một dạng bức xạ điện từ. Photon có lưỡng tính sóng-hạt. Ví dụ, một hạt photon thể hiện tính "sóng" khi có thể bị khúc xạ bởi một thấu kính hoặc thể hiện sự giao thoa giữa các sóng. Nhưng nó cũng biểu hiện như một hạt khi chúng ta thực hiện phép đo định lượng về động lượng của nó. Hạt photon cũng là một hạt phi khối lượng, có khối lượng nghỉ bằng 0. Hiện nay, khối lượng của photon bằng 0 mới chỉ nằm trên lý thuyết, chưa có thực nghiệm nào chứng minh được nó không có khối lượng. Nếu photon có khối lượng, nó sẽ không thể di chuyển bằng với tốc độ ánh sáng trong chân không. Nhưng dù thế, Thuyết tương đối sẽ không bị ảnh hưởng. Vì cái gọi là vận tốc ánh sáng, c, sẽ không phải là vận tốc thực mà ánh sáng di chuyển, mà là một hằng số của tự nhiên giới hạn vận tốc lớn nhất của bất kì một vật thể nào về mặt lý thuyết có thể đạt được trong không-thời gian[1].

Fuck science! Selfie first!

Ừm...Vậy tại sao nếu photon có khối lượng, nó không thể di chuyển với tốc độ bằng c?

Ta nói đến vấn đề tiếp theo, Động năng.
Trong cơ học cổ điển, động năng của một chất điểm (một vật nhỏ đến nỗi mà khối lượng của nó có thể được xem là chỉ tồn tại tại một điểm), hay một vật không quay, được cho bởi phương trình:

Phương trình động năng

Thấy quen quen nhỉ, mình nhớ là đã được học rồi. Với m là khối lượng và v là tốc độ (hay vận tốc) của vật. Trong hệ SI, khối lượng được đo bằng kilogram, tốc độ được đo bằng mét trên giây, và động năng thu được đo bằng joule (Jun).

Phương trình trên chỉ phù hợp cho những vật và quá trình mà con người thường trải nghiệm. Nếu tốc độ của vật có thể so sánh với tốc độ ánh sáng, hiệu ứng tương đối tính sẽ trở nên đáng kể và công thức tương đối tính được sử dụng:

Phương trình động năng tương đối tính

Ở đây bạn sẽ thấy là, nếu vật di chuyển càng nhanh, biểu thức trong căn sẽ càng tiến dần về 0, do đó phép chia sẽ ngày càng lớn, động năng càng lớn, năng lượng phải cung cấp cho vật sẽ càng lớn. Tới một lúc nào đó, tốc độ của vật rất rất gần với c, năng lượng cần có sẽ dần tiến với vô cực, nghĩa là một mức năng lượng vô hạn, mà điều này thì không thể!

Ừm... như vậy là tốc độ của photon có bằng c hay không cũng không quan trọng, bởi vì c mới là thứ chúng ta cần dựa vào, là giới hạn lý thuyết tuyệt đối, "chẳng may" trong chân không, photon (ánh sáng) di chuyển tốc độ bằng c nên ta thường nói gọn với nhau là tốc độ ánh sáng là giới hạn tuyệt đối. Trong khi thực thế, ánh sáng có thể di chuyển chậm hơn (khi photon có khối lượng) hoặc ánh sáng di chuyển trong môi trường vật chất (ví dụ thuỷ tinh, nước, hệ số mà tốc độ ánh sáng giảm đi khi đi trong môi trường vật chất gọi là chiết suất của vật liệu - nghe cũng quen chứ?).

Are you mad :D

Okay, vậy nãy giờ nói về photon, nó có thể di chuyển chậm hơn c, cũng okay nốt. Nhưng tại sao c lại là giới hạn trên?

Mình cũng từng thắc mắc với câu hỏi: Tại sao lại là c? Tại sao c lại mang giá trị 299.792.458 m/s? Tại sao nó lại là tốc độ giới hạn?...
Tìm kiếm câu trả lời cũng khá lâu rồi, và bây giờ mình tạm chấp nhận với đáp án này:

Because God said so!

Nghe có vẻ đùa cợt nhưng thực ra thì không. Có một bài thảo luận bằng tiếng Anh ở đây[2] khá dài, mình cũng chưa đọc hết. Có một thanh niên cũng thắc mắc giống mình, và mọi người đều nhiệt tình giải thích cho thanh niên nọ, nhưng hắn vẫn khăng khăng hỏi lại "tại sao lại như thế?". Theo mình hiểu, mọi người đang trả lời đều dựa vào một bức tường vững chắc đó là c, thì thanh niên nọ muốn biết tại sao lại có bức tường đó, tại sao nó lại vững như vậy để mọi người dựa vào.
Các bạn hãy nhớ lại gia tốc trọng trường 9,80665 m/s^2 của một vật rơi hướng vào tâm Trái Đất. Hoặc đơn giản như số Pi π = 3.14159265359..., tỉ lệ giữa chu vi của một đường tròn và đường kính của nó. Tại sao lại có những con số kia và tại sao giá trị của nó phải đúng như vậy? Vì nó cần phải như thế!

Người ta biết rằng giữa chu vi của đường tròn và đường kính của nó phải có một quan hệ nào đó, và họ tìm ra số π. Người ta cũng biết rằng một vật rơi hướng vào tâm Trái Đất phải có một đại lượng nào đó biểu diễn tốc độ gia tăng của vận tốc, và họ tìm ra gia tốc trọng trường. Hay nói cách khác, những hằng số này luôn ở đó, nó luôn cần để hoàn chỉnh một bài toán nào đó, và con người chỉ việc tìm ra chúng, và tính toán để chúng có độ chính xác cao nhất có thể, rồi sử dụng chúng cho những vấn đề mới. Hằng số c cũng vậy, nó phải có, và phải mang giá trị 299.792.458 m/s, mọi vật di chuyển đều phải có vận tốc nhỏ hơn hoặc bằng c vì nếu khác đi, mọi thứ sẽ không hoạt động như cách mà chúng vẫn hoạt động từ xưa đến nay. Như ở trên mình có viết, nó là một hằng số của tự nhiên.

Cũng phải mất một thời gian mình mới tạm chấp nhận cách giải thích này, trước đó thì luôn tìm câu trả lời theo kiểu: Tại sao A đúng? Vì B đúng. Tại sao B đúng? Vì C đúng... cứ thế. Đến cái Z rồi vẫn muốn biết tại sao Z đúng. Chúng ta luôn cần một thứ gì đó đúng để những thứ khác dựa vào, và nhiều khi bản thân nó đã "phải" đúng như thế bởi đó là điều cần thiết. Bạn thử tưởng tượng nếu số π không mang giá trị hiện tại của nó thì sẽ như thế nào?

BECAUSE GOD SAID SO!


  1. Viết tắt của Không gian - Thời gian ↩︎

  2. Tham khảo https://www.physicsforums.com/threads/why-is-there-a-universal-speed-limit-c-and-why-is-it-what-it-is.478947/ ↩︎