Bạn đang chuyển động với vận tốc nào?
Có vẻ là một câu hỏi dễ.
Câu trả lời thứ nhất có thể là
"Tôi đang đứng yên."
Nhưng nghĩ xa hơn,
bạn nhận ra chuyển động của Trái đất cũng có thể được tính.
Vậy câu trả lời thứ hai có thể là:
"30,6 km/s quanh Mặt trời."
Nhưng rồi bạn nhớ rằng Mặt trời
chuyển động quanh trung tâm Dải Ngân hà,
và Dải Ngân hà chuyển động trong Tập hợp Ngân hà,
và Tập hợp Ngân hà chuyển động trong Cụm Xử Nữ,
và Cụm Xử Nữ chuyển động trong...
"Chuyển động với vận tốc nào?"
không phải là một câu hỏi dễ.
Trạm kiểm soát cho biết tốc độ di chuyển của phi hành gia
dựa trên một tiêu chuẩn giả định về điểm tĩnh.
Lúc xuất phát,
vận tốc được tính tương đối với bệ phóng.
Sau đó, khi bệ phóng
chỉ còn là một điểm bất kì
trên bề mặt Trái đất,
vận tốc được tính tương đối với
tâm điểm tĩnh lí tưởng của Trái đất.
Trên đường tới Mặt trăng,
phi hành gia tàu Apollo gặp khó khăn
để trả lời câu hỏi:
"Bạn đang chuyển động với vận tốc nào?"
Vận tốc ở ngoài Trái đất là một chuyện,
vận tốc khi tiến tới Mặt trăng lại là chuyện khác.
Bởi vì Trái đất và Mặt trăng
chuyển động tương đối với nhau.
À, đương nhiên rồi!
Vận tốc là một đại lượng tương đối.
Khi Cơ trưởng Kirk hỏi Trung úy Sulu
phi thuyền Enterprise đã đạt vận tốc 370 tỉ km/h chưa?
Sulu nên đáp là,
"Tương đối với gì, Cơ trưởng?"
Câu trả lời như vậy
có thể khiến sĩ quan Starfleet gặp rắc rối,
nhưng lại là câu trả lời duy nhất
cho câu hỏi: "Chuyển động với vận tốc nào?"
Đây là khái niệm tương đối cơ bản.
Không phải Thuyết tương đối cao siêu của Einstein,
mà là thuyết tương đối cũ (và vẫn đúng)
của Galileo.
Galileo dường như là người đầu tiên
nhận ra không có thứ gọi là
vận tốc tuyệt đối.
Vận tốc mang tính tương đối.
Điều đó nghĩa là vận tốc chỉ có ý nghĩa
khi được gắn với một hệ quy chiếu.
Giả định hệ quy chiếu đó ở trạng thái tĩnh.
Nhưng rồi ta lại phải hỏ:i
"Tĩnh so với gì?"
Bởi vì kể cả trạng thái tĩnh
cũng không có khái niệm rõ ràng.
Vận tốc có tính tương đối, trạng thái tĩnh cũng vậy.
Vận tốc Trái đất là 30,6 km/s khi Mặt trời là mốc quy chiếu.
Vận tốc tàu Enterprise là 370 tỉ km/h
khi lấy trung tâm Ngân hà làm mốc quy chiếu.
Vận tốc của bạn là 0 khi lấy ghế ngồi làm mốc.
Nhưng tùy vào nơi bạn ngồi,
nó có thể là hàng trăm km/h khi lấy tâm Trái đất làm mốc.
Khi ta nhăn mày và hỏi:
"Vậy Trái đất chuyển động với vận tốc nào?"
tưởng tượng Trái đất là 1 tàu vũ trụ
rẽ sóng trên đại dương không gian
trong lúc quay quanh Mặt trời.
Không gian không là đại dương.
Nó không có các chất như nước.
Không gian không là một vật:
không gian không là gì cả.
Không gian không có gì cả.
Bạn có thể di chuyển giữa 2 điểm trong không gian,
như Trái đất và Sao Hỏa,
nhưng không thể đi xuyên qua không gian.
Chẳng có gì để đi qua cả.
Việc đó giống như thử nói lỗ trống nặng bao nhiêu.
Lỗ trống nặng bằng 0
bởi vì nó không là gì cả.
Trống không, và không gian cũng vậy.
Chuyển động tương đối so với không vật gì cả là vô nghĩa.
Khái niệm vận tốc và trạng thái tĩnh
chỉ có nghĩa tương đối.
Chúng không có nghĩa tuyệt đối.
Chúng chỉ có nghĩa
khi được gắn với một mốc quy chiếu
bất kì đã được chọn.
Nếu một ngày nào đó trong tàu vũ trụ ,
bạn nhìn thấy qua cửa sổ, ví dụ
một trạm không gian bay qua với vận tốc bất biến,
không có cách nào biết được cái gì đang chuyển động.
Cả hai đều không chuyển động
vì vận tốc bất biến không có thực.
Vận tốc bất biến là một đường thẳng
chỉ có ý nghĩa tương đối,
một dạng hiện thực tương đối.
Nghĩa là mọi chuyển động đều có tính tương đối?
Không! Một vài chuyển động chỉ có tính tương đối,
một vài chuyển động có tính tuyệt đối,
và hoàn toàn thật.
Ví dụ, vận tốc bất biến là tương đối,
nhưng thay đổi trong vận tốc là tuyệt đối.
Cái gì có tính tuyệt đối trong khoa học
nghĩa là không dùng các tiêu chuẩn bất kì
trong quá trình đo lường.
Có thể đo được một cách rõ ràng.
Khi tàu vũ trụ của bạn bắt đầu chạy,
sự thay đổi vận tốc là rõ ràng.
Bạn cảm thấy điều đó,
và cảm biến trên tàu có thể đo được.
Ngoài cửa sổ, trạm không gian lướt qua
dường như thay đổi vận tốc,
nhưng những người trong trạm không cảm thấy như vậy.
Và không cảm biến nào đo được.
Bạn thực sự đang thay đổi vận tốc,
còn họ thì không.
Có sự tuyệt đối
trong sự thay đổi vận tốc,
Sự xoay tròn cũng vậy.
Nếu tàu vũ trụ đang quay,
bạn có thể cảm thấy, có thể đo được bằng cảm biến.
Trạm không gian bên ngoài
như đang xoay quanh bạn,
nhưng chỉ bạn cảm thấy buồn nôn,
chứ không phải người trong trạm vũ trụ.
Chính bạn mới đang quay tròn,
còn họ thì không.
Chuyển động xoay tròn mang tính tuyệt đối.
Vậy một vài chuyển động là tương đối, một vài thì không.
Không có thực tế tuyệt đối với vận tốc bất biến,
nhưng sự thay đổi trong vận tốc là có thật,
cũng như chuyển động xoay tròn.
Phải cẩn trọng
trong phân tích
để xác định cái gì là tuyệt đối.
Vì ta có thể bị đánh lừa bằng những nhận thức
đơn giản như vận tốc,
mỗi nhận thức đều cần được xem xét kĩ càng.
Đây là điều truyền cảm hứng cho Einstein
có cái nhìn sâu sắc
về vận tốc ánh sáng và du hành vượt thời gian.
Biết cách xác định
cái gì mang tính tuyệt đối
là công việc khó khăn nhưng quan trọng.
Nếu một viên cảnh sát yêu cầu bạn tấp vào lề vì vượt tốc độ
và hỏi: "Bạn biết bạn đang đi với vận tốc nào không?"
một câu trả lời sâu sắc, nhưng không khôn ngoan cho lắm
sẽ là: "Tương đối với cái gì?"
Và rồi, bạn sẽ ngồi sau xe cảnh sát
và được tháp tùng về phòng giam,
bạn có thể nói thêm:
"Nhưng có những thứ là tuyệt đối!"