KHÔNG GIAN & THỜI GIAN

Như trong chương trước đã nhắc đến, sự thống nhất giữa không gian - thời gian cũng mang lại sự thống nhất nhiều khái niệm khác và khía cạnh hợp nhất này là đặc trưng lớn nhất của cấu trúc tương đối. Những khái niệm mà trong vật lý phi tương đối xem ra hoàn toàn độc lập, thì ở đây ta có thể xem chúng là những khía cạnh khác nhau của một khái niệm duy nhất. Tính cách này làm cho cấu trúc tương đối có một vẻ đẹp toán học rất trang nhã. Sau khi làm việc nhiều năm với thuyết tương đối, ta biết quý trọng sự thanh nhã này và nắm vững dạng toán học của nó. Tuy thế dạng toán học lại không giúp ta bao nhiêu về phương diện trực giác. Chúng ta không thể hình dung cụ thể gì về một không-thời gian bốn chiều hay về những khái niệm tương đối khác với giác quan của ta. Khi ngiên cứu các hiện tượng tự nhiên có vận tốc cao, chúng ta sẽ thấy những khái niệm này rất khó hiểu trên bình diện trực giác lẫn ngôn ngữ bình thường.

Thí dụ trong vật lý cổ điển, người ta cho rằng các vật thể hình thanh dài lúc ở trạng thái tĩnh hay lúc vận động, chúng đều dài như nhau. Thuyết tương đối cho thấy rằng không phải như thế. Độ dài của một vật phụ thuộc nơi sự vận động của nó với người quan sát và bản thân nó cũng thay đổi với vận tốc của sự vận động đó. Vật thể ngắn lại trong chiều mà nó vận động. Một vật thể có kích thước dài nhất trong hệ qui chiếu, trong đó nó ở trạng thái tĩnh và ngắn đi với người quan sát thấy hệ đó di động. Ở những thí nghiêm của vật lý cao năng lượng, trong đó các hạt di chuyển với vận tốc hết sức cao thì sự bẹp lại do tính tương đối đã lên tới mức mà những hạt hình cầu trở thành những chiếc bánh kẹp.

Vì thế thật vô nghĩa nếu hỏi độ dài thực sự của một vật, hỏi như thế cũng vô nghĩa như hỏi độ dài thực sự của cái bóng một người. Cái bóng là hình chiếu của những điểm trong không gian ba chiều lên một mặt phẳng hai chiều và chiều dài của nó tuỳ theo góc chiếu mà ra dài ngắn. Tương tự như thế thì độ dài của một vật thể di động là hình chiếu của những điểm trong không gian bốn chiều không - thời gian lên không gian ba chiều và độ dài của nó khác nhau trong hệ qui chiếu khác nhau.

Điều có giá trị đối với độ dài thì cũng có giá trị đối với khoảng cách thời gian. Chúng cũng phụ thuộc vào hệ qui chiếu, nhưng khác với đo lường không gian, thời gian lại dài ra đối với quan sát viên di chuyển với vận tốc cao. Tức là, đồng hồ trong hệ thống đang vận động chạy chậm hơn, thời gian đi chậm hơn. Đồng hồ có thể có nhiều kiểu khác nhau: đồng hồ cơ khí, đồng hồ nguyên tử hay cả trái tim con người. Nếu một trong hai đứa trẻ sinh đôi du hành nhanh chóng trong vũ trụ thì khi trở về nó sẽ trẻ hơn đứa ở nhà, vì tất cả đồng hồ của nó - nhịp tim, tuần hoàn, sóng thần kinh v.v…đều chậm đi suốt trong thời gian du hành, nếu lấy đứa trẻ ở nhà làm căn bản. Đứa đi du hành tất nhiên sẽ không nhận biết điều gì khác lạ cả, chỉ khi về nhà nó mới thấy người anh em mình già hơn mình nhiều. Sự nghịch lý của trẻ sinh đôi này có lẽ là cái nghịch lý nổi tiếng nhất trong nền vật lý hiện đại. Nó gây ra nhiều cuộc tranh cãi nóng bỏng trên các tạp chí khoa học mà ngày nay còn kéo dài, đó là một chứng minh cho một thực tại mà thuyết tương đối mô tả, không dễ dàng được lĩnh hội với tư duy bình thường của ta.

Việc đồng hồ đi chậm lại trong khi vận động, dù nghe qua khó tin đến mấy, cũng đã được vật lý hạt kiểm tra cặn kẽ. Phần lớn các hạt hạ nguyên tử đều bất ổn định, tức là sau một thời gian chúng tự huỷ để biến thành hạt khác. Nhiều thí nghiệm cho thấy rằng thời gian sống của những hạt bất ổn định đó tùy thuộc vào trạng thái vận động của chúng. Chúng càng vận động nhanh, thời gian sống chúng càng tăng. Những hạt vận động với vận tốc khoảng 80% vận tốc ánh sáng, chúng sống khoảng 1,7 lần lâu hơn các hạt anh em sinh đôi và với 99% vận tốc ánh sáng, chúng sống lâu hơn 7 lần. Thế nhưng điều đó không có nghĩa là thời gian sống nội tại chúng thay đổi. Xét về vị trí của từng hạt thì thời gian sống của chúng luôn luôn bằng nhau, nhưng từ thế đứng của quan sát viên trong phòng thí nghiệm thì đồng hồ nội tại của hạt đi chậm hơn, vì thế chúng sống lâu hơn.

Tất cả những hiệu ứng tương đối đó xem ra kỳ lạ, vì chúng ta không chứng thực thế giới bốn chiều không-thời gian được bằng những giác quan của ta, mà chỉ quan sát hình ảnh phản chiếu của chúng trong không gian ba chiều. Những hình ảnh này có nhiều khía cạnh khác nhau trong những hệ qui chiếu khác nhau: vật thể đang vận động khác với vật thể đang đứng yên, và những đồng hồ chạy khác nhau. Những hiệu ứng này là nghịch lý, mâu thuẫn nếu ta quên rằng chúng chỉ là những hình phản chiếu của hiện tượng bốn chiều, như những cái bóng chỉ là phản chiếu của vật thể ba chiều. Giá như ta thấy được thực tại không-thời gian bốn chiều thì chúng không còn nghịch lý, mâu thuẫn nữa.

Như trên đã nói, dường như các nhà đạo học phương Đông đã đạt được một dạng ý thức phi thường, trong đó họ chuyển hóa được thế giới ba chiều và chứng thực được một thực tại bốn chiều, cao hơn. Thế nên Sri Aurobindo mới nói về một “thay đổi tinh tế, nó cho phép thấy bộ mặt trong dạng thức của một chiều thứ tư”. Có thể các chiều của dạng ý thức này không hẳn là những chiều trong thuyết tương đối, nhưng điều nổi bật là chúng đưa các nhà đạo học đến một khái niệm về không gian và thời gian rất giống với những khái niệm của thuyết tương đối.

Các nhà đạo học phương Đông có một nhận thức trực giác về tính cách không gian - thời gian của thực tại. Có lẽ sự nhận thức được trình bày rõ rệt nhất và triệt để nhất trong Phật giáo, đặc biệt trong Hoa Nghiêm tông của Phật giáo Đại thừa. Kinh Hoa Nghiêm là kinh làm nền tảng cho tông này, cho ta một sự mô tả sinh động, trong tình trạng của giác ngộ thì ta chứng thế giới như thế nào. Đó là ý thức về một sự dung thông vô ngại của không gian và thời gian - đây là cách phát biểu toàn hảo về không gian và thời gian - được kinh nhắc tới nhiều lần và nó được xem là đặc trưng của tâm giác ngộ. D.T.Suzuki viết:

Ý nghĩa của kinh Hoa Nghiêm và tư tưởng của nó sẽ khó hiểu nếu ta chưa bao giờ chứng một tình trạng của một sự tan biến hoàn toàn, trong đó không còn có sự phân biệt thân và tâm, giữa chủ thể và khách thể… Ta nhìn quanh và nhận thấy mỗi sự vật đều liên hệ với mọi sự vật khác… không những trong không gian, mà trong thời gian. Thực tế là trong sự chứng thực thanh tịnh không có không gian phi thời gian, không có thời gian phi không gian, chúng dung thông nhau.

Nếu so sánh câu nói này của Suzuki với những lời đã dẫn của Minkowski, ta thấy ngay cả nhà vật lý lẫn nhà Phật học đều xây dựng khái niệm không gian - thời gian của họ dựa trên thực nghiệm; một bên dựa trên thí nghiệm khoa học, bên kia thì nhờ chứng thực tâm linh.

Theo tôi thấy thì nhận thức trực giác về thời gian của đạo học phương Đông là một lý do giải thích tại sao cái nhìn của họ về thế giới tự nhiên nói chung phù hợp với khoa học hiện đại hơn cái nhìn của phần lớn các triết gia Hy Lạp. Nền triết lý về tự nhiên của Hy Lạp chủ yếu là tĩnh tại và hầu như đặt nền tảng trên suy tư về hình học. Có thể nói hết sức phi tương đối và ảnh hưởng mạnh mẽ của nó trên tư duy phương Tây rõ là một trong những lý do làm chúng ta có khó khăn lớn thế nào với những mô hình tương đối của vật lý hiện đại. Các nhà triết học phương Đông, ngược lại, là những triết gia không gian - thời gian và tri kiến trực giác của họ thường rất gần với thuyết tương đối hiện đại của chúng ta.

Vì ý thức không gian - thời gian liên hệ mật thiết và dung thông với nhau, cả hai dều là những thế giới quan động, chúng lấy thời gian và sự biến dịch làm những yếu tố cơ bản. Khi học tập những mô hình tương đối của vật lý hiện đại, ta sẽ thấy chúng là những minh họa đầy sức thuyết phục của hai yếu tố của thế giới quan phương Đông; đó là tính nhất thể cơ bản của vũ trụ và tính năng động nội tại của nó.

Đến đây, chúng ta nói về thuyết tương đối đặc biệt. Nó cho ta một khung cảnh chung để mô tả hiện tượng của vật thể vận động, điện và từ. Cơ sở của nó là tính tương đối của không gian - thời gian và sự thống nhất của chúng trong một thể bốn chiều không gian - thời gian.

Khuôn khổ của thuyết tương đối tổng quát bao gồm cả trọng lực. Theo thuyết tương đối tổng quát thì trọng lực làm cong không gian - thời gian. Tưởng tượng ra được điều đó là một việc hết sức khó khăn. Chúng ta có thể dễ dàng tưởng tượng ra một bề mặt cong hai chiều, thí dụ bề mặt của một quả trứng, vì chúng ta thấy bề mặt này nằm trong không gian ba chiều. Ý nghĩa của từ cong của một mặt cong hai chiều như thế là hoàn toàn rõ, nhưng khi ta tới không gian ba chiều - chứ chưa nói gì tới không - thời gian bốn chiều - thì sức tưởng tượng bỏ rơi chúng ta. Vì chúng ta không thể nhìn không gian ba chiều từ bên ngoài nhìn vào (như trường hợp của mặt cong hai chiều), nên ta không thể tưởng tượng được nó có thể bị bẻ cong theo một chiều nào khác được.

Để hiểu ý nghĩa của không - thời gian cong, chúng ta phải dùng mặt cong hai chiều, lấy nó làm sự tương tự. Hãy tưởng tượng bề mặt của một quả cầu. Thực tế quyết định nhất cho ta thấy sự tương tự với không - thời gian là, độ cong là một tính chất nội tại của mặt cong đó và có thể đo lường được, chứ không cần phải đi vào một không gian ba chiều nào cả. Một con kiến xem như một sinh vật hai chiều sống trên mặt cong, tuy nó không thể nhận biết được chiều thứ ba, nhưng nó có thể phát hiện bề mặt mà nó đang sống là cong, với điều kiện là nó biết các phép đo lường hình học. Muốn biết thế ta hãy so sánh hình học mặt cong của con kiến với một mặt phẳng khác nhau ra sao.

Giả sử hai con kiến bắt đầu nghiên cứu hình học của chúng bằng cách vẽ một đường thẳng, tức là đường ngắn nhất nối hai điểm. Kết quả như sau: Ta thấy con kiến trên mặt phẳng sẽ vẽ một đường thẳng, nhưng con kiến trên mặt cong thì sao? Đường nối hai điểm A và B quả thật là ngắn nhất so với mọi đường khác mà nó có thể chọn, thế nhưng từ cách nhìn của ta thì nó là một đường cong. Bây giờ ta giả định hai con kiến nghiên cứu hình tam giác. Con kiến trên mặt phẳng xác định rằng tổng số ba góc của tam giác là bằng hai góc vuông, tức là 180°; còn con kiến trên mặt cong thấy rằng tổng số ba góc của hình tam giác luôn luôn lớn hơn 180°. Đối với những tam giác nhỏ thì phần lớn hơn đó không nhiều, nhưng tam giác càng lớn thì phần lớn hơn đó càng lớn theo; trong trường hợp cực điểm thì con kiến của chúng ta có thể vẽ một tam giác với ba góc vuông.

Cuối cùng hai con kiến vẽ vòng tròn và đo chu vi của nó. Kiến mặt phẳng sẽ thấy rằng chu vi vòng trong bằng 2π nhân với bán kính, độc lập với vòng tròn to nhỏ. Còn kiến trên mặt cong sẽ thấy chu vi vòng tròn luôn luôn nhỏ hơn 2π nhân với bán kính.

Như hình sau đây cho thấy, nhờ cách nhìn ba chiều của ta mà ta nhận ra rằng, bán kính của kiến trên mặt cầu không hề là đường thẳng, nó là một đường cong, đường cong đó luôn luôn dài hơn bán kính thật của vòng tròn.

Khi hai con kiến trực tiếp nghiên cứu hình học thì con kiến trên mặt phẳng sẽ phát hiện ra định đề Euclid và các định luật khác, nhưng con kiến trên mặt cong sẽ tới với những nhận thức khác. Sự khác biệt giữa hai nhận thức đó thì nhỏ đối với các hình nhỏ nhưng nó sẽ lớn hơn đối với các hình thể lớn. Thí dụ của hai con kiến cho ta thấy rằng, ta luôn luôn có thể phán quyết, liệu một mặt là cong hay không, cứ đơn giản dựa vào đo lường trên mặt đó rồi so sánh kết quả đo lường với kết quả của hình học Euclid. Nếu có sự khác nhau giữa hai kết quả thì mặt đó là cong, và nếu sự khác nhau càng cao độ thì cong càng lớn.

Với cách thế đó mà ta định nghĩa không gian ba chiều cong là một không gian mà trong đó hình học Euclid không còn đúng nữa. Những định luật trong không gian đó là thuộc về một loại khác, phi Euclid. Hình học phi Euclid đó được nhà toán học Bernhard Riemann giới thiệu vào thế kỷ thứ mười chín, như một ý niệm toán học hoàn toàn trừu tượng và cũng chỉ được xem như thế, cho đến ngày Einstein nêu ra giả thuyết cách mạng là, không gian ta đang sống ba chiều này quả thật là cong. Theo Einstein thì độ cong của không gian bị trường trọng lực của các vật thể mang khối lượng gây ra. Không gian xung quanh vật thể bị cong và độ cong đó, cũng là độ khác biệt với hình học Euclid, tỉ lệ với khối lượng của vật thể.

Phương trình nói lên độ cong không gian liên hệ thế nào với sự phân bố vật thể không gian được gọi là thuyết trường Einstein. Chúng không những được sử dụng để xác định mức biến thiên của độ cong tại mỗi chỗ gần các thiên thể hay hành tinh, mà với chúng, người ta có thể biết được độ cong tổng quát của không gian. Nói cách khác, những đẳng thức trường Einstein có thể dùng để xác định cấu trúc của vũ trụ. Tiếc thay chúng không cho lời giải rõ rệt. Có nhiều lời giải toán học khả dĩ cho những phương trình đó, và mỗi lời giải lại cho những mô hình khác nhau về vũ trụ. Mục đích chính của ngành vũ trụ học hiện nay là xác định lời giải nào đúng với cơ cấu vũ trụ của chúng ta.

Vì trong thuyết tương đối, không gian không bao giờ tách ly khỏi thời gian nên độ cong do trọng lực gây ra cũng không chỉ hạn chế trong không gian ba chiều, mà người ta phải mở rộng lên không gian - thời gian bốn chiều. Đó chính là điều mà thuyết tương đối tổng quát đã tiên đoán. Trong một không - thời gian cong thì sự méo mó được sinh ra không những chỉ tác động lên không gian - là những mối liên hệ có thể mô tả bằng hình học - mà còn trên độ dài của những khoảng thời gian. Thời gian trôi sẽ không với một vận tốc đều, như trong một không gian - thời gian phẳng; dòng chảy sẽ không đều, vì sự phân bố vật chất có chỗ cong nhiều cong ít. Thế nhưng chúng ta phải nói rõ là, sự biến đổi này của thời gian được thấy bởi một quan sát viên, người đó đứng khác chỗ của đồng hồ đang đo lường thời gian. Nếu thí dụ quan sát viên cũng đứng ngay chỗ đó, ngay nơi mà thời gian chạy chậm đi, thì mọi đồng hồ cũng chậm theo và người ta sẽ không có cách nào để đo hiệu ứng chậm đi đó nữa.

Trong môi trường địa cầu này thì tác động của trọng lực lên không gian thời gian qúa nhỏ nên ta có thể bỏ qua, thế nhưng trong ngành thiên văn học, khi người ta làm việc với những khối lượng lớn như hành tinh, thiên thể và ngân hà thì độ cong của không gian là một hiện tượng quan trọng. Tới nay thì tất cả mọi quan sát viên đều thừa nhận thuyết của Einstein là đúng và buộc chúng ta phải tin rằng không - thời gian quả thật là cong. Hiệu ứng cùng cực nhất của nó là sự sụp đổ trọng trường của một thiên thể đặc cứng. Theo hình dung của thiên văn học ngày nay thì mỗi thiên thể trong quá trình phát triển sẽ đạt tới một giai đoạn, trong đó nó bị co rút lại vì lực hút lẫn nhau giữa các hạt cấu tạo nên nó. Khi khoảng cách giữa các hạt nhỏ dần thì sức hút giữa chúng tăng nhanh, quá trình sụp đổ càng gia tốc, và khi thiên thể có đủ tỉ trọng rồi, tức là khoảng gấp đôi tỉ trọng của mặt trời thì không còn tiến trình nào có thể cứu vãn sự sụp đổ.

Khi thiên thể co rút lại và ngày càng đặc cứng thì sức hút trọng lực trên bề mặt của có tăng mạnh và do đó độ cong của không - thời gian quanh nó sẽ tăng lên. Vì sức hút quá mạnh, không có vật gì có thể rời thiên thể được, và tới mức mà ngay cả ánh sáng cũng bị hút, không chạy thoát nổi bề mặt của thiên thể. Tới mức này thì xung quanh thiên thể sinh ra một tầm chân trời biến cố, tức là không còn dấu hiệu gì của thiên thể đi ra ngoài được với thế giới còn lại. Không gian xung quanh thiên thể bị cong tới mức ánh sáng cũng bị nhốt lại, không chạy thoát được. Ta không thể thấy một thiên thể như vậy vì ánh sáng của nó không thể đến với chúng ta và do đó ta gọi nó là một lỗ đen. Sự hiện hữu của những lỗ đen đã được tiên đoán từ năm 1916 trên cơ sở thuyết tương đối. Trong thời gian gần đây, nó gây ra nhiều chú ý vì một hiện tượng của thiên thể cho thấy có sự hiện hữu của một vì sao nặng, vì sao đó quay chung quanh một đối tượng vô hình, đối tượng đó có thể là một lỗ đen.

-----o0o-----

Trích: Đạo Của Vật Lý (The Tao Of Physics) - Một Khám Phá Mới Về Sự Tương Đồng Giữa Vật Lý Hiện Đại & Đạo Học Phương Đông

Tác Giả: Fritjof Capra

Biên Dịch: Nguyễn Tường Bách

Nhà Xuất Bản Trẻ TP. HCM Xuất Bản 2001

Ảnh: Nguồn Internet