vietnam   english

Cuộc chạy đua với ánh sáng


OPERA thông báo: ‘Neutrinos chạy nhanh hơn ánh sáng‘. Giới truyền thông lăng xê: ‘Thuyết tương đối của Einstein sai rồi!‘; Các nhà Vật lý: ‘Chúng tôi có rất nhiều việc phải làm‘.

 

http://www.khoahocvakhampha.com.vn/Portals/khoahocvakhampha/dichgia_nguyenvanlieu/Newpaper_anhsang/newton.jpg

         Issac Newton

(4/1/1643 -31/3/1727)

Ánh sáng thời Newton. Không có gì quan trọng và thân thuộc với loài người hơn ánh sáng. Bởi vây, từ thời thượng cổ con người đã khát khao hiểu biết về đối tượng kì ảo này. Năm 1865 James Clerk Maxwell, nhà vật lý lý thuyết Scotland, người khai sinh lý thuyết trường điện từ, đã chỉ ra rằng ánh sáng cũng là sóng điện từ và nó truyền đi trong không gian tự do với vận tốc c=299.792,458 km/s (thường nói tròn là ba trăm ngàn km/s). Ngày ấy, cái bóng của cơ học Newton vẫn còn bao trùm bầu trời khoa học, nên tất nhiên người ta nghĩ ngay rằng, đã là sóng thì ánh sáng phải truyền đi trong một môi trường nào đó, giống như sóng âm truyền trong không khí. Chưa biết môi trường đó là gì, các nhà vât lý gọi nó là ether. Lý thuyết sóng điện từ của Maxwell được xem là chỉ đúng trong hệ quy chiếu gắn với ether, nghĩa là, c là vận tốc của ánh sáng so với ether. Mặt khác, bản thân các nhà khoa học (cùng với thiết bị đo của mình) cũng lại có thể chuyển động so với ether (chẳng hạn do chuyển động của quả đất). Theo quy tắc cộng vận tốc Galile (một quy tắc nền tảng của cơ học Newton), thì khi đó vận tốc ánh sáng hiển thị trên thiết bị đo của các nhà khoa học phải bằng tổng (vectơ) của vận tốc ánh sáng so với ether và vận tốc ether so với các nhà khoa học, và như vậy nói chung nó không còn có gía trị bằng c nữa (và tất nhiên có thể lớn hơn c!).

Ngạc nhiên thay, năm 1887 bằng một thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng cực kì thông minh, Michelson và Morley đã khẳng định rằng, giá trị vận tốc ánh sáng đo được không hề phụ thuộc vào chuyển động tương đối giữa nguồn phát sáng (chẳng hạn mặt trời) và thiết bị đo (chẳng hạn chuyển động cùng quả đất). Dù xoay thiết bị đo kiểu gì, xuôi hay ngược chiều quay của quả đất, vận tốc ánh sáng đo được vẫn chỉ là một. Kết qủa này trái hẳn với dự kiến tính theo quy tắc cộng vận tốc Galile như nói ở trên, nghĩa là nó không thể giải thích được trong khuôn khổ cơ học Newton, và đồng thời cũng ngụ ý rằng thực ra chẳng có môi trường đặc biệt ether nào cả! Không rõ giai thọai về việc Michelson dùng mèo để lau các ống kính thí nghiệm của mình là thật hay đùa, nhưng việc ông là người Mỹ (gốc Đức) đầu tiên được nhận Nobel Vật lý (năm 1907) thì đã ghi trong sử sách. Thí nghịệm Michelson-Morley chỉ ra mâu thuẫn nội tại sâu sắc không thể hóa giải được của Vât lý cũ (Newton) và do đó tạo tiền đề cho sự ra đời của một Vật lý mới (Einstein).

 

http://www.khoahocvakhampha.com.vn/Portals/khoahocvakhampha/dichgia_nguyenvanlieu/Newpaper_anhsang/anh%20albert%20Einstein.jpg

        Albert Einstein
        (14/3/1879 – 18/4/1955)

Einstein: ánh sáng là nhanh nhất! Năm 1905 Albert Einstein, lúc ấy mới 26 tuổi và chưa hề được biết đến trong làng Vật lý thế giới, đã công bố một lý thuyết cách mạng - một Vật lý hoàn toàn mới, sau này được gọi là Thuyết tương đối đặc biệt (Special Theory of Relativity). Chữ “đặc biệt” ở đây liên quan với thực tế là thuyết này chỉ áp dụng cho các hệ quy chiếu “đặc biệt”, gọi là hệ quy chiếu quán tính (để phân biệt với Thuyết tương đối tổng quát - General Theory of Relativity – cũng của Einstein, áp dung cho cả các hệ không quán tính). Vì Thuyết tương đối đặc biệt  chỉ đúng trong các “hệ quy chiếu quán tính” (Inertial reference frames), nên chúng ta không thể không dừng lại đôi phút để nhắc lại khái niệm cơ bản từ thời trung học phổ thông này. Mọi vật chuyển động trong không-thời gian. Để mô tả các chuyển động ấy ta phải chọn một vật làm mốc (chẳng hạn, mặt trời, quả đất, hay một nhà ga nào đó), gắn vào vật đó một hệ trục tọa độ (chẳng hạn hệ Descarte) và một đồng hồ. Vị trí và và thời gian của các vật cần quan sát sẽ đươc xác định trong chính hệ truc tọa độ đó và theo chính đồng hồ đó. Các nhà vật lý goi vật được chọn làm mốc như vậy là hệ quy chiếu. Với định nghĩa này thì hiển nhiên là có vô số “hệ quy chiếu” (tùy bạn chọn). Trong cái tập vô số ấy có môt loại hệ quy chiếu đặc biệt gọi là hệ quán tính. Đó là các hê, mà trong đó khi không có lực tác dụng thì các vật luôn chuyển động không có gia tốc (nghĩa là đứng yên hay chuyển động thẳng đều). Và như vậy, nếu hai hệ đều là quán tinh thì chúng phải đứng yên hay chuyển động thẳng đều so với nhau. Thuyết tương đối đặc biệt chỉ đúng trong các hệ quy chiếu như vậy.

Einstein xây dựng Thuyết tương đối đặc biệt dựa trên hai tiên đề. Tiên đề 1 nói rằng, tất cả các hệ quy chiếu quán tính là hoàn toàn tưong đương với nhau về mặt vật lý. Tiên đề 2 có cơ nguyên từ thí nghiệm Michelson-Morley: vận tốc ánh sáng trong không gian tự do có cùng một giá trị trong mọi hệ quy chiếu quán tính không phụ thuộc vào vận tốc của người quan sát cũng như vận tốc của nguồn phát ra ánh sáng. Thuyết tương đối Einstein không chỉ hóa giải tất cả những mâu thuẫn nội tại của Vật lý Newton-Maxwell, giải thích thỏa đáng các thí nghiệm đương thời, mà đã làm thay đổi tận gốc toàn bộ quan niệm về không-thời gian - nền tảng của triết học-vật lý. Những hệ qủa của học thuyết này quá đỗi lạ lùng, ví như độ dàì của cùng một cái thước đo trong hệ quy chiếu này là 1 m, đo trong hệ khác lại có thể chỉ là 0,3 m hoặc những 2 m, hay đông hồ cũng chạy nhanh chậm khác nhau đến nỗi “Từ Thức” cưỡi tàu vũ trụ lên Trời gặp “Tiên”, vừa đi vừa về chỉ vài ba mùa xuân, thế mà khi quay về đến nhà thì hóa ra bạn bè đều đã ra người thiên cổ, ngay cô em út lúc chia tay mới chỉ lên ba mà nay đã ngoài thất thập! Chính thuyết tương đối đăc biệt đã đề xuất hệ thức nổi tiếng E = mc2, mở ra kỉ nguyên năng lượng hạt nhân. Và, cũng chính thuyết này khẳng định: c là vận tốc lớn nhất có thể - không một hạt (vật chất, năng lượng hay thông tin) nào có thể chuyển động với vận tốc lớn hơn c! Chú ý thêm rằng, cũng trong năm 1905 Einstein còn công bố bài báo nói rằng ánh sáng là dòng các hạt, gọi là photon. Vì thế, đôi khi nguời ta cũng nói, không có hạt nào chuyển động nhanh hơn photon!

Sau hơn một thế kỉ, thuyết tương đối đặc biệt đã vựơt qua mọi nghi ngờ, thách thức, kiểm nghiệm để trở thành nền tảng của vật lý học hiện đại, một trong những biểu tượng kì vĩ nhất của trí tuệ con người. Thế mà, đùng một cái, cách đây vài tuần trên khắp các phương tiện thông tin đại chúng người ta bạo phổi nói rằng, thuyết tương đối sai rồi! Einstein sai rồi! Thực hư chuyện này ra sao?

Neutrinos nhanh hơn ánh sáng? Đó là chuyện về bài báo của OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) đăng trên http:// arxiv.org/abs/1109.4897(đồng thời với seminar của các tác giả tại CERN (Trung tâm nghiên cứu hạt nhân châu Âu ở gần Geneva, Thụy sĩ) ngày 23 tháng 9 vừa qua).

 

http://www.khoahocvakhampha.com.vn/Portals/khoahocvakhampha/dichgia_nguyenvanlieu/Newpaper_anhsang/anh%20Neutrinos.jpg

Mô hình di chuyển của hạt Neutrino

  

http://www.khoahocvakhampha.com.vn/Portals/khoahocvakhampha/dichgia_nguyenvanlieu/Newpaper_anhsang/science.jpg

Khoảng cách từ OPERA đến GENEVA

OPERA thông báo kết quả thí nghiệm của họ, một kết quả “chấn động địa cầu”: neutrinos chuyển động nhanh hơn ánh sáng! Neutrinos là các hạt cơ bản (gồm ba loại) cực nhẹ. Tại Phòng thí nghiệm quốc gia Gran Sasso (nằm ngầm dưới đất ở Ý) OPERA thu nhận các hạt neutrinos được “phóng” qua quả đất từ Phòng thí nghiệm Vật lý hạt châu Âu (CERN). Trong suốt 3 năm tập thể 160 thành viên của OPERA đã đo thời gian cần thiết để neutrinos vượt qua quãng đường 730 km giữa hai phòng thí nghiệm này. Kết quả đo tiến hành trên 16.000 neutrinos cho thấy, thời gian trung bình để neutrinos “chạy” hết quãng đường 730 km nói trên là 2,43 milli giây, ngắn hơn 60 nanô giây so với thời gian cần thiết để ánh sáng đi được cũng quãng đường đó (sai số phép đo chỉ là 10 nanô giây). Như vậy kết quả đo của OPERA cho thấy, neutrinos chuyển động nhanh hơn ánh sáng! Thực ra, OPERA đã sốc vì kết quả của mình từ nửa năm trước đó, nhưng nó quá lạ lùng nên họ cần thêm thời gian để kiểm tra lại. Cuối cùng, mặc dù vẫn chưa thể hiểu được, nhưng như Antonio Ereditato (University of Bern), người phát ngôn của OPERA nói ‘chúng tôi không thể dấu kết quả đó đi, vì như thế là không trung thực&;. Cẩn trọng đến như vậy, mà một số thành viên OPERA vẫn còn từ chối có tên trong bàì báo chung. Khi được hỏi về việc này, Caren Hagner (German Electron Synchrotron, Hamburg) cho biết, chẳng có lí do đặc biệt nào cả, đơn giản là bà muốn kiểm tra thêm các kết qủa nhận được. Xin độc giả ghi nhận giúp, OPERA chỉ đơn thuần công báo kết quả thí nghiệm chưa giải thich được của mình, chứ không hề nói rằng,Thuyết tương đối Einstein là sai. Mệnh đề này là sản phẩm nghề nghiệp chỉ của giới truyền thông.

Phản ứng của cộng đồng Vật lý. Công bố của OPERA đã gây phản ứng khác nhau trong cộng đồng Vật lý. Ngoài OPERA trên thế giới còn có hai cơ sở nghiên cứu khác đã và đang tiến hành các phép đo tương tự. Một ở Nhật, gọi là chương trình T2K, nguời ta “gửi” neutrinos từ một máy gia tốc ở Tokai và “thu” chúng bằng Super-Kamiokande ở Kamika, hai điểm cách nhau 295 km. Một nữa ở Mỹ, gọi là chương trình MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search), người ta “gửi” neutrinos từ Fermi National Accelerator Laboratory ở Batavia (Illinois) và “thu” chúng ở mỏ Soudan (Minnesota), hai điểm cách nhau 735 km. Trong các thí nghiệm này hệ thống đo rất phức tạp, gồm Global Positioning System để thiết lập chuẩn thời gian ở hai đầu đường bay của neutrinos, các đồng hồ nguyên tử, và rất nhìều thiết bị điện tử khác, nên rất khó khống chế sai số. Chang Kee Jung (Stony Brook University, New York), người đã từng tham gia chương trình T2K, cá rằng kết quả của OPERA là do sai số hệ thống. Ông nói: “Tôi không thể đánh cược vợ con mình vì như thế thì vợ con tôi sẽ rất bất bình, nhưng tôi có thể đánh cược ngôi nhà của mình“. Jim Al-Khalili, nhà Vật lý lý thuyết ở University of Surrey (Anh), thì thậm chí còn thề là sẽ ăn hết một cái quần soóc quyền anh trên một chương trình truyền hình trực tiếp nếu kết quả của OPERA là đúng. Rất nhiều nghi ngờ, nhưng không thể phủ định một kết quả khoa học bằng cảm tính!

Thế nên, việc các nhà Vật lý cần làm bây giờ là kiểm tra lại kết quả của OPERA. Tiếc là, do động đất – sóng thần hồi tháng Ba, chương trình T2K của Nhật phải tạm ngừng hoạt động. Còn các thiết bị ở MINOS thì hiện có độ chính xác thấp hơn của OPERA.Việc nâng cấp độ chính xác đòi hỏi thời gian tính bằng năm. Vì vậy, việc có thể làm ngay là các nhà khoa học ở T2K và MINOS kiểm tra lại các sô liệu sẵn có của mình xem chúng có phù hợp với kết luận của OPERA hay không. Plunkett, một thành viên của MINOS, cho biết, câu trả lời sẽ có trong vài tháng tới. Dù sao vẫn phải đợi đến khi có các phép đo với độ chính xác cao hơn. Khi đó sẽ có hai khả năng: nếu OPERA sai, thì việc duy nhất cần làm là biểu lộ sự đồng cảm với các thành viên của nhóm; còn nếu OPERA đúng thì, như Neil Russell (Northern Michigan University) đã nói, sẽ có rất nhiều việc phải làm. Xin thưa là, có nhiều việc để làm chứ không phải Einstein sai!

Việc mà Neil Russell nói đến là của các nhà lý thuyết. Vấn đề là ở chỗ, muốn biết Einstein đúng hay sai thì phải hiểu lý thuyết của ông có thể áp dụng trong những điều kiện nào và phép đo mà ta bàn đến có thoả mãn những điều kiện đó hay không. Một trong những điều kiện tiên quyết mà ta đã trao đổi ở trên là thuyết tương đối đặc biệt chỉ áp dụng cho các hệ quy chiếu quán tính và tất cả các hệ quán tính là bình đẳng với nhau. Hiện đã có nhiều kịch bản lý thuyết cho rằng, cho dù kết quả của OPERA là chính xác, thì điều đó cũng chẳng ảnh hưởng gì đến sự tôn nghiêm của thuyết tương đối Einstein vì trong phép đo này các điều kiện của thuyết Einstein không còn được thoả mãn nữa. Một kịch bản như thế dựa trên một lý thuyết mở rộng của Mô hình chuẩn (Standard Model) trong Vật lý hạt, gọi là Standard Model Extension (SME), do Alan Kostelecky (Indiana University, Bloomington) đề xuất khoảng 15 năm trước. SME cho phép tồn tại các trường nền (Background Fields), các trường này “luồn lách” vào cấu trúc không gian tạo thành một hệ quy chiếu “riêng” khi các vật chuyển động trong đó. Điểm đặc thù là chỉ có neutrinos “cảm nhận” được sự tồn tại của trường này, và chính sự cảm nhận (tương tác) ấy làm cho chúng chuyển động nhanh hơn ánh sáng. Hệ quy chiếu “riêng” ở đây không còn bình đẳng với các hệ quán tính của Thuyết Einstein nữa, vậy thì không thể dùng OPERA để nói rằng Einstein sai. Phải nói ngay là, SME cũng chỉ là một mô hình lý thuyết có thể, cho dù Neil Russell khẳng định đây là một mô hình mạnh, đáng tin cậy, nhất quan nội tại, và có thể xem là hòn đá thử vàng đối với thuyết tương đối Einstein. Dù sao, đúng như cũng Neil Russell nói, nếu OPERA đúng, các nhà Vật lý lý thuyết sẽ có rất nhiều việc phải làm.

 

Kết quả đo của OPERA là rất thú vị và quan trọng. Nhưng, cho dù đúng là neutrinos chuyển động nhanh hơn ánh sáng, thì điều đó cũng chưa có nghĩa là Thuyết tương đối đặc biệt của Einstein sai, mà chỉ có nghĩa là các nhà Vật lý sẽ có rất nhiều việc phải làm.

 

Nguyễn Trần   

                                                                                                                          Theo sgtt.vn

 


       

        Off Telex VNI VIQR



  
Các tin khác
Vị trí 01
Vị trí 02
Vị trí 03
Sinh hoạt Khoa học tháng 6/2013 Một số mẩu chuyện chưa kể về Bóng đá
Sinh hoạt Khoa học tháng 5/2013  Richard P. Feynman, một trong những nhà Vật lý kiệt xuất mọi thời đại.

Sinh hoạt Khoa học tháng 3/2013 Buổi sinh hoạt đầu Xuân Quý Tỵ


  • Ngọc Vũ
    Ngọc Vũ
    Tên thật : Vũ Tuấn Ngọc
    Sinh ra và lớn lên tại Hà Nội, tốt nghiệp Đại học...
  • Phạm Thu Hằng
    Phạm Thu Hằng
    Phạm Thu Hằng
    Sinh năm 1975 tại Nam Định
    Công tác tại Ngân hàng Nhà nước Việt Nam
    ...
  • Phạm Ngọc Điệp
    Phạm Ngọc Điệp
    Sinh ra và lớn lên tại Ninh Bình, yêu thích vật lý, đạt nhiều giải thưởng cấp tỉnh và...
  • Nguyễn Dung
    Nguyễn Dung
    Thạc sĩ Ngôn ngữ học, yêu thích văn chương, đã từng đăng bài trên tạp chí Văn học Tuổi...
  • Trần Thị Mai Hiên
    Trần Thị Mai Hiên
     Sinh năm 1981, tốt nghiệp Đại học Ngoại thương TP Hồ Chí Minh và Thạc sĩ ngành quản trị kinh doanh tại...
  • Ngô Minh Toàn
    Ngô Minh Toàn
    Sinh năm 1979, tốt nghiệp Đại học Khoa học Tự nhiên TP Hồ Chí Minh và Tiến sĩ ngành Vật Lý Sinh Học...
Tác giả Brian Greene Ngoài những công trình khoa học có giá trị về lý thuyết dây, Greene...
Mật Mã: Từ cổ điển đến lượng tử Trong lịch sử nhân loại đã xảy ra những cuộc chiến tranh tàn khốc, như hai cuộc thế...
Tác giả Silvia Arroyo Camejo Camejo không phải là con người khô cứng vì sách vở. Cô học múa ballet,...
Người bạn gái của lượng tử Mới 17 tuổi, Silvia Arroyo Camejo đã là tác giả của một cuốn sách ăn khách...
1. The scientist who‘s in love with literature
Pham Van Thieu loved writing and poetry from the moment he learnt to read. However, he wanted to be a mathematician. In the end he became a physicist. He has written 18 popular science books and is editor-in-chief of Physics and Youth Magazine.
2. Thư của GS.TSKH Đặng Vũ Minh gửi Tủ sách.
 Đây là bức thư của GS. TSKH Đặng Vũ Minh, Chủ nhiệm Ủy ban Khoa học, công nghệ và môi trường của Quốc hội, Chủ tịch Đoàn Chủ tịch Liên hiệp các hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam..
3. Chương trình giao lưu Khoa học và Khám phá
Tháng 11/2009, NXB Trẻ cùng nhóm chủ biên bộ sách Khoa học và khám phá tổ chức buổi giao lưu xoay quanh những nội dung khoa học hiện đại.

Nhân viên 02
Hotline: 0985 27 28 35


contact@khoahocvakhampha.com.vn
admin@khoahocvakhampha.com.vn