Chuyển động vĩ mô và chuyển động vi mô có đặc điểm gì? Những lý thuyết tương đối, lượng tử có tác động ra sao tới nhận thức của chúng ta về vũ trụ?
Ý niệm thông thường về chuyển động
Trong đời sống hàng ngày, chuyển động thường được hiểu là sự thay đổi vị trí của một vật thể cụ thể so với nền của các vật thể xung quanh. Chẳng hạn: chiếc xe chạy trên đường làm thay đổi vị trí tương đối của nó so với mặt đường và các ngôi nhà hai bên, chiếc lá rụng từ trên cây xuống tới mặt đường là một quá trình thay đổi vị trí ...
Dựa vào ý tưởng trực quan nêu trên, các nhà khoa học nhiều thế kỉ trước (chính xác là từ hơn 2000 năm trước) đã xây dựng nên những quan điểm đầu tiên về chuyển động. Để tránh trình bày dài dòng và khó hiểu, để đơn giản chúng ta hãy nhớ lại rằng trước năm 1543 khi Copernicus công bố mô hình nhật tâm (và mãi sau này nhiều năm nó mới được chứng minh) thì loài người tin rằng Trái Đất là một vật thể bất động, có nghĩa là nó không chuyển động so với cái gì cả. Và vì như thế người ta có quyền lấy nó làm hệ qui chiếu tuyệt đối. Khi bạn đứng trên mặt đất và không di chuyển đi đâu cả thì bạn coi như là một phần của hệ qui chiếu này và do đó khi bạn thấy bất cứ thứ gì chuyển động: chiếc xe ngựa đang chạy, con chim đang bay, chiếc lá đang rơi ... thì bạn lập tức được phép kết luận là nó đang chuyển động. Trong hệ qui chiếu tuyệt đối thì chuyển động là tuyệt đối.
Chuyển động tuyệt đối là cơ sở lý thuyết chính trong toàn bộ mô hình về chuyển động trong vật lý Aristotle (cái tên thường dùng để chỉ hệ thống qui luật vật lý cơ bản do các nhà khoa học Hi Lạp cổ đại (trước và những năm đầu sau CN) tổng kết nên dựa trên quan sát của họ, mà Aristotle là người đóng vai trò chính).
Cách lập luận quá sức đơn giản này nếu chỉ nhìn thoáng qua thì chúng ta có thể thấy nó dường như đang mô tả đúng về bản chất của các chuyển động hàng ngày.
Mặc dù vậy, hãy để ý là ở trên chúng ta đã nhắc rằng để mô hình chuyển động tuyệt đối tồn tại thì phải có một hệ qui chiếu tuyệt đối, mà thời xa xưa người ta đã tin rằng hệ qui chiếu tuyệt đối đó là Trái Đất. Ngày nay chúng ta đã biết quá rõ rằng thực ra thì Trái Đất có rất nhiều chuyển động phức tạp, mà rõ ràng nhất là chuyển động tự quay quanh trục Bắc - Nam của nó. Như vậy nảy sinh một vấn đề "nhỏ": nếu Trái Đất có chuyển động thì có nghĩa là chúng ta đứng im trên Trái Đất không khác gì người ngồi trên chiếc xe, chúng ta cũng đang chuyển động cùng cỗ xe của mình (cỗ xe ở đây là Trái Đất). Như vậy các tính chất của chuyển động cần phải được làm rõ hơn, chuyển động cho tới lúc này chúng ta đã có thể thấy rằng không phải là nằm trong hệ qui chiếu tuyệt đối nữa.
Chuyển động trong không gian có tính tương đối
Nếu như theo tiên đề cho rằng Trái Đất là hệ qui chiếu tuyệt đối của vật lý Aristotle thì có nghĩa là mỗi vật thể bất kì đều có chuyển động độc lập, chỉ bị ràng buộc khi người ta lấy dây hay cái gì đó buộc các vật lại với nhau. Chẳng hạn: muốn ngựa kéo được xe thì người ta phải cột chặt nó vào xe, nếu tất cả những thanh xà và dây rợ đó bị chặt đứt thì ngựa cứ chạy còn xe sẽ không chuyển động nữa. Để làm rõ tính không chính xác và minh bạch trong luận điểm này, Galileo Galilei đã mô tả một thí nghiệm như sau.
Một vật nặng (chẳng hạn một quả tạ sắt) được thả từ trên một cột buồm của con thuyền đang chạy trên mặt nước. Khi vật nặng được thả ra bởi người đang đứng ở đỉnh cột buồm thì thuyền vẫn đang chạy tới phía trước. Theo cách lý luận của vật lý Aristotle thì chỉ khi con thuyền đứng im vật nặng mới có thể rơi xuống đúng chân cột buồm, còn khi thuyền chuyển động đi tới thì vật nặng sẽ bị rơi lùi về phía đuôi thuyền, thậm chí nếu thuyền đi đủ nhanh thì nó còn rơi hẳn xuống nước vì trong quá trình vật rơi thì thuyền đã chạy được một đoạn chứ không còn ở vị trí cũ.
Trong thí nghiệm của Galileo, vật được thả rơi rất chính xác đúng chân cột buồm. Điều đó có nghĩa là trong quá trình rơi xuống vật vẫn tiếp tục tham gia chuyển động tiến tới phía trước cùng với con thuyền. Lí do là vật nặng cùng với người thả nó đang tham gia hệ qui chiếu của con thuyền, đối với Trái Đất thì toàn bộ con thuyền, vật nặng và người thả cùng chuyển động theo chiều tiến lên của con thuyền, nhưng với con thuyền thì vật nặng chỉ tham gia một chuyển động là chuyển động rơi thẳng xuống.
Như vậy hệ qui chiếu không phải là tuyệt đối, bản thân mỗi hệ qui chiếu đều là tương đối, và mỗi chuyển động bất kì được xét tới phải xét trên hệ qui chiếu cụ thể có chứa nó. Một vật có thể tham gia nhiều hay rất nhiều hệ qui chiếu và chuyển động của nó tại mỗi hệ qui chiếu có thể khác nhau (chẳng hạn như vật nặng ở thí nghiệm trên). Trong một hệ qui chiếu vật có thể giữ nguyên vị trí (đứng im), nhưng trong mỗi hệ qui chiếu khác nó lại có thể có sự thay đổi vị trí khác nhau. Như vậy, chuyển động có tính tương đối và không gian cũng có tính tương đối.
Thí nghiệm tương tự như nêu trên rất dễ làm, nếu cần tự kiểm chứng bạn có thể tự làm các thí nghiệm nhỏ với cùng bản chất như vậy bất cứ khi nào trong cuộc sống hiện đại ngày nay.
Sau này, chuyển động của vật nặng khi đi trên con thuyền như trên cùng các chuyển động tương tự được Isaac Newton tổng kết lại thành định luật quán tính - hay còn thường gọi là định luật thứ nhất về động lực học của Newton. Cùng với hai định luật nữa về động lực học và định luật hấp dẫn, Newton là người góp phần lớn nhất vào việc xây dựng nên hệ thống cơ học cổ điển, hay còn gọi là cơ học Newton.
Có thể tổng kết lại một lần nữa về khái niệm chuyển động theo các luận điểm của cơ học Newton như sau:
Chuyển động có tính tương đối, nó phụ thuộc vào hệ qui chiếu. Một chất điểm (hay vật thể) được mô tả là chuyển động khi nó có sự thay đổi vị trí theo thời gian đối với một hệ qui chiếu nào đó, và được mô tả là đứng im so với một hệ qui chiếu nào đó khác khi nó không có sự thay đổi về vị trí trong hệ qui chiếu đó trong khoảng thời gian được xét đến. Để có sự thay đổi vị trí trong một hệ qui chiếu nhất định, vận tốc của chất điểm (hay vật thể) so với hệ qui chiếu đó phải khác không (0).
Một cách trực quan hơn: Thực tế chúng ta biết rằng Trái Đất có chuyển động nhưng do nhu cầu sinh hoạt thường xuyên gắn với bề mặt hành tinh nên chúng ta coi những vật nằm im trên mặt đất là đứng im, nếu nói đầy đủ, thì phải là "đứng im trong hệ qui chiếu Trái Đất". Trong khi đó chiếc xe chạy trên mặt đường là chuyển động vì nó có vận tốc riêng đối với mặt đất, mặc dù vậy, người ngồi trên xe thì lại phải được làm rõ rằng họ "chuyển động trong hệ qui chiếu Trái Đất" (ngắn gọn hơn là "chuyển động so với Trái Đất") và "đứng im trong hệ qui chiếu chiếc xe" (ngắn gọn hơn: "đứng im đối với chiếc xe").
Trong cơ học Newton, không gian như vậy có tính tương đối nhưng thời gian thì không. Theo Newton và những người ủng hộ ông thì thời gian là tuyệt đối.
Thế nào là thời gian tuyệt đối? Hiểu đơn giản như sau: Nếu ở hai vị trí A và B cách nhau một khoảng cách nhất định có hai sự kiện xảy ra đồng thời (chẳng hạn hai người ở hai nơi cùng bắn một phát súng lên trời và chính xác với nhau tới hoàn toàn về thời điểm) thì có nghĩa là đồng hồ của bất cứ người nào trong hai người này đều sẽ đo được giá trị thời gian y như nhau và đều thấy hai phát đạn đúng là được nổ ra hoàn toàn cùng lúc bất kể vận tốc của họ lúc đó ra sao.
Với những thực tế mà chúng ta tiếp xúc hàng ngày thì dường như điều này là đúng. Thậm chí trên thực tế tới ngày nay sau 300 năm kể từ thời đại của Newton, con người đã có thêm rất nhiều phương tiện phức tạp mà một phần không nhỏ trong đó thuần túy áp dụng các định luật xây dựng trên cơ sở cơ học Newton vẫn mang lại kết quả như mong đợi. Vì thế đừng ngạc nhiên nếu bạn thử tự suy nghĩ về luận điểm trên và tự trả lời "Ồ, đúng là thế còn gì?".
Hệ quả được suy ra từ luận điểm nêu trên là: nếu như hai biến cố xảy ra được coi là đồng thời ở hai vị trí không gian khác nhau và người đứng ở bất cứ vị trí nào cũng nhận thấy hai biến cố là đồng thời, thì có nghĩa là ánh sáng phải có vận tốc vô hạn, tức là nó truyền đi tức thời không mất một chút thời gian nào (thật vậy, nếu ánh sáng có vận tốc thì nó sẽ mất một khoảng thời gian dù là nhỏ nhất để đi giữa hai địa điểm, có nghĩa là người đứng ở vị trí A sẽ phải nhìn thấy việc nổ súng ở B xảy ra sau việc mình nổ súng).
Quan điểm về sự truyền ánh sáng cùng các tương tác tức thời như của Newton nhận được sự phản đối từ nhiều nhà khoa học. Một số nhà khoa học thời đó đưa ra một khái niệm gọi là "ether" và mô tả nó là môi trường truyền các tương tác trong vũ trụ. Tuy nhiên mô hình này có nhiều mâu thuẫn và không giải quyết được vấn đề tóm lại là ánh sáng và các tương tác truyền tức thời hay là cần có thời gian. Để giải quyết việc này, phải tới đầu thế kỉ 20, người ta mới tìm ra manh mối, khi xem xét lại khái niệm thời gian.
Chuyển động trong thời gian có tính tương đối
Thuyết tương đối hẹp (hay còn gọi một cách chính xác hơn là thuyết tương đối đặc biệt - Special theory of relativity) được Albert Einstein đưa ra vào năm 1905, gồm có hai tiên đề như sau:
1- Các định luật vật lí là như nhau với mọi người quan sát chuyển động trong các hệ qui chiếu quán tính khác nhau.
2- Vận tốc ánh sáng truyền trong chân không là vận tốc lớn nhất tồn tại trong tự nhiên và là một vận tốc tuyệt đối (viết tắt là c)
Một cách đơn giản nhất để thấy được tính tương đối của thời gian khi ánh sáng có vận tốc hữu hạn là hãy hình dung như sau: Giả sử có hai ngôi sao ở cách nhau 2 năm ánh sáng và Trái Đất nằm ở chính giữa chúng, tức là cách mỗi sao 1 năm ánh sáng. Ở một thời điểm nào đó cả hai ngôi sao này cùng phát nổ. Ánh sáng của chúng mất 1 năm để tới Trái Đất và bạn thấy rằng chúng phát nổ cùng lúc. Tuy nhiên, một phi hành gia đang đứng trên một hành tinh cách một sao chỉ nửa năm ánh sáng và cách sao còn lại 1,5 năm thì lại thấy khác. Ánh sáng từ ngôi sao gần hơn chỉ mất 6 tháng để tới với anh ta còn ánh sáng từ sao xa hơn mất những 18 tháng. Như vậy nhà du hành sẽ thấy rằng hai sự kiện xảy ra cách nhau tới 1 năm chứ không còn đồng thời nữa. Rõ ràng, nếu ánh sáng truyền tức thời như quan điểm của Newton thì hai sự kiện đồng thời xảy ra sẽ luôn là đồng thời với mọi người quan sát, nhưng khi vận tốc ánh sáng là hữu hạn thì không như vậy.
Ví dụ trên chỉ là một ví dụ loại đơn giản nhất có thể. Để nắm rõ hơn về chuyển động tương đối theo mô tả của thuyết tương đối hẹp và thuyết tương đối rộng (ra đời sau thuyết tương đối hẹp 10 năm), người đọc có thể tham khảo một bài viết khác của tôi : THUYẾT TƯƠNG ĐỐI VÀ VIỆC KHẮC PHỤC CÁC HẠN CHẾ CỦA CƠ HỌC NEWTON.
--------------
Chuyển động vi mô và cơ học lượng tử
Ở trên chúng ta đã nói tới chuyển động vĩ mô, hay nói dễ hiểu hơn là những chuyển động của các vật thể có kích thước chúng ta có thể trực tiếp quan sát hàng ngày.
Tuy vậy, chúng ta cũng biết rằng vật chất tạo thành thế giới của chúng ta không phải là những khối liên tục như chúng ta có thể cảm nhận bằng các giác quan của mình, mà thực tế được tạo thành bởi những thành phần cực nhỏ mà chúng ta vẫn gọi là các hạt cơ bản (elementary particle). Ngay cả khi một vật thể mà dưới con mắt của chúng ta dường như đứng im (ít ra trong hệ qui chiếu của chúng ta) thì các hạt cơ bản tạo thành nó cũng không ngừng chuyển động. Chuyển động của chúng tạo thành hình dạng và các tính chất của vật chất, cũng tạo thành những tương tác hay còn gọi là các lực. Những chuyển động đó được gọi chung là các chuyển động vi mô.
Vật lý hạt (particle physics), nghiên cứu bản chất của các hạt cơ bản và các chuyển động vi mô này từ lâu đã là một ngành được chú trọng trong khoa học. Từ đầu thế kỉ 20, với sự xuất hiện của thuyết lượng tử do Max Planck đề xướng kéo theo sự ra đời của một lĩnh vực hoàn toàn mới gọi là cơ học lượng tử, thì việc nghiên cứu các chuyển động vi mô càng mở ra nhiều hướng đi mới và khẳng định vai trò không thể thiếu trong khọa học và thậm chí công nghệ, kĩ thuật hiện đại.
Cơ học lượng tử (quantum mechanics) là một lĩnh vực phức tạp với tính định lượng cao, đòi hỏi tính ứng dụng cao nhất của toán học trước đây chưa từng có trong bất cứ lĩnh vực khoa học nào khác của nhân loại. Với phạm vi của một trao đổi ngắn, không chuyên sâu, trong nội dung bài này tôi xin tạm bỏ qua các phương trình toán học phức tạp, hay nói cách khác tạm bỏ qua sự định lượng mà hướng tập trung vào định tính, với mục đích giúp người đọc không học tập/nghiên cứu chuyên sâu về vật lý có thể xác lập một góc nhìn tổng quát và tương đối hoàn chỉnh về những khái niệm hết sức quan trọng trong thế giới quan khoa học của mỗi người: các hạt và các lực cơ bản, thế nào là lượng tử, ...
Để dễ dàng nắm rõ nội dung phần này, người đọc nên tham khảo thêm các bài viết sau của tôi:
---
Lượng tử là gì?
Để cho dễ hiểu, chúng ta tiếp cận khái niệm này như sau. Hãy nhớ lại những ý niệm đầu tiên của chính bạn về thế giới vật chất xung quanh. Bất cứ đứa trẻ nào cũng tin rằng vật chất là liên tục, và người ta có thể phá vỡ chúng ta theo cách người ta muốn, chẳng hạn như tấm vải bạn có thể đặt kéo cắt vào bất cứ điểm nào cũng được, còn nếu không cắt thì nó là một tấm liên tục. Đó là nhận thức cơ bản và nó tỏ ra hợp lý với các quan sát vĩ mô (vĩ mô ở đây tạm hiểu là ở các kích thước đủ lớn để đôi mắt có thể phân biệt một cách rõ ràng).
Khi vật lý khám phá ra rằng vật chất được tạo thành từ các hạt rất nhỏ gọi là nguyên tử, và rồi nguyên tử lại tạo thành từ các hạt neutron, proton và electron, và sau này chúng ta lại biết proton và neutron tạo thành từ các quark, thì khi đó người ta mới chú ý rằng vật chất không phải liên tục. Tấm vải được tạo thành bởi vô số các nguyên tử mà khi bạn dùng kéo cắt là bạn chỉ tách số nguyên tử đó thành hai phần bằng cách phá vỡ lực liên kết giữa chúng, chứ bạn không thể dùng kéo cắt vỡ một nguyên tử và hạt nhân của nó, lại càng không thể cắt đôi được một neutron hay proton.
Đó là với vật chất thông thường. Còn với năng lượng và bức xạ, chẳng hạn như ánh sáng thì trong một thời gian dài sau đó người ta vẫn cứ tin tằng chúng là liên tục như một dòng chảy, chứ không phải được tạo thành bởi tập hợp những thành phần cực nhỏ bên trong. Ở thời điểm đó (trước khi bước vào thé kỉ 20), người ta không tin rằng năng lượng lại có thể được tạo nên bởi các hạt như vật chất.
Quan điểm trên thay đổi khi đầu thế kỉ 20, Max Planck đưa ra thuyết lượng tử. Lượng tử (quantum) là khái niệm chỉ giá trị nhỏ nhất của một đại lượng vật lý bất kì. Một giá trị nào đó được coi là lượng tử có nghĩa là nó đã là nhỏ nhất, không thể chia nhỏ hơn. Lưu ý rằng việc không thể chia nhỏ hơn này là một qui luật tự nhiên, giống như đương nhiên rằng chu vi của đường tròn có giá trị bằng đường kính của nó nhân với số pi, chứ không phải không chia nhỏ hơn vì người ta chưa có cách nào làm được như thế.
Với định nghĩa nêu trên, chúng ta có thể thấy mọi đại lượng vật lý đều có một giá trị lượng tử của nó: độ dài, thời gian, khối lượng, năng lượng ... Các con số lượng tử này đều được suy ra từ hằng số Planck (chúng ta sẽ không nhắc tới giá trị của hằng số này và các diễn giải về nó ở đây vì tạm thời nó con số cụ thể đó không cần thiết ở nội dung này).
Năng lượng cũng có lượng tử, điều đó có nghĩa là nó không liên tục mà được truyền đi thành từng lượng nhỏ gián đoạn. Trong những bài viết trước của mình tôi từng đề cập tới việc bản thân các tương tác (các lực) xảy ra chẳng qua là do chuyển động của các hạt truyền tương tác gọi là các boson. Điều đó có thể cho thấy rằng năng lượng được truyền qua các hạt độc lập thì không thể liên tục như người ta từng tưởng.
Thăng giáng lượng tử
Một lý thuyết quan trọng trong cơ học lượng tử là nguyên lý bất định (uncertainty principle) do Werner Heisenberg đề xuất.
Thường ngày, chúng ta thấy rằng việc xác định cùng lúc vị trí và vận tốc của một vật thể vĩ mô, chẳng hạn như chiếc xe chạy trên đường là việc dường như dễ dàng. Nhưng đối với các chuyển động vi mô thì không như vậy.
Trong quan niệm cũ, khi nghiên cứu các hạt vi mô, nguời ta coi mỗi hạt là một "viên bi" và cho rằng về mặt bản chất, không có gì sai khác giữa một hạt vi mô và một viên bi có thể đặt lên tay ngoài kích thước và năng lượng.
Với một viên bi, người ta có thể dễ dàng xác định cả toạ độ (vị trí) của nó cũng như xung lượng (đơn giản hơn là vận tốc) của nó một cách khá chính xác mà không gặp phải một khó khăn nào cả. Tuy nhiên Heisenberg chỉ ra rằng với các hạt vi mô, mọi việc không đơn giản như thế, tồn tại một giá trị cho sự sai khác về các số đo khi xác định vị trí và xung lượng của hạt. Nếu giả sử hạt chuyển động tịnh tiến trên một trục x nào đó và độ bất định về vị trí của hạt - tức là sai số trong phép đo vị trí của hạt là Δx và độ bất định về xung lượng là Δp thì ta có hệ thức sau:
Δx.Δp ≥ h/4π
Đây chính là biểu thức của nguyên lí bất định Heisenberg. Phương trình này cho thấy nếu như bạn càng cố gắng đo chính xác vị trí của hạt bao nhiêu (Δx càng nhỏ) thì càng thu được kết quả về xung lượng của hạt kém chính xác bấy nhiêu (Δp càng lớn). Và tích 2 độ bất định này có giá trị chính bằng hằng số Plank thu gọn. Một phát biểu khác của nguyên lí bất định là phát biểu về năng lượng và thời gian:
ΔE.Δt ≥ h//4π
Có nghĩa là để đo dược năng lượng của một hạt với độ bất định nhỏ ΔE, bạn nhất thiết phải tốn khoảng thời gian Δt. Muốn đo năng lượng càng chính xác thì thời gian Δt bạn cần càng phải lớn và điều hiển nhiên là phương trình trên cho thấy giới hạn năng lượng bạn được phép đo sẽ có sai số tối thiểu chính bằng giá trị năng lượng lượng tử (không thể bằng không).
Lưu ý rằng đây là một nguyên lý, hoàn toàn không phải vấn đề của phép đo và thiết bị đo.
Sự bất định về năng lượng này làm phát sinh khái niệm thăng giáng lượng tử (quantum fluctuation). Có nghĩa là một lượng tử năng lượng có thể xuất hiện hoặc biến mất trong một khoảng thời gian rất nhỏ nào đó. Nói cách khác, ở giới hạn đó đôi khi định luật bảo toàn năng lượng bị vi phạm nhưng chỉ với một lượng rất nhỏ và trong thời gian rất ngắn.
Mặc dù rất nhỏ, nhưng thăng giáng lượng tử rất quan trọng trong quá trình hình thành vũ trụ, từ sự khai sinh vũ trụ trong vụ nổ Big Bang cho tới việc tạo thành các dạng vật chất đầu tiên. Vũ trụ của chúng ta đã ra đời rất có thể chỉ bởi một thăng giáng rất nhỏ nào đó.
Cơ học lượng tử và vật lý hạt ngày nay là mũi nhọn hàng đàu trong vật lý hiện đại, các kết quả của chúng được sử dụng phục vụ trực tiếp cho việc nghiên cứu vũ trụ. Vì vậy, để hiểu được về bản chất của vũ trụ, việc nắm được những nguyên lý cơ bản của nó và tính chất của các chuyển động vi mô là không thể bỏ qua.
Đặng Vũ Tuấn Sơn
Bài viết dựa trên tài liệu do cùng tác giả thực hiện năm 2013, được tóm lược và đính chính thêm vào tháng 3 năm 2018.
Vui lòng ghi rõ tên tác giả và nguồn trích dẫn Thienvanvietnam.org khi sử dụng bài viết này.
