Đây là một thắc mắc của độc giả (và tôi nghĩ cũng của nhiều người khác khi đọc một số tài liệu vật lý) xuất phát từ hệ thức nổi tiếng E = mc². Theo hệ thức này (một dự đoán suy ra từ thuyết tương đối hẹp của Albert Einstein) thì năng lượng và khối lượng của một hạt (hay rộng ra có thể tính cả cho những vật thể vĩ mô) tỷ lệ với nhau và liên hệ với nhau bởi vận tốc ánh sáng.
Nhiều người thắc mắc rằng photon - hạt truyền tương tác điện từ, cũng chính là thứ tạo nên ánh sáng mà chúng ta nhìn thấy - không có khối lượng, vậy thì nếu áp dụng vào công thức trên, nó phải có năng lượng bằng 0 mới đúng. Nhưng không có năng lượng thì cái gì làm nó chuyển động và gây ra các hiệu ứng? Để giải đáp câu hỏi này, chúng ta cần hiểu sâu vào bản chất của mọi việc thay vì nhìn vào bề ngoài của nó hoặc dựa trên những tài liệu phổ biến đại chúng đã vô tình làm sai lệch sự thật khi cố gắng đơn giản hóa tối đa mọi việc.
CÔNG THỨC ĐẦY ĐỦ
Trên thực tế, E = mc² không phải công thức đầy đủ được dự đoán từ thuyết tương đối hẹp. Công thức đầy đủ là:
E² = (pc)² + (mc²)²
Trong đó, ngoài những ký hiệu bạn đã quen thuộc ở công thức đơn giản, thì có một tham số nữa là p. Đó là động lượng của hạt - nói dễ hiểu, là năng lượng liên quan tới chuyển động của nó. Như vậy, bạn thấy rằng, nếu xét một hạt không chuyển động (tất nhiên, chỉ là tương đối) thì động lượng của nó là 0, và như vậy công thức trên được dễ dàng rút gọn thành công thức quen thuộc bạn đã biết.
Nói một cách tổng quát, E = mc² là công thức cho biết năng lượng "chứa" trong khối lượng của một hạt (hoặc vật thể) khi nó đứng yên, hay nói cách khác là năng lượng nghỉ và khối lượng nghỉ, viết chính xác hơn là E₀ = m₀c².
Với một hạt (hoặc vật thể) có chuyển động, năng lượng tổng của nó bao gồm năng lượng nghỉ cộng với động lượng. Năng lượng tổng này trong thuyết tương đối được gọi là năng lượng tương đối tính.
Albert Einstein (1879 - 1955).
HIỂU ĐÚNG VỀ LIÊN HỆ KHỐI LƯỢNG - NĂNG LƯỢNG
Công thức nổi tiếng nêu trên thường được hiểu sai theo hướng một vật thể càng nặng thì càng có nhiều năng lượng để sử dụng. Thực tế không như vậy, một người nặng 70 kg không thể phát ra năng lượng nhiều hơn người nặng 60 kg một lượng nhiều tới mức lấy 10 kg đó nhân với bình phương của vận tốc ánh sáng được - đó là một năng lượng đủ lớn để đánh sập cả một thành phố. Cái mà công thức hàm ý ở đây là năng lượng và khối lượng vốn là như nhau, mà chỉ biểu hiện dưới dạng khác nhau. Khối lượng là một dạng cô đặc của năng lượng, giống như điện tích là những cái nút nơi cô đặc năng lượng của trường điện từ. Trong những điều kiện năng lượng cao như ở những phản ứng phân hạch, nhiệt hạch, hoặc trong các máy gia tốc hạt, việc chuyển hóa trực tiếp từ khối lượng thành năng lượng và ngược lại mới xảy ra rõ rệt (nhưng chúng ta sẽ không nói quá kỹ về những phản ứng đó trong bài ngắn này).
Hiểu cơ bản về điều này, bạn có thể thấy một cách đủ dễ hiểu rằng năng lượng mà bạn sử dụng hàng ngày để vận động, để cho xe của bạn chạy trên đường, cũng như năng lượng cho phép photon gây ra các hiệu ứng chẳng liên quan gì tới khối lượng nghỉ mà bạn hay những thứ đó nắm giữ.
NĂNG LƯỢNG VÀ KHỐI LƯỢNG CỦA PHOTON
Để làm rõ thêm chút nữa, cần nhấn mạnh rằng khối lượng của photon mà chúng ra nói rằng có giá trị bằng 0 là "khối lượng nghỉ" của nó. Tất nhiên, nó không bao giờ "nghỉ", vì thuyết tương đối chỉ ra rằng mọi thứ không khối lượng đều buộc phải chuyển động với vận tốc ánh sáng (tới nay, chính xác thì đã có hai hạt được xác nhận điều này là photon và gluon). Không ai đo được khối lượng của photon cả vì nó đâu có nằm im để làm điều đó, vì thế mọi kết luận đều là gián tiếp dựa trên lý thuyết và các quan sát liên quan tới những tương tác của nó.
Nhưng như trên đã nói, khi chuyển động, photon có động lượng. Động lượng này phụ thuộc vào tần số của nó, như công thức cơ bản của cơ học lượng tử: E = hf (với h là hằng số Planck và f là tần số của photon).
Ở một số tài liệu, bạn cũng có thể thấy ai đó nói rằng photon không có khối lượng nghỉ nhưng khi chuyển động thì nó có khối lượng. Trên thực tế, cũng không ai đo được khối lượng của vật chuyển động cả. Khối lượng khi chuyển động đó được gọi là "khối lượng tương đối tính", và phần khối lượng phát sinh đó có thể được hiểu là việc coi năng lượng (động năng) và khối lượng là tương đương với nhau, không có nghĩa là một vật bỗng nhiên "nặng thêm" vì nó chuyển động theo cách hiểu thông thường về nặng/nhẹ.
Trên đây là một giải thích ngắn mà tôi hi vọng có thể cung cấp cho độc giả một số kiến thức rõ nét hơn về đề tài được nhiều người quan tâm và còn nhiều hiểu nhầm. Độc giả có thể đọc cơ bản về vận tốc ánh sáng trong bài "Vận tốc ánh sáng và vai trò của nó", cũng như tham khảo chi tiết hơn trong cuốn sách hoàn thiện của tôi: Xa hơn Mây Oort, tới ranh giới của không gian và thời gian (đã xuất bản dưới dạng sách giấy và ebook).
(Bài từ Facebook page của tác giả, tháng 12 năm 2023).
