Nội dung

ĐIỆN ĐỘNG LỰC HỌC TƯƠNG ĐỐI

Trong quá trình phát triển vật lý học, các nhà nghiên cứu nhận biết ngày càng nhiều dạng tương tác, nhưng quy đến cùng chúng được quy về 4 loại: lực hấp dẫn, tương tác điện từ, tương tác mạnh và tương tác yếu. Ta sẽ chỉ đề cập đến tương tác điện từ những lực khác sẽ xem xét ở các chương sau.

Các công trình của các nhà bác học hàng đầu: Fresnel, Faraday, Maxwell, Hertz, Lorentz và rất nhiều người nữa đã tạo ra một lý thuyết điện từ thống nhất, gồm cả quang học. Hệ thống phương trình điện động lưc học chứa đựng hai kiểu. Hình thức thứ nhất là các phương trình vi phân đạo hàm riêng: các phương trình Maxwell. Ở vế trái là tốc độ biến thiên cường độ điện trường và từ trường theo thời gian và trong không gian, còn ở vế phải là mật độ và tốc độ chuyển động cửa các điện tích. Hình thức thứ hai, là các phương trình vi phân thường, ở đó các vế trái là tốc độ biến thiên xung lượng của hạt tích điện, còn ở vế phải là lực Lorentz, tức là lực tác dụng lên điện tích từ phía các trường điện và từ. Hệ thống phương trình điện động lực học cho phép tính toán đầy đủ sự chuyển động các điện tích và cấu hình các trường trong quá trình tương tác.

Nhưng ở đây không phải mọi thứ đều làm nhà vật lý yên lòng. Lý thuyết dựa trên hệ giả thuyết coi sóng điện từ là dao động của ête, mà đó lại là cái không một nhà thực nghiệm nào quan sát thấy. Nó phải được mô tả lại bằng một ngôn ngữ mới, không cần đến ête. Trong vật lý cổ điển các phương trình chuyển động của hạt phải tuân theo nguyên lý tưởng đối Galilei và cũng thế các phương trình Maxwell đáng lẽ ngay từ đầu đã phù hợp với nguyên lý tương đối Poincaré Einstein, dù chính Maxwell không từng nghĩ ngợi gì về điều ấy(!). Lối thoát đã do Lorentz, Poincaré và Einstein tìm ra.

Mọi thành tựu của điện động lực học thế kỷ XIX vẫn được giữ nguyên không động chạm trừ một điều duy nhất cần được ''để ý'' khi sử dụng, đó là cách tính lại các đại lượng vật lý khi chuyển từ hệ quy chiếu quán tính này sang hệ khác.

Như luôn luôn và đã thường xảy ra trong vật lý, sự đụng độ giữa các luồng tư tưởng không dẫn tới tình trạng hỗn loạn, mà ngược lại, làm giàu thêm cho bức tranh thế giới. Kết quả đụng độ của cơ học Newtton và điện động lục học Maxwell đã cho ra đời một lý thuyết tuyệt đẹp, cho phép nhìn nhận các khái niệm đời thường về không gian và thời gian theo một cách mới. Thiên nhiên không đặt ra những bài toán không thể giải được, đó là bài học của 100 năm cuối của vật lý học! Trí lực con người đến nay là đủ sức để hiểu biết thiên nhiên cái mà ta đã từng biết, đang tìm hiểu và sẽ nhận biết thêm. Như lời Einstein đã nói: ''Thiên nhiên thật ranh mãnh, nhưng không ác ý''.

TACHYON VÀ CÁC HẠT KÌ DỊ KHÁC

Thuyết tương đối xuất hiện làm người ta hiểu ra rằng cùng với các hạt có khối lượng dương, còn có thể tồn tại cả các hạt kiểu khác có khối lượng không. Đó là photon graviton (đến nay còn chưa quan sát thấy), cũng có thể có ba loại nơtrinô. Nhưng như thế vẫn còn chưa hết.

Chúng ta xem xét vấn đề này từ một quan điểm tổng quát hơn. Ta biết rằng khoảng giữa hai biến cố là bất biến không thay đổi, nếu trong hệ quy chiếu quán tính ta chỉ di chuyển gốc toạ độ, quay các trục không gian và chuyển tới hệ quy chiếu quán tính khác. Tập hợp tất cả các phép biến đổi ấy gọi là nhóm Poincaré. Theo ngôn ngữ toán học thì khoảng là một bất biến của Poincaré. Từ quan điểm không thời gian bốn chiều thì chỉ các 4 vô hướng (khoảng, khối lượng), 4 vectơ (vận tốc, xung lượng)... là có ý nghĩa vật lý mà thôi.

Còn theo các khái niệm phi tương đối tính thông thường thì cả năng lượng E, 3 xung  lượng , 3 vận tốc ,… đều mất đi ý nghĩa vật lý độc lập. Từ các thành phần của 4 véctơ năng - xung lượng (E/c,) có thể thiết lập một tổ hợp tương tự như khoảng, cũng sẽ là bất biến (4 vô hướng)

Nhờ các công thức (2) và (3) đã đưa ra trong phần ''Vật lý học tương đối tính'', dễ dàng   tính ra giá trị của P:

Đối với các hạt thông thường thì P  0. Nhưng có thể hình dung cả các hạt mà bất  biến P0. Nếu thư tính dương của thừa số c² là rõ rồi, thì lại chẳng có một định luật tương đối tính nào cấm ta đưa ra điều giả thuyết là có tồn tại các hạt với m² < 0, tức các hạt có khối lượng ảo. Người ta gọi các đối tượng giả định ấy là các tachyon (tiếng Hy Lạp ''tachys'' có nghĩa là ''nhanh'') và chúng phải chuyển động với vận tốc v vượt quá tốc độ ánh sáng c. Nếu v>c trong một hệ quy chiếu quán tính này, thì v' > c cả trong hệ quy chiếu khác; cũng có cả các hệ quy chiếu ở đó vận tốc tachyon là vô hạn. Hoàn toàn có thể chấp thuận điều đó, miễn là các tachyon giả định kia không mâu thuẫn nguyên lý nhân quả. Nói cách khác, khi tachyon được sinh ra ở một vị trí nào đó theo một hệ quy chiếu nào đó, và sau một khoảng thời gian nào đó nó bị hấp thụ mất ở một vị trí khác, thì phải tìm được dù một hệ quy chiếu thế nào đó để ở đó tachyon còn chưa sinh ra đã bị hấp thụ rồi sau đó mới được sinh ra. Lý trí con người không thể không phủ nhận điều đó và chính các thực nghiệm vật lý đều minh chứng là không thể có điều đó. Song nhà vật lý lý thuyết Nga Yakov Petrovich Terletsky (1912 - 1993) lại nêu giả thuyết rằng tachyon tuy không bộc lộ ở các quá trình vĩ mô thông thường, vẫn hoàn toàn có khả năng đóng góp vai trò trong các quá trình vi mô dù rằng tạm thời chưa từng thấy một bằng chứng nào. (Hơn nữa các đường thế giới của tachyon đáng lẽ phải nổi các sự kiện được ngăn cách bằng các khoảng kiểu không gian).

Bây giờ ta hình dung một tình huống khác. Vũ trụ gồm chứa đồng thời hai kiểu thế giới song hành: một cái gồm các hạt thông thường, còn các kia gồm các tachyon. Theo nguyên lý nhân quả thì không thể truyền bất cứ thông tin nào lại càng không thể truyền vật chất nào từ thế giới này sang thế giới kia. Chúng ta sẽ chẳng bao giờ biết được gì về các con người tachyon, cũng như họ chẳng thể biết gì về chúng ta hết.

Lại có cả những phương án kỳ quái khác. Chẳng hạn có thể hình dung các hạt có khối lượng âm. Các hạt có khối lượng mang dấu ngược nhau khi tương tác sẽ bay về cùng một phía! Tất nhiên điều ấy chưa từng bao giờ quan sát được; song bỗng lại xảy ra ở đâu đó thì sao? Chính nhiệt động lực học cung cấp cho ta câu trả lời giản dị nhất. Giả thử có tồn tại dù là khi đó nhờ các quá trình nhiệt động lực học, hạt như thế sẽ mau chóng tiêu hao hết toàn thể năng lượng của vũ trụ, và sẽ chẳng thể có Trái Đất, chẳng có Mặt Trời, chẳng có gì hết ngoài chính các hạt đó. Và đây là một cách trả lời khác nữa cho câu hỏi ''Cái gì đã tồn tại khi chưa từng có gì cả?'' hoặc giả một kịch bản khả dĩ về sự cố trước vụ nổ lớn (Big Bang) chăng? (xem chi tiết hơn ở phần ''Vấn đề phổ quát: tiến hóa của vũ trụ”).