MỘT NĂM VĨ ĐẠI
Chính năm 1919 là năm đánh dấu sự khẳng định vững chắc đối với lý thuyết tương đối và tác giả của nó được xem như một Copernic mới, hay một Newton mới. Thật ra thì nền tảng của bức tranh mới về Vũ Trụ đã được ông vẽ ra sớm hơn rất nhiều, từ năm 1905 lúc nhà bác học mới 26 tuổi. ''Hãy tha thứ cho tôi, Newton!''. Đó là câu ông viết trong lời nói đầu một bản tự thuật ngắn.
Tất cả những nhà viết tiểu sử về ông và các tác giả viết về thành tựu khoa học của ông (cho đến năm 1959, kỷ niệm 80 năm ngày sinh Einstein, số công trình ''Einstein học'' đã lên tới 5000 cuốn sách tạp chí và bài báo...) đều ghi nhận năm 1905 là năm thắng lợi chưa từng có trong lịch sử phát triển môn vật lý nói riêng và tư duy khoa học nói chung.
Trong năm ấy, tạp chí Đức ''Annalen der Physik'' (Biên niên vật lý học) công bố liên tiếp 5 công trình chuyên đề của một nhà lý thuyết chưa ai biết đến tên tuổi ở thành phố Bern, giám định viên loại II ở Cục sáng chế có tên là Albert Einstein. Những công trình không được đánh giá đầy đủ, kịp thời ấy thực ra có ý nghĩa thời đại. Từ đây bắt đầu một cuộc cách mạng lý thuyết tương đối và tiếp đó cuộc cách mạng lượng tử kéo dài mãi về sau.
Công trình đầu tiên trong 5 công trình của tác giả trẻ tuổi chính là luận án tiến sĩ của ông: ''Phương pháp mới xác định độ lớn của các phân tử”.
Bản luận án gửi người phản biện ở trường đại học Zurich chỉ gói gọn trong 21 trang! Người phản biện đang cảm thấy quá ngắn nhưng chỉ cần vẻn vẹn một câu bổ sung của Einstein, luận án đã được phép bảo vệ trước hội đồng.
Công trình thứ hai gửi đến ''Biên niên vật lý học'' còn sớm hơn từ ngày 17- 3, nhưng mãi tới tháng 7 mới xuất bản với tiêu đề khá rườm rà (về một quan điểm tư duy sáng tạo đối với quá trình hình thành và chuyển hoá ánh sáng''), lẽ ra chỉ cần thay bằng mấy chữ ''lý thuyết lượng tử về ánh sáng''. Trong thư gửi một người bạn thân, Einstein đã gọi ông trình này là ''hoàn toàn cách nạng'' song lúc đầu không phải tất cả đồng nghiệp trong giới khoa học đã nghĩ như vậy. Phải mất 17 năm, hội đồng giải thưởng Nobel mới đánh giá được tính cách mạng của công trình ấy. Như đã công bố hình thức, Einstein nhận giải thưởng Nobel năm 1921 vì “đã có cống hiến lớn lao trong vật lý lý thuyết, đặc biệt trong việc phát hiện định luật về hiệu ứng quang điện”. Thực ra ông được tặng thưởng do phát kiến lý thuyết tương đối. Có thể nói không hề sai rằng Einstein đáng đoạt giải hai lần: một cho thuyết tương đối hẹp, một cho thuyết tương đối tổng quát. Thế nhưng hội đồng xét thưởng lại quyết định khác đi và chỉ có một giải thưởng ''lượng tử'' duy nhất cho ông. Rõ ràng đây là một trong những bất công điển hình trong lịch sử khoa học.
Điểm chủ yếu thể hiện tính cách mạng của lý thuyết lượng tử là đặc tính hai mặt của ánh sáng: một mặt nó là một chùm sóng điện từ, mặt khác nó là một chùm hạt (photon), những lượng tử mang năng lượng điện từ. Bằng con đường ấy, Einstein là người đầu tiên đã
đưa vào bức tranh tự nhiên hình ảnh đầy nghịch lý sóng - hạt nói một cách hình ảnh là ''những nhân sư tí hon'' hoàn toàn xa lạ với vật lý kinh điển (nhân sư theo thần thoại Hi Lạp là những quái vật đầu người mình sư tử). Ông thừa nhận suýt phát điên khi nghĩ xem thế nào là lượng tử. Trong một bức thư cuối đời ông viết: ''Ngày nay, mỗi sinh viên bảo rằng đã hiểu được điều đó thì họ quả là sai lầm''.
Công trình thứ ba được gửi đến “Biên niên vật lý học” ngày 11 tháng tháng 5 năm 1905 và công bố sau đó 2 tháng. Tiêu đề cũng khá dài: “Về chuyển động của những hạt lơ lửng trong chất lỏng tĩnh liên quan đến lý thuyết nhiệt của động học phân tử” có thể rút ngắn thành lý thuyết chuyển động Brown''. Đây là một trường hợp hãn hữu nếu như không nói là duy nhất trong lịch sử khoa học tự nhiên: khi tạo dựng lý thuyết của mình, chính Einstein cũng không biết rằng ông đã tiên đoán và giải thích một hiện tượng đã được quan sát từ lâu nhưng chưa được các nhà vật lý hiểu rõ. Chỉ về sau ông mới được biết qua một người bạn uyên bác, một kỹ sư người Ý là Mikenlangielo Besso rằng tên gọi hiện tượng đó lần đầu (do một người Scotland là Robert Brown nêu lên từ năm 1827) là ''chuyển động lộn xộn theo hình chữ chi (dích dắc) của các phần tử tế vi lơ lửng trong chất lỏng''. Nghiên cứu chuyển động Brown đã giúp Einstein nêu lên cách giải thích không thể nào bác bỏ được về chuyển động nhiệt của nguyên tử và phân tử của một môi trường bất kỳ cũng như lý thuyết nguyên tử nói chung.
Công trình thứ tư đến toà soạn ''Biên niên vật lý học'' ngày 30 tháng 6, và được đăng ngày 26 tháng 9 với tên gọi khiêm tốn ''Tiếp cận nhiệt động học các vật thể chuyển động'', có đến 30 trang nói về lý thuyết tương đối hẹp (hay ''đặc biệt'' như cách gọi về sau). Carl Selig hỏi Einstein: ''Có thể nói chính xác ngày sinh của lý thuyết tương đối được không?'' Và câu trả lời là ''từ lúc hình thành ý tưởng đến lúc viết trang cuối cùng bài báo nổi tiếng vào khoảng 5 – 6 tuần''. Đã mấy khi các ý tưởng vĩ đại lại hình thành mau chóng như vậy!
Chính Einstein khẳng định lý thuyết của ông ra đời một cách tự nhiên trong quá trình phát triển môn vật lý và ''đến 1905 phát kiến đã hoàn thành''. Einstein đã nói với James Franck (1882 - 1964), nhà vật lý Đức cũng được giải thưởng Nobel: ''Thỉnh thoảng tôi lại tự hỏi: Làm sao tôi lại tạo ra thuyết tương đối? Và theo tôi nguyên nhân tiềm ẩn như sau: một con người bình thường ở tuổi trưởng thành gần như chẳng khi nào suy nghĩ tới vấn đề không gian - thời gian. Con người đó cho rằng vấn đề này đã được lĩnh hội ngay từ thời niên thiếu. Với tôi lại khác. Trí tuệ tôi phát triển chậm đến nỗi chỉ đến khi trưởng thành mới bắt đầu suy ngẫm về không gian và thời gian. Cho nên điều dễ hiểu là tôi đã đi vào vấn đề sâu hơn những người khác, những người phát triển bình thường ngay từ thuở ấu thơ”.
Từ năm 16 tuổi, chàng trai Albert đã đặt ra câu hỏi: có thể đuổi kịp ánh sáng không? Có thể đây đã tiềm ẩn một chổi non để hình thành lý thuyết tương đối Einstein sau này. Đuổi kịp có nghĩa là phải bay cùng tia sáng nào cũng ở một chỗ của tia sáng (ví dụ như cùng với chỗ lồi hoặc chỗ lõm của sóng điện từ). Tuy nhiên, trong trường hợp ấy người quan sát không còn nhìn thấy sóng và sóng đối với ông ta đã biến mất. Nói cách khác, đối với bất cứ thứ gì có thể chuyển động với vận tốc ánh sáng thì ánh sáng sẽ không còn nữa, mặc dù thực tế ánh sáng không mất đi đâu cả.
Con đường thoát ra khỏi nghịch lý ấy là: cần phải nhận thức rằng chỉ có ánh sáng chuyển động với vận tốc của ánh sáng mà thôi. Đuổi kịp và vượt lên ánh sáng là điều không thể thực hiện được. Vận tốc áng sáng là vận tốc cao nhất trong mọi khả năng của vật lý. Điều này không thể phù hợp với vật lý kinh điển vì như thế sẽ xuất hiện nhiều điều kỳ lạ. Điều kỳ lạ chính là: vận tốc giới hạn chỉ có thể có một, nghĩa là bất cứ người quan sát nào đo vận tốc ánh sáng đều phải thu được một đại lượng giống nhau 300.000 km/giây. Nhưng nếu người quan sát cũng chuyển động thì vận tốc sẽ ra sao? Phải chăng khi thì cộng thêm, lúc thì trừ đi? Không phải như thế! Điều kỳ lạ của phát hiện này là ở chỗ vận tốc ánh sáng luôn luôn cố định. Chỉ riêng người quan sát đang chuyển động thì những kilômét không gian và những giây thời gian là khác đi (có thể “dài ra'' hoặc ''ngắn lại''), còn vận tốc với cách hiểu là tỷ số giữa đoạn đường đã đi và thời gian trôi qua thì không thay đổi.
Em gái của Einstein, bà Maia kể rằng ở Trường Đại học tổng hợp Zurich người ta đã bác bỏ bản thảo thuyết tương đối được nhà khoa học trẻ trình lên làm luận án, vì ''thấy trong công trình của anh ấy thái độ cực kỳ thiếu tôn trọng đối với các bậc uy tín''. Thực ra Einstein không tôn trọng uy tín ảo của ''tư duy lành mạnh'' đối với lôgic thông thường bởi vì chân lý đối với ông quan trọng hơn cả.
Công trình thứ năm ra đời cũng vào năm 1905 ngắn hơn cả: chỉ có ba trang đăng trong ''Biên niên vật lý học” số ra tháng 9 với nhan đề: “Quán tính có có phụ thuộc vào năng lượng chứa đựng bên trong vật thể hay không''. Câu trả lời (thật bất ngờ đối với thời bấy giờ) là có. Chính ở điểm này đã ra đời công thức nổi tiếng:
E = mc2
Công thúc này đã đưa môn vật lý từ lĩnh vực khoa học tự nhiên sang khoảng không bao la của lịch sử. Tổ hợp ba đại lượng - năng lượng, khối lượng và vận tốc có vẻ như đã quyết định số phận loài người. Chính tổ hợp ấy là cơ sở của năng lượng nguyên tử với những khả năng ứng dụng ích lợi và khủng khiếp. Einstein gọi công thức đó là hệ qủa quan trọng nhất của thuyết tương đối.
