PHÁT HIỆN KHÔNG GIAN VÀ THỜI GIAN
Vấn đề chân không (không gian trống rỗng) là vấn đề then chốt để xây dựng vật lý học như một khoa học. Aristotle đã chứng minh một cách không thề bác bỏ bằng lôgic là chân không không thể tồn tại. Vả lại hoàn toàn không thể hiểu được bằng cách nào mà các tác động có thể truyền đi được qua chân không, tức là qua hư vô. Tuy nhiên sự thật lại đứng về phía Galilei. Vì sự toàn thắng của thuyết nhật tâm (coi Mặt Trời là trung tâm Vũ Trụ) mà ông buộc phải giả định rằng chân không là có thật và sau này điều giả định đó đã được chứng minh bằng thực nghiệm.
Descartes đã cố tìm ra sự thoả hiệp giữa hai cách tiếp cận khi đề xuất ý tưởng về một không gian tràn đầy các dòng xoáy của ête và những dòng xoáy này tạo nên chuyển động của các thiên thể trong hệ Mặt Trời và truyền tải những tác động khác. Tuy vậy, lý thuyết Descartes vấp phải vấn đề nan giải là cùng với sự tiêu tán của các dòng xoáy thì chuyển động nào rồi cũng sẽ phải chấm dứt. Vấn đề không gian và thời gian lần đầu tiên được giải quyết một cách khá thoả đáng trong các công trình của Isaac Newton (1643 - 1727), nhà bác học vĩ đại người Anh. Ông đã sáng tạo bức tranh khoa học đầu tiên - bức tranh cơ học - của thế giới, mà trong đó khái niệm không gian và thời gian có vai trò trọng yếu. Lý thuyết chuyển động cơ học của Newton là lý thuyết hợp nhất đầu tiên trong lịch sử vật lý, trong đó các chuyển động ''trên Trời'' (thượng giới) và ''dưới Đất'' (hạ giới) đã được thống nhất trong một lý thuyết cơ học phổ quát của mọi vật thể. Sự hợp nhất ấy đã thành động lực thúc đẩy vật lý phát triển trong suốt thời kì sau Newton, trong đó không hiếm khi cơ sở của việc hợp nhất lại chính là sự mở rộng các khái niệm không gian và thời gian. Chẳng hạn trong lý thuyết của James Clerk Maxwell, đã thống nhất các hiện tượng điện và từ thành công đó đã trở nên dễ hiểu sau khi Einstein xây dựng lý thuyết tương đối với sự hợp nhất không gian và thời gian.
Newton phân biệt không gian và thời gian tương đối và tuyệt đối các chuyển động tương đối và tuyệt đối. Không gian và thời gian tuyệt đối là thực thể khách quan không phụ thuộc vào sự quan sát và sự chuyển động của các đối tượng vật chất. Không gian và thời gian tương đối thì là những phạm trù mang tính kinh nghiệm, chúng được cảm nhận bằng giác quan, được sử dụng trong cuộc sống hàng ngày với mỗi khi tiến hành quan sát. Nhiệm vụ của triết học tự nhiên (tên gọi của vật lý học thời Newton) chính là ở chỗ phải nhận chân được những chuyển động tuyệt đối, đích thực và nghiên cứu các quy luật của chúng.
Một mặt không gian và thời gian là nơi chứa đựng và diễn ra toàn bộ các quá trình và hiện tượng vật lý - đó là không gian và thời gian tuyệt đối. Nhưng mặt khác bản thân không gian và thời gian với ý nghĩa là tập hợp những vị trí và thời điểm cụ thể sẽ được khu biệt (trở nên khác nhau) nhờ có các quá trình cơ học - đó là không gian và thời gian tương đối.
Sự tồn tại của không gian tuyệt đối cũng như sự khác nhau giữa chuyển động tuyệt đối (đích thực) và chuyển động tương đối đã được Newton chứng minh qua thí nghiệm với cái xô quay. Cái xô đầy nước được treo vào sợi dây thừng xoắn chặt, sau đó buông ra. Lúc đầu xô quay nhanh nhưng mặt nước vẫn còn phẳng, tức là nước bất động so với không gian tuyệt đối. Sau đó khi toàn bộ khối nước bị cuốn đi bởi thành xô thì nước không còn chuyển động tương đối với thành xô nữa, tuy nhiên độ cong của mặt nước cho thấy rằng chuyển động tuyệt đối của nước lúc này là cực đại và qua đó nó chứng tỏ sự tồn tại của không gian tuyệt đối. Cần nhận rõ một điều quan trọng ở đây là nếu như không gian tuyệt đối luôn luôn thuần nhất và đẳng hướng (tính thuần nhất, hay đồng nhất, là sự giống nhau về tính chất không gian tại mọi điểm, còn tính đẳng hướng là sự giống nhau theo mọi hướng) thì không gian tương đối trong chuyển động quay của hệ đã không còn thuần nhất và đẳng hướng nữa: các điểm của hệ nằm cách xa tâm quay sẽ chịu gia tốc li tâm lớn hơn so với các điểm ở gần tâm. Như vậy là trong cơ học Newton gia tốc mang đặc tính tuyệt đối.
Quan niệm không gian và thời gian là tuyệt đối không phụ thuộc vào các quá trình thực tại, là một quan niệm siêu hình. Không phải ngẫu nhiên mà Newton đã gắn không gian tuyệt đối với Thượng đế. Theo Newton, Thượng đế hiện hữu trong không gian phi vật thể và ở cả những nơi có vật thể. Không gian của Newton rất giống với khái niệm khoảng rỗng của những nhà nguyên tử luận thời cổ đại. Tuy nhiên vẫn có điểm khác biệt căn bản: do chỗ không gian Newton không phải là chân không thuần khiết, mà là một thực tại, thể hiện mình trong các hệ quy chiếu không quán tính cho nên các tác động vật lý cũng có thể truyền qua nó. Mọi chuyển động đều được xem xét trong không gian tuyệt đối cố định và bất biến. Ở Newton thì không gian này được thể hiện dưới dạng một hệ quy chiếu tuyệt đối. Các tính chất hình học của không gian tuyệt đối hoàn toàn trùng hợp với tính chất của không gian Euclid: thuần nhất, đẳng hướng, ba chiều, vô hạn, có độ cong bằng không và là không gian metric: dl2 = dx2 + dy2 + dz2 với x, y, z, là các tọa độ Descartes của các điểm của không gian.
Metric này bất biến đối với các phép biến đổi (chuyển động) khả dĩ của không gian: trong đó có dịch chuyển tịnh tiến (song song) và chuyển động quay và hoàn toàn xác định các tính chất hình học của không gian.
Tương tự như vậy thực chất của thời gian được Newton lý giải như sau: thời gian tuyệt đối là dòng chảy độ lâu thuần tuý không phụ thuộc vào chuyển động của vật thể. Dòng chảy này là bất tận, thuần nhất, liên tục, một chiều luôn hướng về một phía về tương lai, được xác định bằng một tham số t (
). Tính thuần nhất (hoà đồng nhất) của thời gian có nghĩa là tất cả các định luật chuyển động không thay đổi theo thời gian. Thời gian trôi đi như nhau ở mọi điểm của không gian tuyệt đối và trong tất cả các hệ quy chiếu khả dĩ thành thử khoảng thời gian giữa hai biến cố bất kì gần nhau là bất biến đối với các phép biến đổi hệ quy chiếu: dt = const. Từ đó suy ra tính tuyệt đối của của sự đồng thời trong cơ học Newton: Nếu hai biến cố diễn ra đồng thời trong một hệ quy chiếu tức là dt = 0, thì chúng cũng sẽ đồng thời trong bất cứ hệ quy chiếu nào khác. Vậy là trong lý thuyết không - thời gian của Newton tồn tại hai đại lượng bất biến:
1. Metric của không gian tuyệt đối dl2 = const
2. Khoảng thời gian dt = const.
Đó là sự diễn tả bằng toán học của tính tuyệt đối của không gian và thời gian, là điển hình của ''cách tiếp cận thực thể'' đối với không gian - thời gian như một phạm trù vật lý học độc lập như cái chứa đựng mọi thứ, mọi quá trình hiện hữu.
Đối lập với Newton còn có cách tiếp cận khác, ''cách tiếp cận quan hệ'' do Leibniz, người đồng thời của Newton, và sau này được Mach bảo vệ, Leibniz quan niệm không gian là một hình thức quan hệ giữa các đối tượng vật chất: ''Tôi khẳng định rằng nếu không có vật chất thì cũng không tồn tại không gian. Không gian tự thân không phải một tồn tại tuyệt đối… Không gian là một trật tự khiến cho việc sắp đặt các vật thể trở nên khả thi trong trường hợp chúng cùng tồn tại''.
Trong vật lý hiện đại quan niệm thực thể về không gian đang chiếm ưu thế. Đỉnh cao là lý thuyết tương đối tổng quát của Einstein, trong đó các quá trình vật chất chỉ là thứ ''gợn lăn tăn” trên bề mặt không - thời gian.
Các lý thuyết thống nhất tương tác hiện đại đều coi không - thời gian mới là thực thể nền móng của thế giới chứ không phải là vật chất. Nhưng quan niệm quan hệ về không thời gian vẫn tiếp tục tồn tại trong thế kỉ XX, được những nhà vật lý lý thuyết nổi tiếng như Ya.Frenkel (Liên Xô cũ) và K. Feynman (Mĩ) bênh vực.
THÍ NGHIỆM CỦA NEWTON VỚI XÔ NƯỚC
Nếu đầu dưới một dây thừng (đầu kia cố định) ta treo một cái xô và xoắn thừng thật chặt, đổ nước đầy xô rồi quay cho dây tự nhả xoắn ra, thì cả xô nước sẽ bị quay khá lâu quanh trục sợi dây thừng. Lúc đầu mặt nước trong xô còn phẳng như trước khi quay, nhưng rồi nước dần dần tham gia vào chuyển động quay. Một phần nước rời khỏi chỗ giữa ô, để lại một mặt lõm. Khi chuyển động quay càng mạnh thì mức nước mặt lõm giữa xô càng thấp xuống so với ở sát thành xô. Cho đến một lúc thì hệ ổn định, nước hoàn toàn đứng yên tương đối so với xô.
Theo độ dâng nước có thể nhận biết được là đo được chuyển động quay tuyệt đối và đích thực của nước, mà chuyển động này, như đã thấy, về mọi mặt là hoàn toàn đối lập với chuyển động tương đối....
Ban đầu khi chuyển động tương đối [so với xô] của nước trong xô là lớn nhất, nó hoàn không gây ra sự dồn nước rời xa trục quay; nước không dâng lên ở thành xô, mà bề mặt nước bằng phẳng và chuyển động quay đích thực của nước còn chưa bắt đầu.
Sau đó khi chuyển động tương đối giảm đi, nước dâng lên ở thành xô, thể hiện xu hướng dời xa trục quay của nó, và xu hướng này chứng tỏ chuyển động quay đích thực của nước đang dần tăng lên, cho tới khi nó trở nên lớn nhất, thì nước ổn định ở trạng thái đứng yên so với xô. Như vậy là xu hướng này không phụ thuộc vào chuyển động của nước so với vật xung quanh [là xô nước] và do đó không thể xác định được chuyển động quay đích thực của vật dựa theo các chuyển động này.
Chỉ có một loại chuyển động tròn đích thực của vật thể tương ứng hoàn toàn với lực hướng vật thể về phía rời xa trục, còn các chuyển động tương đối thì vật thể có rất nhiều, tuỳ vào vật được xem xét trong mối tương quan nào. Nhưng các chuyển động tương đối ấy không hề kéo theo biểu hiện chuyển động đích thực nào, nếu như vật đó không có chuyển động đích thực đã nói ở trên, ngoài các chuyển động tương đối.
Bởi vậy, trong các hệ thống thế giới dựa trên giả định rằng các thiên cầu quay bên trong một vòm cầu của các ngôi sao cố định, mang theo các hành tinh, sẽ xảy ra tình trạng là những phần riêng lẻ nào đó của các thiên cầu ấy và các hành tinh vốn đứng yên so với thiên cầu của mình, thực ra lại đang chuyển động -với biểu hiện là thay đổi vị trí tương đối (điều không xảy ra với vật thể đứng yên tuyệt đối); đồng thời chúng còn chuyển động cùng với các thiên cầu mang tải chúng, vậy có nghĩa rằng chúng có xu hướng đi xa khỏi trục quay, giống như các bộ phận của một nguyên thể đang quay''.
(Trích ''Những nguyên lý toán học của triết học tự nhiên'' của Newton)
