Vì sao tốc độ chuyển động của bất kì vật thể nào cũng không thể đạt tới và vượt quá tốc độ ánh sáng?

Theo kinh nghiệm sống hằng ngày của con người, có vẻ như chớp sáng phát ra từ một nơi nào đó có thể lập tức được người quan sát ở ngoài một khoảng cách nhất định trông thấy. Nói theo thuật ngữ của truyền thông thì, phát ra chớp sáng là phát tín hiệu đi, còn trông thấy chớp sáng là thu nhận tín hiệu. Việc phát tín hiệu và thu tín hiệu có phải là cùng một thời điểm không nhỉ? Nếu là cùng một thời điểm thì tốc độ ánh sáng phải là lớn vô hạn: nếu không cùng một thời điểm, thì tốc độ ánh sáng là có giới hạn. 300 năm trước, nhà thiên văn Đan Mạch, Olaus Roemer thông qua quan sát chu kì bị che khuất của vệ tinh của sao Mộc, rút ra kết luận tốc độ ánh sáng là có giới hạn. Trị số tốc độ ánh sáng mà ông đo được là C = 2,77 x 1010 cm/s. Năm 1849, James Brley người nước Anh, lợi dụng phương pháp bánh xe răng lại một lần nữa đo đạc thành công tốc độ ánh sáng. Về sau, qua nhiều lần cải tiến, người ta đã xác định tốc độ ánh sáng trong chân không C = 2,997925 x 1010 cm/s, tức là trong một giây, ánh sáng có thể vòng quanh Trái Đất 7,5 vòng! ánh sáng chuyển động với tốc độ cao như vậy, trong khoảng cách quan sát hàng ngày, thời gian ánh sáng đi qua thực sự là quá nhỏ bé, đến nỗi con người hay tưởng lầm rằng ánh sáng phát tín hiệu và thu tín hiệu là cùng một thời điểm.

Hiện nay trong vạn vật, vạn sự tồn tại trên thế giới, tốc độ chuyển động nhanh nhất là tốc độ ánh sáng trong chân không, không có tốc độ chuyển động của vật thể nào khác có thể đạt đến và vượt quá nó. Vì sao vậy nhỉ?

Hoá ra là, thảo luận vấn đề tốc độ ánh sáng không đơn thuần chỉ là một vấn đề tốc độ lớn nhỏ, mà là một vấn đề có liên quan đến con người phải dùng quan niệm thời gian, không gian nào để nhận thức sự tiến hoá của thiên nhiên và của cả Vũ Trụ. Chính là trên điểm này có sự khác biệt căn bản giữa vật lí học kinh điển do Newton sáng lập và thuyết tương đối do Einstein xây dựng nên.

Newton cho rằng, thời gian là tuyệt đối, từ quá khứ ngàn xưa đến tương lai vô hạn, thời gian bao giờ cũng trôi qua với phương thức như nhau. Không gian cũng là tuyệt đối, tức là đo độ dài lớn nhỏ của không gian, bao giờ cũng cố định, bất kể là đo thời gian hay không gian đều không thể bị ảnh hưởng của trạng thái chuyển động của vật thể. Ngoài ra, Newton còn cho rằng, khối lượng của vật thể cũng là đại lượng vật lí không đổi. Cho dù ở trạng thái chuyển động nào, khối lượng đều không thể thay đổi.

Chính trên quan điểm đối với ba đại lượng vật lí cơ bản: không gian, thời gian và khối lượng, Einstein rút ra các kết luận hoàn toàn khác với Newton. Ông cho rằng, ba đại lượng vật lí này không phải là tuyệt đối mà là tương đối, cũng tức là chúng có quan hệ mật thiết với trạng thái chuyển động.

Nếu có một thước thẳng với độ dài khi đứng yên là Lo, khi nó chuyển động thẳng đều dọc theo hướng của thước với tốc độ v, độ dài của nó đo được trong trạng thái chuyển động là: trong đó c là tốc độ ánh sáng. Do tốc độ ánh sáng rất lớn, vì vậy L nhỏ hơn L0, hơn nữa tốc độ chuyển động càng lớn, sự rút ngắn của L càng rõ rệt. Qua tính toán, bạn sẽ nhận thấy: một thước thẳng dài 1 m khi đứng yên, khi tốc độ chuyển động đạt tới 0,9 c, độ dài chỉ còn 0,436 m. Thước dài 1 m mà rút ngắn tới hơn một nửa cơ đấy!

Cũng tương tự như vậy, nếu một cái đồng hồ tham gia chuyển động thẳng với tốc độ v, thế thì khoảng cách thời gian t0 lúc đứng yên, sẽ biến thành t khi chuyển động. Quan hệ giữa chúng là

Khi đứng yên, quãng cách thời gian của cả ngày là 24 giờ, khi tốc độ chuyển động của đồng hồ đạt 0,9 c, vậy mà phải chạy tới 55 giờ! Khoảng cách thời gian kéo dài ra hơn gấp đôi!

Khối lượng cũng là tương đối. Theo lí thuyết của Einstein, một vật thể có khối lượng đứng yên m0, khi tham gia chuyển động thẳng với tốc độ v, khối lượng của nó sẽ trở thành .

Vật thể có khối lượng bằng 1 kg lúc đứng yên, khi tốc độ chuyển động đạt 0,9 c, khối lượng tăng lên thành 2,29 kg.

Độ dài rút ngắn, đồng hồ chậm lại, khối lượng tăng lên, có đúng là những thứ đó sẽ xảy ra? Trong nhiều thực nghiệm về vật lí năng lượng cao, các nhà khoa học đã hoàn toàn chứng thực loại hiệu ứng thuyết tương đối này. Do tốc độ chuyển động của vật thể trong đời sống hằng ngày của chúng ta nhỏ hơn tốc độ ánh sáng nhiều lắm, vì vậy, tuy hiệu ứng thuyết tương đối vẫn tồn tại, song biến đổi do nó gây ra quá ư là nhỏ bé, khó có thể nhận biết được.

Giả dụ khi tốc độ chuyển động v của vật thể bằng hoặc vượt quá tốc độ ánh sáng thì sẽ có những kết quả gì nhỉ? Rõ ràng là sẽ trở thành số 0 hoặc số ảo. Khi ấy, vật thể có độ dài bất kì lúc đứng yên, khi chuyển động sẽ rút ngắn thành số không hoặc số ảo, quãng cách thời gian Δt và khối lượng m, khi chuyển động sẽ trở thành vô cùng lớn hoặc số ảo. Cho đến nay, những kết luận như vậy chưa ai có thể chứng minh sự tồn tại hợp lí của nó. Qua đó, có thể thấy, vật thể có độ dài đứng yên, khối lượng đứng yên nhất định, và chuyển động trong quãng cách thời gian t nào đó, tốc độ của nó chỉ có thể tiếp cận tốc độ ánh sáng, mà không thể nào đạt tới và vượt quá tốc độ ánh sáng. Đó là giới hạn cao nhất của mọi tốc độ chuyển động của vật thể trong vật lí học cận đại.

Từ khoá: Tốc độ ánh sáng; Không gian; Thời gian; Khối lượng; Thuyết tương đối.