Lời giới thiệu
Không mấy ai không biết đến tên tuổi của Albert Einstein, nhưng cũng
không mấy ai hiểu được tư duy đầy sáng tạo của ông. Có lẽ cái độc đáo có
một không hai của ông cũng còn là ở chỗ đó chăng?
Nhân loại chúng ta đã bước qua năm 2001, năm mở đầu của thế kỷ 21, năm
đầu tiên của thiên niên kỷ thứ 3. Vào dịp chuyển giao trọng đại giữa hai
thiên niên kỷ. Tạp chí Mỹ Time Magazine đã bầu chọn một tên tuổi sáng
chói - Albert Einstein - nhà vật lý học lừng danh thế giới, người có cống hiến
vĩ đại đối với loài người - làm danh nhân tiêu biểu số 1 của loài người trong
vòng một trăm năm của thế kỷ 20. Chắc hẳn chúng ta đều chia sẻ hoan hỉ đối
với sự bầu chọn đầy tính thuyết phục ấy.
Nhưng cũng đáng suy nghĩ biết bao khi một thiên tài kỳ vĩ như vậy của nhân
loại dường như vẫn còn như xa lạ với chúng ta, vì ông ít được giới thiệu với
đông đảo công chúng nước ta.
Nhà vật lý học người Mỹ Gardner, tác giả cuốn sách mà chúng ta dịch ra đây
cũng từng nói rằng, trên thế giới chỉ có chừng mươi mười hai người hiểu
được ông, kể cả những nhà vật lý tầm cỡ. Lại nữa, như một chuyện vui về
cuộc đối thoại giữa Einstein và vua hề Charles Chaplin kể rằng chính là
Chaplin đã thừa nhận mình nổi tiếng vì ai cũng hiểu còn Einstein thừa nhận
mình nổi tiếng vì không ai hiểu!
Nhưng may thay trong gần một trăm năm trở lại đây, kể từ khi Einstein công
bố phát minh thuyết tương đối hẹp vào năm 1905 và thuyết tương đối tổng
quát vào năm 1916, có nhiều nhà khoa học mến mộ ông và tìm cách "diễn
nghĩa" tư tưởng của ông với đông đảo bạn đọc, và có những thành công đáng
kể như Bectơrăng với cuốn ABC về thuyết tương đối và gần đây Martin
Gardner với cuốn Thuyết tương đối cho mọi người (Relativity for the
million) v. v...
Với tất cả những bức xúc, trăn trở và cơ hội có được, chúng tôi đã mạo muội
đề xuất việc dịch sang tiếng việt cuốn sách của M. Gardner và rất mừng là
ngay lập tức ý tưởng này đã được Nhà xuất bản Đại học Quốc gia nhiệt liệt
ủng hộ. Nhưng vì trình độ có hạn và thời gian gấp gáp, chắc chắn bản dịch
không tránh khỏi những thiếu sót về nội dung cũng như về thuật ngữ. Vượt
lên tất cả là mong có sự đóng góp nhỏ bé nào đó để tư tưởng vĩ đại của
Einstein được ngày càng đến gần với mọi người hơn, trong đó có cả bản thân
người dịch, đồng thời cũng là để hướng đến năm 2005 kỷ niệm 100 năm
ngày ra đời của thuyết tương đối và 50 năm ngày mà Anbert Einstein, giống
như chàng Atlas huyền thoại để lại trái đất cho nhân loại và bay vào vũ trụ

vĩnh hằng trong niềm thương tiếc và biết ơn vô hạn của nhân loại trường
sinh.
Xin chân thành cảm ơn Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội và sự chỉ
giáo góp ý của đông đảo bạn đọc gần xa.

Tuyệt đối hay tương đối
Hai chàng thuỷ thủ là Jo và Mo, sau một tai nạn đâm tàu, đã dạt vào một
hoang đảo. Nhiều năm trô một hôm Jo phát hiện ra một cái chai bị sóng đánh
dạt vào bờ. Đó là cái vỏ chai còn đề nhãn bên dưới là "Coca - cola", Jo tái
mặt đi.
- Này Mo - Anh ta kêu lên - Chúng ta đã bé đi biết bao nhiêu?
Từ câu nói vui đó có thể rút ra một bài học nghiêm túc, phán đoán về đối
tượng bất kỳ không thể nào khác hơn là so sánh nó với kích thước của một
đối tượng khác. Người Liliput xem người Gulivơ là khổng lồ. Đối với dân
chúng vùng Bropdingơ thì người Gulivơ lại là loại chim chích. Vậy quả cầu
là lớn hay nhỏ? Dường như nó là cực lớn so với nguyên tử, nhưng lại cực
nhỏ so với trái đất.
Jun Andre Poangcare, nhà toán học nổi tiếng người Pháp thế kỷ XIX, trong
khi tiên đoán nhiều luận điểm của thuyết tương đối đã đề cập vấn đề này như
sau (các nhà khoa học gọi phương pháp của ông là phương pháp tiếp cận
bằng tư duy thực nghiệm. Cũng tức là phép thực nghiệm suy tưởng nhưng
không thực hiện được trên thực tế): Chúng ta cứ hình dung rằng, ông nói,
vào ban đêm, khi chúng ta ngủ say, mọi thứ trong vũ trụ trở nên lớn gấp
hàng ngàn lần trước đó. Ở đây, Poangcare muốn nói mọi thứ hiện hữu như
điện tử, nguyên tử, độ dài sóng ánh sáng, bản thân chúng ta, cái giường ta
nằm, căn nhà ta ở, trái đất, mặt trời và các vì sao. Bạn có thể sẽ nói rằng khi
tỉnh giấc đã có điều gì đó xảy ra chăng? Có thể dẫn ra đây một thí nghiệm
tưởng như chứng minh được rằng bạn đã thay đổi về kích thước?
- Không, Poangcare nói, một thí nghiệm như vậy là không thực hiện được.
Thực vậy, vũ trụ dường như giống y hệt trước đó, thật là vô lý khi nói rằng
vũ trụ đã trở nên lớn hơn. "Lớn hơn" điều đó có nghĩa là khác hơn đối với
một vật khác. Trong trường hợp này không hề có vật nào khác cả. Cũng vô
lý biết bao khi nói rằng toàn bộ vũ trụ đã co lại về kích thước.
Như vậy, kích thước là tương đối. Không có một phương pháp tuyệt đối xác
định kích thước của một đối tượng nào đó và không thể nói rằng nó có một
kích thước nào đó, hay một kích thước tuyệt đối nào đó. Có thể xác định
kích thước bằng cách sử dụng những thước đo khác, ví như, thước đo độ dài
hoặc thước mét. Nhưng thước mét có độ dài là bao nhiêu? Trước ngày 1
tháng giêng năm 1962, đơn vị mét được xác định là độ dài của một thanh
platin xác định, được bảo quản ở nhiệt độ không đổi trong hầm ngầm Sevrơ
thuộc nước Pháp. Từ ngày 1 tháng giêng năm 1962, tiêu chuẩn mới của mét
là 1650763,73 độ dài của sóng ánh sáng màu da cam, kiểu xác định phát ra
trong chân không bởi nguyên tử Kripton - 86. Tất nhiên, nếu hết thảy trong

vũ trụ, kể cả độ dài sóng bức xạ đó tăng hoặc giảm theo một tỷ lệ nhất định,
thì không một phương pháp thực nghiệm nào có thể nhận ra sự thay đổi đó.
Điều đó cũng đúng cả về mặt thời gian. Cần "nhiều" hay "ít" thời gian để trái
đất quay một vòng quanh mặt trời? Đối với một em bé, thời gian từ năm mới
này sang năm mới khác dường như là vô tận. Còn đối với nhà địa chất quen
tính toán thời gian hàng triệu năm thì một năm chỉ giống như một nháy mắt.
Khoảng thời gian cũng tính như khoảng cách không thể đo bằng cách nào so
sánh nó với một khoảng thời gian khác. Một năm được xác định bằng thời
gian trái đất quay xung quanh mặt trời, ngày là thời gian cần thiết để trái đất
quay một vòng quanh trục của nó. Giờ là thời gian chiếc kim lớn của đồng
hồ quay được một vòng. Luôn có một khoảng thời gian được đo bằng cách
so sánh nó với khoảng thời gian khác.
G. Well có viết một truyện khoa học viễn tưởng nổi tiếng có nhan đề là Máy
gia tốc mới, trong đó có thể rút ra chỉ một bài học từ một câu nói đùa về hai
chàng thuỷ thủ, song bài học không đụng chạm đến không gian, mà là đến
thời gian. Một nhà bác học phát minh ra phương pháp tăng tốc mọi quá trình
diễn ra trong cơ thể mình. Trái tim anh ta đập nhanh hơn. Bạn thử đoán xem
chuyện gì sẽ xảy ra. Mọi thứ trên thế gian đối với anh ta dường như bị chậm
lại đến kinh khủng, nếu không nói là dừng lại hoàn toàn. Nhà bác học ra đi
dạo và bước thủng thẳng sao cho không khí bị cọ sát không làm cho bốc
cháy chiếc quần đang mặc của anh ta. Phố xá chật cứng những người tượng.
Đàn ông bị đông cứng vào thời điểm anh ta đảo mắt nhìn hai cô gái đi qua.
Trong công viên một dàn nhạc đang chơi phát ra một thứ âm thanh chát
chúa. Con ong vo vo trong không trung trong khi di chuyển với tốc độ của
loài sên.
Chúng ta dẫn ra đây một thí nghiệm tưởng tượng. Giả sử rằng trong một thời
điểm nhất định, mọi vật trong vũ trụ bắt đầu chuyển động chậm hơn hoặc
nhanh hơn, hoặc giả hoàn toàn dừng lại một vài triệu năm, sau đó lại chuyển
động trở lại, liệu ta có thể nhận thấy những thay đổi đó không? Không thể có
một thí nghiệm nào để nhận chân điều ấy. Thời gian, tương tự như khoảng
cách trong không gian là tương đối.
Nhiều khái niệm khác mà ta biết từ cuộc sống hàng ngày đều là tương đối.
Chúng ta thử xem xét các khái niệm "lên trên" và "xuống dưới". Nhiều thế
kỷ qua loài người đã không dễ dàng hiểu được rằng con người ở phía bên kia
của trái đất lại lộn xuống mà toàn bộ máu không bị đổ dồn lên đầu. Bây giờ
thì cả trẻ em nhờ đó mà lần đầu tiên hiểu ra rằng trái đất có hình tròn.
Giá như trái đất làm bằng kính trong suốt và bạn có thể nhìn qua kính viễn
vọng xuyên suốt, thì hẳn bạn đã nhìn thấy trên thực tế những con người đứng
lộn đầu xuống chân chổng ngược lên, tức là trái với chiều đứng của bạn.

Trên mặt đất hướng "lên trên" là hướng tính từ tâm của trái đất. Hướng
"xuống dưới" là hướng về tâm của trái đất. Trong khoảng không giữa các vì
sao tuyệt đối không có khái niệm trên và dưới vì ở đó không có hành tinh để
có thể sử dụng "hệ thống đọc số".
Ta hãy hình dung một con tàu vũ trụ dưới dạng một cái trống lớn đang
chuyển động trong hệ mặt trời. Nó bị quay tạo ra lực ly tâm làm thành
trường trong lúc nhân tạo. Khi ở bên trong con tàu, các nhà du hành vũ trụ
có thể đi lại trên thành trong như đi trên nền nhà. Đối với họ "xuống dưới"
cũng tức là từ phía tâm con tàu, còn "lên trên" tức là hướng về phía tâm,
cũng tức là ngược hẳn với vị trí trên hành tinh đang quay.
Như vậy, các bạn sẽ thấy rằng trong vũ trụ không hề có "phía trên" và "phía
dưới" một cách tuyệt đốiên trên và xuống dưới chỉ là phương hướng đối với
hướng hoạt động của trọng trường. Thật là vô nghĩa khi nói rằng lúc bạn ngủ
toàn bộ vũ trụ lộn đầu đuôi, bởi vì làm gì có hệ thống đọc số nào để lý giải
vấn đề vũ trụ có vị trí như thế nào.
Một kiểu thay đổi khác cũng có ý nghĩa tương đối, đó là sự thay đổi của đối
tượng khi phản chiếu trong gương. Nếu như chữ R hoa in ngược lại ta sẽ
được chữ Я, bạn có thể nhận ngay ra rằng đó là chữ phản chiếu trong gương
của chữ R. Nhưng nếu toàn bộ vũ trụ (kể cả bạn) bất ngờ được phản chiếu
qua gương thì bạn có cơ hội phát hiện những thay đổi tương tự.
Tất nhiên, nếu như chỉ có một người được phản chiếu qua gương (về điều
này ) G. Well cũng đã viết một truyện có nhan đề Truyện về Pletttner, còn vũ
trụ lại vẫn nguyên như cũ, tức là tưởng như mọi thứ đều đảo lộn. Muốn đọc
sách anh ta cần phải đưa nó gần gương, giống như chàng Alice ở trong
gương ranh mãnh đọc các chữ in ở trong gương thi phẩm Jabberwocky,
trong khi vẫn giữ thi phẩm đó trước gương vậy. Nhưng nếu như tất cả đều
đảo lộn thì không một thực nghiệm nào phát hiện sự thay đổi đó. Cũng thật
phi lý mà nói rằng có sự biến đổi tương tự xảy ra, giống như khi nói rằng vũ
trụ đã đảo lộn và tăng lên gấp đôi về kích thước.
Vậy thì chuyển động có tuyệt đối không? Có loại công cụ nào khả dĩ chứng
minh được rằng đối tượng đang chuyển động hay đứng yên? Chuyển động
vẫn còn là một phạm trù tương đối, khẳng định về nó chỉ có thể đem so sánh
vị trí của một đối tượng này với vị trí của một đối tượng khác? Hoặc giả
chuyển động hàm chứa một sự độc đáo nào đó khiến nó khác với các phạm
trù liên quan được xem xét ở trên?
Bạn hãy dừng lại và suy nghĩ thêm về vấn đề này chính xác trước khi chuyển
sang chương tiếp theo.
Chính là đáp ứng những vấn đề như vậy mà Anhxtanh đã phát triển thuyết
tương đối của mình. Thuyết của ông mang tính cách mạng, trái ngược với

"tư duy lành mạnh" khiến cho thậm chí đến tận lúc này có hàng trăm nhà
khoa học (kể cả các nhà vật lý) vẫn gặp những khó khăn để hiểu những
nguyên lý cơ bản của nó giống hệt như trẻ em khi muốn được lý giải tại sao
những người ở nam ban cầu không rơi khỏi trái đất.
Nếu như bạn còn trẻ thì đó là lợi thế lớn so với các nhà khoa học này. Trong
đầu óc của bạn vẫn còn chưa ăn sâu những tư duy kiểu đường mòn. Nhưng
dù tuổi tác bạn như thế nào chăng nữa, nếu như bạn sẵn sàng rèn luyện trí
lực của mình thì sẽ không còn lý do nào ngăn cản bạn có được cảm xúc như
ở nhà trong thế giới mới mẻ kỳ lạ này của thuyết tương đối.



Chuyển động phải chăng là tương đối
Sau ít phút suy nghĩ, hẳn bạn sẽ nghiêng về câu trả lời: "Vâng, tất nhiên".
Bạn hãy hình dung một tàu hoả chuyển động lên phía bắc với vận tốc 60
km/giờ. Một người trong con tàu đi ngược lên phía nam với vận tốc 3km/giờ.
Anh ta đang chuyển động theo hướng nào và vận tốc là bao nhiêu. Hoàn toàn
rõ ràng là không thể trả lời câu hỏi không chỉ ra hệ thống tính toán. So với
con tàu anh ta chuyển động về phía nam với vận tốc 3 km/giờ. So với trái
đất, anh ta chuyển động về phía bắc với vận tốc 60 trừ 3, tức 57km/giờ.
Có thể nói rằng vận tốc của người so với trái đất (57 km/giờ) là vận tốc thực
tuyệt đối được không? Không, bởi vì có cả những hệ thống khác có tỉ lệ còn
lớn hơn. Bản thân trái đất đang chuyển động. Nó quay xung quanh trục của
nó, đồng thời cũng chuyển động xung quanh mặt trời.
Mặt trời cùng các hành tinh khác chuyển động bên trong thiên hà. Thiên hà
quay và chuyển động so với các thiên hà khác. Các thiên hà lại tạo thành các
đoạn thiên hà chuyển động đối với nhau, không ai biết được các chuỗi
chuyển động này trên thực tế có thể tiếp tục đến bao xa, không có một cách
thức rõ ràng xác định chuyển động của một đối tượng nào đó; nói khác đi là
không có một hệ thống đọc số cố định theo đó có thể đo được mọi chuyển
động. Chuyển động và đứng yên, giống như lớn và nhỏ, nhanh và chậm, trên
và dưới, trái và phải, như mọi người đã biết, đều là hoàn toàn tương đối.
Không có cách nào đo chuyển động bất kì, ngoài việc so sánh chuyển động
của nó với chuyển động của một đối tượng khác.
Thật là không đơn giản chút nào! Còn nếu như có thể giới hạn chỉ vào điều
đã nói về tính tương đối của chuyển động thì hẳn đã không cần thiết để
Anhxtanh sáng lập ra thuyết tương đối.
Nguyên do rắc rối như sau: có hai phương pháp rất đơn giản phát hiện
chuyển động tuyệt đối. Một trong những phương pháp đó là sử dụng bản
chất của ánh sáng, còn phương pháp khác là các hiện tượng khác nhau của
quán tính xuất hiện khi thay đổi bởi đối tượng chuyển động của đường đạn
hoặc vận tốc. Thuyết Tương đối hẹp của Anhxtanh có liên quan đến phương
pháp đầu tiên, còn thuyết Tương đối tổng quát thì liên quan đến phương
pháp thứ hai. Ở chương này và hai chương tiếp theo sẽ đề cập đến phương
pháp đầu, ngõ hầu làm chìa khoá để hiểu về chuyển động tuyệt đối, tức là
phương pháp vận dụng bản chất của ánh sáng.
Ở thế kỷ XIX, trước cả Anhxtanh, các nhà vật lý đã hình dung ra một không
gian chứa đầy một loại chất đặc biệt, không chuyển động và không nhìn
thấy, được gọi là ête. Thường người ta gọi nó là ête "mang ánh sáng", ngụ ý

rằng nó là vật mang sóng ánh sáng. Ete chất đầy toàn bộ vũ trụ. Nó thẩm
thấu vào toàn bộ các thực thể vật chất. Nếu như tất cả không khí đều lúc lắc
dưới một quả chuông bằng kính đã bị chất đầy ête, làm sao mà ánh sáng có
thể đi qua chân không được? Ánh sáng đó là chuyển động bằng sóng. Như
vậy, hẳn là có sự xuất hiện các dao động đây. Bản thân ête cả khi tồn tại dao
động hiếm khi (nếu không nói rằng không bao giờ) chuyển động so với các
đối tượng vật chất, các vật càng chuyển động nhanh hơn qua nó tương tự
như chuyển động của các dây bột trong nước. Chuyển động tuyệt đối của
ngôi sao, của hành tinh hoặc của một đối tượng khác bất kỳ được đơn giản
hoá (các nhà vật lý thời kỳ này tin tưởng như vậy), nếu chuyển động được
xem xét với cả biển ête không nhìn thấy được.
Nhưng, các bạn sẽ hỏi rằng, nếu như ête là một thực thể phi vật chất không
thể nhìn thấy được, không thể nghe thấy được, cảm thấy, ngửi hoặc nếm
được vị của nó, thì làm sao có thể nghiên cứu chuyển động, chẳng hạn, của
trái đất so với nó? Câu trả lời thật đơn giản. Người ta có thể đo được nhờ so
sánh chuyển động của trái đất với chuyển động của chùm ánh sáng.
Muốn hiểu điều đó, ta hãy xem xét thời gian đối với bản chất của ánh sáng.
Trên thực tế, ánh sáng chỉ là phần nhỏ bé nhìn thấy được của phổ bức xạ
điện từ mà thành phần của nó gồm có sóng vô tuyến, sóng cực ngắn, tia hồng
ngoại, tia tử ngoại và các tia gamma. Trong cuốn sách này, chúng ta sử dụng
từ "ánh sáng" để chỉ một kiểu bất kỳ của bức xạ điện từ, bởi vì từ đó ngắn
hơn từ "bức xạ điện từ". ánh sáng là chuyển động mang tính sóng.
Suy nghĩ về sự chuyển động như vậy mà không suy nghĩ đồng thời về ête vật
chất dường như đối với các nhà vật lý thời trước là thật phi lý, giống hệt như
suy nghĩ về sóng trong nước mà không suy nghĩ về bản chất nước vậy.
Nếu như được bắn ra từ một máy bay phản lực đang chuyển động theo
hướng chuyển động của máy bay, thì vận tốc của viên đạn đối với trái đất sẽ
lớn hơn vận tốc của viên đạn bắn ra từ khẩu súng trường trên mặt đất, vận
tốc của viên đạn đối với trái đất thu được bằng cách cộng vận tốc của máy
bay và vận tốc của viên đạn. Trong trường hợp này, vận tốc của chùm sáng
không phụ thuộc vào vật thể mà từ đó ánh sáng được phát ra - thực tế này đã
được chứng minh bằng thực nghiệm vào cuối thế kỷ XIX và đầu thế kỷ XX
và từ đó với nhiều lần được khẳng định. Lần kiểm tra cuối cùng được tiến
hành vào năm 1955 bởi các nhà thiên văn Xô - Viết bằng cách sử dụng ánh
sáng từ phía đối lập của mặt trời đang tự quay. Một rìa của Mặt Trời luôn
chuyển động về phía chúng ta, còn rìa kia thì về phía đối lập. Đã tìm thấy
rằng ánh sáng từ hai rìa đi tới trái đất với một vận tốc như nhau. Các thí
nghiệm tương tự được tiến hành cả hàng chục năm trước với ánh sáng của
các ngôi sao kép đang chuyển động. Mặc dù có sự chuyển động của nguồn

sáng, vận tốc ánh sáng trong khoảng trống luôn như nhau, khoảng 300.000
km/giây.
Thử xem bằng cách nào mà sự kiện này tạo ra phương pháp cho nhà khoa
học (chúng ta sẽ gọi họ là nhà quan sát) tính được vận tốc tuyệt đối. Nếu ánh
sáng truyền bá qua môi trường ête không chuyển động, không thay đổi với
một vận tốc nhất định và nếu vận tốc đó không phụ thuộc vào vận tốc
chuyển động của nguồn sáng, thì vận tốc ánh sáng có thể dùng làm tiêu
chuẩn để xác định chuyển động tuyệt đối của người quan sát.
Người quan trắc chuyển dịch cùng hướng với chùm sáng hẳn đã phát hiện ra
rằng, chùm sáng đi qua anh ta với vận tốc nhỏ hơn c: người quan trắc đang
chuyển dịch ngược với chùm sáng hẳn phải nhận thấy rằng chùm sáng đến
gần anh ta với vận tốc lớn hơn c. Nói khác đi, kết quả đo vận tốc ánh sáng
hẳn phải thay đổi tuỳ thuộc vào sự chuyển dịch của người quan trắc so với
chùm sáng. Những thay đổi này hẳn đã phản ánh sự chuyển dịch tuyệt đối
thực sự thông qua môi trường ête.
Khi mô tả hiện tượng này, các nhà vật lý thường sử dụng khái niệm "ngọn
gió ête". Để hiểu nội dung của thuật ngữ này, ta hãy nghiên cứu lại con tàu
đang chuyển động. Chúng ta thấy rằng vận tốc của người đi trên con tàu là
3km/giờ luôn luôn là như nhau so với con tàu và không phụ thuộc vào việc
anh ta đi về phía đầu máy hay về phía cuối con tàu. Điều đó sẽ đúng cả đối
với vận tốc của sóng âm thanh bên trong toa tàu đóng kín. Âm thanh là
chuyển động mang tính sóng được chuyển tải bởi các phần tử không khí. Bởi
vì không khí có bên trong toa tàu, âm thanh ở bên trong toa sẽ truyền bá lên
phía bắc cùng với vận tốc (so với toa tàu) như về phía nam.
Tình hình sẽ thay đổi nếu như chúng ta chuyển từ một toa hành khách khép
kín sang một sân ga ngoài trời. Không khí trong toa ít bị giam hãm hơn. Nếu
như con tàu chuyển động với vận tốc 60km/giờ, do sức cản của gió, vận tốc
của âm thanh theo hướng từ cuối đến đầu toa sẽ nhỏ hơn bình thường. Vận
tốc của âm thanh theo hướng ngược lại sẽ lớn hơn bình thường.
Các nhà vật lý của thế kỷ XIX đã tin rằng, môi trường ête cũng giống như
không khí đang thổi trên sân ga. Vậy có gì khác đi không? Nếu ête không
chuyển động thì bất kỳ một vật thể nào chuyển dịch trong đó đều bắt gặp
ngọn gió ête thổi theo hướng ngược lại. Ánh sáng là chuyển động mang tính
sóng trong môi trường ête không chuyển động. Ngọn gió ête, đương nhiên có
ảnh hưởng đến vận tốc ánh sáng đo được từ một vật thể chuyển động.
Trái đất tồn tại trong không gian bằng cách quay xung quanh mặt trời với
vận tốc khoảng 30km/giây. Chuyển động này theo các nhà vật lý, phải tạo ra
ngọn gió ête thổi ngược chiều với trái đất trong khoảng trống giữa các
nguyên tử với vận tốc 30km/giây. Muốn đo chuyển động tuyệt đối của trái

đất (chuyển động đối với môi trường ête không di động), chỉ cần đo vận tốc,
mà với vận tốc đó, ánh sáng đi qua một khoảng cách nhất định nào đó trên
bề mặt trái đất. Nhờ ngọn gió ête, ánh sáng sẽ chuyển động nhanh hơn theo
hướng này so với hướng khác. So sánh vận tốc của ánh sáng phát ra theo các
hướng khác nhau là có thể tính toán được hướng tuyệt đối với vận tốc
chuyển động của trái đất tại một thời điểm đã biết bất kỳ. Thí nghiệm này
được đề xuất lần đầu tiên vào năm 1875, 4 năm trước khi Anhxtanh ra đời,
bởi nhà vật lý vĩ đại người Scotland tên là J. C Macxoen.

Thí nghiệm của Maikenson-Moocly
Năm 1881, Anbe Abraham Maikenxơn, lúc đó là một sĩ quan trẻ của hải
quân Hoa Kỳ, đã đích thân làm cuộc thí nghiệm này. Maikenxơn sinh ở Đức,
bố mẹ ông là người Balan. Cha ông di cư sang Mỹ khi Maikenxơn mới được
hai tuổi.
Sau khi tốt nghiệp học việc hải quân ở Anapolixơ và phục vụ hai năm trong
quân ngũ, Maikenxơn bắt đầu dạy vật lý và hoá học tại học viện này. Sau khi
nghỉ phép dài, ông sang châu Âu du học. Tại trường Đại học Berlin, trong
phòng thí nghiệm của nhà vật lý học người Đức nổi tiếng German Hemhônơ,
chàng thanh niên trẻ lần đầu tiên có ý định khám phá ngọn gió ête. Điều
ngạc nhiên lớn đối với ông là không dựa vào một phương hướng của địa bàn,
ông đã phát hiện ra sự khác biệt trong tốc độ khứ hồi của ánh sáng. Điều đó
cũng giống như con cá phát hiện rằng nó có thể bơi theo một hướng bất kì
trong biển mà không kịp nhận ra chuyển động của nước đối với cơ thể của
nó, cũng giống như người phi công bay với cái lồng cabin mở của máy bay
mà không nhận ra ngọn gió thổi táp vào mặt.
Nhà vật lý học người Áo nổi tiếng Ernest Makhơ (chúng ta sẽ có dịp nói về
ông ở chương 7) khi đó đã có sự phê phán đối với quan niệm về chuyển
động tuyệt đối qua môi trường ête.
Sau khi đọc bản báo cáo được công bố của Maikenxơn về thí nghiệm, ông đã
kết luận ngay rằng cần phải loại bỏ quan niệm về môi trường ête. Song đa số
các nhà vật lý đã từ chối đi một bước táo bạo như vậy. Dụng cụ của
Maikenxơn khá thô sơ, chỉ đủ để có cơ sở cho rằng, cuộc thí nghiệm nếu có
được những máy móc nhạy bén hơn chắc chắn sẽ cho kết quả khả quan. Bản
thân Maikenxơn cũng nghĩ như vậy. Không thấy được sai lầm trong thí
nghiệm của mình, ông đã cố gắng lập lại cuộc thí nghiệm.
Maikenxơn đã chối bỏ phục vụ trong hải quân và trở thành giáo sư tại trường
khoa học thực nghiệm Câyxơ (bây giờ là đại học Câyxơ) ở Clipland, bang
Ohio. Gần đó, tại trường Đại học miền Tây, Moocly dạy môn hoá học. Hai
ông trở thành đôi bạn tốt của nhau. "Bên ngoài - Becna Jaffe đã viết trong
cuốn sách Maikenxơn và tốc độ ánh sáng - hai nhà bác học này là hình mẫu
tương phản. Maikenxơn điển trai, rực rỡ, luôn luôn mày râu nhẵn nhụi.
Moocly của đáng tội, cẩu thả trong ăn mặc và điển hình là một giáo sư đãng
trí, đầu tóc bù xù khó coi".
Năm 1887, trong căn hầm của phòng thí nghiệm Moocly, hai nhà bác học đã
tiến hành cuộc thí nghiệm thứ hai chuẩn xác hơn để tìm ra ngọn gió ête chưa
bị nắm bắt. Thí nghiệm của họ nổi tiếng với tên gọi là thí nghiệm Maikenxơn
- Moocly, một bước ngoặt vĩ đại của vật lý học hiện đại.

Máy móc được đặt trên một phiến đá hình vuông có cạnh gần một mét rưỡi
và bề dày hơn 30 cm. Phiến đá này đặt trôi nổi trong nước thuỷ ngân để loại
trừ hiện tượng rung và giữ thăng bằng ngõ hầu cho phép dễ dàng quay nó
xung quanh trung tâm. Một hệ thống gương hướng chùm sáng theo hướng
nhất định, tấm gương phản xạ chùm sáng tới và lui theo hướng sao cho chùm
sáng tạo thành tấm gương gấp khúc. (Điều này nhằm mục đích kéo dài tối đa
đoạn đường đồng thời giữ cho kích thước của dụng cụ vừa đủ để nó có thể
quay được dễ dàng). Đồng thời, một hệ thống gương khác dẫn nguồn sáng
đến tâm theo đường gấp khúc theo hướng tạo thành vuông góc với chùm
sáng đầu tiên.
Giả sử rằng khi phiến đá bị quay sao cho một trong các chùm sáng đi tới đi
lui song song với ngọn gió ête , thì chùm sáng sẽ tạo ra tia sáng trong thời
gian lớn hơn, chùm sáng khác đi qua cũng khoảng cách như vậy. Ban đầu
đường đi ngược lại mới là đúng. Ta hãy xem xét ánh sáng truyền bá theo
chiều gió và ngược chiều gió. Phải chăng gió sẽ tăng tốc trên một đường cù
với giảm tốc trên đường khác? Nếu quả là như vậy thì việc tăng tốc và giảm
tốc đã được cân bằng và thời gian chi phí cho đoạn đường đi hẳn cũng bằng
với khi không có ngọn gió nào nói chung.
Thực vậy, ngọn gió sẽ tăng tốc theo một hướng đúng bằng với giá trị bị giảm
đi ở hướng khác, song điều quan trọng nhất là ngọn gió sẽ giảm tốc trong
suốt khoảng thời gian. Các tính chất chỉ ra rằng để khắc phục cả đoạn đường
ngược ngọn gió phải mất khoảng thời gian lớn hơn là khi vắng ngọn gió.
Ngọn gió sẽ hoạt động chậm lại cả đối với chùm sáng truyền bá vuông góc
với nó. Điều này cũng dễ dàng được xác nhận.
Dường như là hoạt động chậm lại giảm thiểu trong trường hợp chùm sáng
truyền bá song song với ngọn gió. Nếu như trái đất chuyển động qua biển ête
không di động thì hẳn phải xuất hiện ngọn gió ête và dụng cụ của
Maikenxơn - Moocly hẳn phải ghi lại được. Trên thực tế cả hai nhà bác học
đều tin rằng, họ có thể không chỉ phát hiện ra ngọn gió, mà còn xác định
(quay phiến đá cho đến khi tìm được một vị trí mà tại đó khác biệt thời gian
đi qua của ánh sáng theo cả hai hướng là cực đại) vào một thời điểm đã cho
bất kỳ hướng chính xác chuyển động của trái đất, qua môi trường ête.
Cần phải thấy rằng dụng cụ của Maikenxơn - Moocly đã không đo được vận
tốc thực của ánh sáng của từng chùm sáng. Cả hai chùm sáng, sau khi đã
hoàn thành số đường gấp khúc đi và đến (khứ hồi), đã được thống nhất thành
một chùm sáng duy nhất ngõ hầu có thể quan sát trong kính viễn vọng trung
bình. Dụng cụ được quay chậm rãi. Một sự thay đổi bất kỳ của vận tốc tương
đối của hai chùm sáng hẳn đã gây ra sự di động của bức tranh giao thoa vì
các gian sáng tối đan xen lẫn nhau.

Và một lần nữa, Maikenxơn lại thất bại và buồn chán. Các nhà vật lý học
trên thế giới cũng sửng sốt. Mặc dù Maikenxơn và Moocly đã đảo dụng cụ,
họ vẫn không nhận ra một dấu vết nào của ngọn gió ête! Chưa bao giờ trước
đó trong lịch sử khoa học gặp phải một kết cục bi đát như vậy. Maikenxơn
phải thú nhận một lần nữa rằng thí nghiệm của ông đã không thành công.
Ông không hề nghĩ rằng "sự không thành công này khiến cho cuộc thí
nghiệm của ông trở thành một trong những thí nghiệm tầm cỡ nhất, cách
mạng nhất trong lịch sử khoa học".
Ít lâu sau, Maikenxơn và Moocly đã làm lại cuộc thí nghiệm cùng với dụng
cụ hoàn thiện hơn. Các nhà vật lý khác cũng làm như vậy. Các cuộc thí
nghiệm chính xác nhất đã được thực hiện vào năm 1960 bởi Saclơ Taunxơ ở
trường đại học Colombia. Bộ dụng cụ của ông có sử dụng maze (đồng hồ
nguyên tử, dựa trên những dao động của các phân tử), nhạy cảm đến mức có
thể nhận ra ngọn gió ête, kể cả khi trái đất chuyển động với vận tốc chỉ bằng
phần nghìn vận tốc thực. Nhưng dấu vết của một ngọn gió như vậy cũng bặt
vô âm tín.
Các nhà vật lý ban đầu ngạc nhiên về kết quả tiêu cực của thí nghiệm
Maikenxơn - Moocly đã nghĩ tới một sự giải thích để cứu lý thuyết về ngọn
gió ête, tất nhiên nếu như thí nghiệm được tiến hành hàng trăm năm trước
đó. Theo nhận xét của G. J. Uitroi trong uốn sách Sự cấu thành của vũ trụ,
việc giải thích rất đơn giản về sự cấu thành của trái đất đã nhanh chóng ăn
sâu vào tiềm thức mỗi người. Nhưng điều giải thích đó của thí nghiệm
dường như không đúng với sự thật. Lời giải thích tốt nhất là lý thuyết (lâu
hơn nhiều so với thí nghiệm Maikenxơn - Moocly) khẳng định rằng ête được
hấp dẫn bởi trái đất, giống như không khí ở bên trong toa tàu đóng kín. Cả
Maikenxơn cũng suy nghĩ như vậy. Nhưng những thí nghiệm khác, trong đó
có thí nghiệm do chính Maikenxơn thực hiện, đã loại bỏ cả lối giải thích đó.
Nhà vật lý học Ailen J.F. Phitxơjeral có sự giải thích độc đáo nhất. Ông nói:
Có thể là ngọn gió ête đã áp chế vật thể đang chuyển động buộc nó phải co
lại theo hướng của chuyển động. Để xác định độ dài của vật thể đang chuyển
động phải lấy độ dài của nó trong trạng thái đứng yên nhân với đại lượng
được cho bởi công thức: căn bậc 2 của 1 - v2/c2. Trong đó, v bình phương là
bình phương vận tốc của vật thể đang chuyển động, còn c bình phương là
bình phương vận tốc ánh sáng.
Từ công thức trên có thể thấy rằng giá trị giảm thiểu nhỏ không đáng kể khi
vận tốc vật thể nhỏ, tăng lên khi vận tốc tăng và trở thành lớn khi vận tốc của
vận thể tiến gần tới vận tốc ánh sáng. Ví như, một con tàu vũ trụ về hình
dạng giống như điếu xì gà dài, khi chuyển động với vận tốc lớn sẽ có hình
dạng điếu xì gà ngắn.

Vận tốc ánh sáng là giới hạn không đạt tới được; đối với vật thể chuyển động
với vận tốc này, công thức có dạng: căn bậc 2 của 1 - c2/c2, và biểu thức này
bằng 0. Nhân độ dài vật thể với số 0, ta sẽ được đáp số bằng 0. Nói cách
khác đi, nếu như có một vật thể bất kỳ có thể đạt tới vận tốc ánh sáng, thì nó
sẽ không có một độ dài nào theo hướng chuyển động của bản thân nó!
Nhà vật lý Henđri Lorenxơ, người độc lập cũng đi đến giải thích như vậy về
hình dạng toán học của lý thuyết Phitxơjeral (về sau Lorenxơ đã trở thành
một trong những người bạn gần gũi nhất của Anhxtanh, song thời gian đó hai
người vẫn chưa quen nhau). Lý thuyết này cũng nổi tiếng như lý thuyết giảm
thiểu của Lorenxơ - Phitxơjeral hay (Phitxơjeral - Lorenxơ).
Dễ dàng hiểu được lý thuyết giảm thiểu đã giải thích sự thất bại của thí
nghiệm Maikenxơn - Moocly như thế nào. Nếu như phiến đá hình vuông và
toàn bộ d...