Thế giới sẽ thay đổi như thế nào nếu không có Einstein?

Nếu bạn yêu cầu một người bình thường kể tên một nhà khoa học gây ấn tượng nhất trong tâm trí họ, thì cái tên bạn có thể nghe thấy thường xuyên nhất là Albert Einstein. Nhà vật lý đã trở thành một trong những nhân vật biểu tượng của thế kỷ 20, đóng vai trò then chốt trong nhiều sự kiện khoa học; có lẽ chính ông đã lật đổ vật lý học Newton, vốn thống trị tư tưởng khoa học trong hơn 200 năm.

Phương trình nổi tiếng nhất của ông, E = mc², nổi tiếng đến nỗi dường như nó quen thuộc với tất cả mọi người, và đại đa số trong đó thì vẫn không biết ý nghĩa của phương trình này là gì. Ông đã giành được giải Nobel cho công trình nghiên cứu về vật lý lượng tử và lý thuyết thành công nhất của ông - thuyết tương đối rộng, lý thuyết về lực hấp dẫn mà chúng ta sử dụng ngày nay.

Vậy thế giới sẽ khác như thế nào nếu Einstein chưa từng tồn tại? Liệu những nhà vật lý vĩ đại khác có xuất hiện để thay thế và đạt được điều tương tự không? Liệu những thành tựu khoa học này sẽ sớm được hiện thực hóa hơn, hay sẽ ra đời lâu hơn, hoặc thậm chí một số có thể vẫn chưa xảy ra? Chúng ta có cần một lượng thiên tài lớn hơn để đạt được những thành tựu vĩ đại tương tự như của Einstein không? Hay chúng ta đã đánh giá quá cao sự hiếm có và tính độc đáo của Einstein, nâng ông lên một tầm cao không đáng có chỉ vì ông đã ở đúng nơi vào đúng thời điểm?

Năm 1905 được biết đến là "năm thần kỳ" của Einstein khi ông xuất bản một loạt bài báo mà sau này sẽ tạo ra một cuộc cách mạng trong nhiều lĩnh vực vật lý. Tuy nhiên, trong khoảng thời gian ngắn trước đó, rất nhiều tiến bộ trong vật lý đã khiến nhiều giả thuyết lâu đời về vũ trụ bị thách thức rất nhiều.

Trong hơn hai trăm năm, Isaac Newton và những lý thuyết của ông luôn được coi là kim chỉ nam trong lĩnh vực cơ học. Định luật vạn vật hấp dẫn của ông được áp dụng cho cả các hiện tượng vật lý trên Trái Đất cũng như các thiên thể trong hệ mặt trời.

Dưới con mắt của các nhà vật lý tin vào lý thuyết của Newton, vũ trụ có một sự chắc chắn tuyệt vời. Nếu bạn có thể viết ra vị trí, động lượng và khối lượng của mọi vật thể trong vũ trụ, bạn có thể tính toán sự tiến hóa của chúng bất kỳ lúc nào với độ chính xác tùy ý. Hơn nữa, không gian và thời gian là những thực thể tuyệt đối, và lực hấp dẫn di chuyển với tốc độ vô hạn với những tác động tức thời.

Điện từ học cũng phát triển nhanh chóng trong suốt thế kỷ 19, cho thấy các mối quan hệ phức tạp giữa điện tích, dòng điện, điện trường và từ trường, và thậm chí cả bản thân ánh sáng. Nhờ thành công của Newton, Maxwell và nhiều nhà khoa học khác, nhiều vấn đề của vật lý dường như đã được giải quyết.

Tuy nhiên, những gì diễn ra sau đó lại là những câu hỏi hóc búa vẫn chưa tìm được lời giải đáp. Một số câu hỏi dường như gợi ý những điều mới theo nhiều hướng khác nhau.

Những khám phá đầu tiên về hiện tượng phóng xạ đã khiến người ta nhận ra rằng khi một số nguyên tử khi phân rã, chúng thực sự sẽ mất khối lượng. Động lượng của hạt đang phân rã dường như không khớp với động lượng của hạt ban đầu, cho thấy rằng một số quá trình không được bảo toàn, hoặc có thứ gì đó không thể nhìn thấy được đang diễn ra. Nguyên tử không nhất thiết phải là những hạt cơ bản nhất, thay vào đó chúng bao gồm các hạt nhân mang điện tích dương và các electron mang điện tích âm rời rạc.

Tuy nhiên, trong vô số những câu hỏi được đặt ra, có 2 vấn đề được coi là thách thức đối với lý thuyết của Newton.

Đầu tiên, những quan sát khó hiểu về quỹ đạo của Sao Thủy. Tất cả các hành tinh khác đều tuân theo định luật Newton đến giới hạn đo lường chính xác, nhưng Sao Thủy thì không. Mặc dù đã tính đến tiền hành tinh cận nhật và ảnh hưởng của các hành tinh khác, quỹ đạo thực tế của Sao Thủy vẫn sai lệch đáng kể so với kết quả dự đoán. Chênh lệch tuế sai của Sao Thủy mỗi thế kỷ là 43 cung giây, điều này khiến nhiều người suy đoán rằng có một hành tinh nằm ở giữa Mặt Trời và Sao Thủy - Vulcan. Sự có mặt của hành tinh này nhằm giải thích những đặc thù khó hiểu của quỹ đạo của Sao Thủy, nhưng các nhà nghiên cứu sau này lại không tìm thấy nó cũng như chứng minh được sự tồn tại của nó.

Thách thức thứ 2, khi các vật thể tiến tới tốc độ ánh sáng, chúng không còn tuân theo phương trình chuyển động của Newton nữa. Nếu bạn ném một quả bóng chày về phía trước với vận tốc 100km một giờ trên một chuyến tàu chuyển động với vận tốc 100km một giờ, thì quả bóng sẽ di chuyển được 200km một giờ. Theo trực quan, kết quả này phù hợp với mong đợi của bạn và nó cũng được xác minh bằng thực nghiệm.

Nhưng nếu bạn bắn một chùm ánh sáng về phía trước, phía sau hoặc theo bất kỳ hướng nào trên một đoàn tàu đang chuyển động, nó vẫn sẽ chuyển động với tốc độ ánh sáng, cho dù đoàn tàu đang chuyển động với tốc độ là bao nhiêu đi chăng nữa. Trên thực tế, cho dù ánh sáng di chuyển trong mắt người quan sát với tốc độ bao nhiêu thì tốc độ ánh sáng vẫn không đổi.

Ngoài ra, nếu bạn ném một quả bóng vào một đoàn tàu đang chuyển động và cả đoàn tàu và quả bóng đang di chuyển gần với tốc độ ánh sáng, thì điều mà chúng ta luôn nghĩ là "phép cộng" lúc này sẽ không hoàn toàn đúng nữa. Nếu vận tốc của đoàn tàu bằng 60% vận tốc ánh sáng và bạn ném quả bóng với vận tốc 60% vận tốc ánh sáng, thì nó sẽ không bằng 120% vận tốc ánh sáng, thay vào đó, nó chỉ là 88% vận tốc ánh sáng. Mặc dù chúng ta có thể mô tả quá trình này, nhưng thực tế, chúng ta vẫn không thể giải thích nó. Lúc này, Einstein xuất hiện.

Thật khó để cô đọng tất cả những thành tựu của Einstein vào một bài viết, nhưng một số khám phá và lý thuyết quan trọng nhất của ông có thể kể đến như sau.

(1) Phương trình khối lượng-năng lượng E = mc². Khi nguyên tử phân rã, chúng bị mất khối lượng. Những khối lượng này sẽ đi về đâu nếu không được bảo tồn? Câu trả lời mà Einstein đưa ra là: khối lượng được biến đổi thành năng lượng. Ngoài ra, Einstein đã đưa ra câu trả lời cuối cùng: tỷ lệ chuyển đổi khối lượng thành năng lượng được mô tả bởi phương trình E = mc², và ngược lại. Kể từ đó, chúng ta đã tạo ra khối lượng từ năng lượng thuần túy dưới dạng các cặp vật chất - phản vật chất dựa trên phương trình này. Trong mọi trường hợp, E = mc² là đúng.

(2) Thuyết tương đối hẹp. Các vật thể sẽ xuất hiện những hiện tượng như thế nào khi chúng tiệm cận với tốc độ ánh sáng? Mặc dù chúng di chuyển theo nhiều cách khác nhau, nhưng chúng đều có thể được mô tả bằng thuyết tương đối hẹp. Vũ trụ có giới hạn tốc độ: tốc độ ánh sáng trong chân không; trong chân không, tất cả các thực thể không khối lượng đều chuyển động chính xác với tốc độ ánh sáng. Nếu nó là một thực thể có khối lượng, nó sẽ không bao giờ có thể đạt tốc độ ánh sáng, thay vào đó, nó chỉ có thể đạt được vận tốc gần bằng tốc độ ánh sáng. Thuyết tương đối hẹp quy định cách các vật thể tiệm cận tốc độ ánh sáng sẽ gia tốc, tăng tốc hoặc giảm tốc độ của chúng như thế nào, cũng như cách các khoảng thời gian giãn nở và co lại.

(3) Hiệu ứng quang điện. Khi bạn chiếu ánh sáng trực tiếp vào một miếng kim loại dẫn điện, nó sẽ "đá" ra các electron lỏng lẻo nhất trên kim loại đó. Nếu tăng cường độ ánh sáng, nhiều electron bị đẩy ra hơn, và nếu giảm cường độ ánh sáng, ít electron bị đẩy ra hơn. Nhưng thật kỳ lạ, Einstein phát hiện ra rằng hiệu ứng này không dựa trên tổng cường độ ánh sáng, mà dựa trên cường độ ánh sáng trên một ngưỡng năng lượng nhất định. Tia cực tím chỉ gây ra sự ion hóa, điều này không xảy ra với ánh sáng có thể nhìn thấy và tia hồng ngoại, bất kể cường độ của nó. Einstein đã chỉ ra rằng năng lượng của ánh sáng có thể được lượng tử hóa thành các photon riêng lẻ, và số lượng "photon ion hóa" xác định có bao nhiêu electron bị đuổi ra ngoài.

(4) Thuyết tương đối rộng. Đây là bước đột phá lớn nhất và mệt mỏi nhất trong tất cả các bước đột phá mang tính cách mạng của Einstein: một lý thuyết hoàn toàn mới về lực hấp dẫn, áp dụng cho toàn bộ vũ trụ. Không gian và thời gian không phải là tuyệt đối, chúng tạo thành một cấu trúc trong đó tất cả các vật thể, bao gồm tất cả các dạng vật chất và năng lượng, đều có thể di chuyển. Sự tồn tại và phân bố của vật chất và năng lượng dẫn đến sự biến dạng và tiến hóa của không-thời gian, từ đó quyết định vật chất và năng lượng sẽ chuyển động như thế nào. Kể từ khi lý thuyết tương đối rộng lần đầu tiên được đề xuất, không có thí nghiệm hoặc quan sát nào có thể bác bỏ nó.

Ngoài những điều trên, Einstein còn đóng một vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác. Ông đã khám phá ra chuyển động Brown; ông và các nhà nghiên cứu khác đã khám phá ra các quy luật thống kê về chuyển động của các boson; ông đã thiết lập cơ học lượng tử thông qua nghịch lý Einstein-Podolsky-Rosen (viết tắt là nghịch lý EPR); ngoài ra, ông còn đề xuất khái niệm du hành thời gian thông qua các lỗ sâu (được gọi là "Einstein-Rosen bridges"). Có thể nói, đóng góp của Einstein cho lĩnh vực khoa học là vô cùng to lớn.

Mặc dù sự nghiệp khoa học của Einstein là vô cùng cao cả, nhưng cũng có nhiều lý do để tin rằng nếu không có ông, các nhà nghiên cứu khác cũng sẽ đạt được những điều tương tự trong một khoảng thời gian rất ngắn. Chúng ta tôn vinh "thiên tài Einsteinian" như một ví dụ có một không hai về khả năng vô song trong việc thay đổi hiểu biết của chúng ta về vũ trụ. Tuy nhiên, ngay cả khi không có Einstein, hầu hết mọi thứ mà ông đã khám phá và hoàn thành có lẽ vẫn sẽ được khám phá ra và hoàn thành bởi những người khác.

Trước Einstein, ngay từ những năm 1880, nhà vật lý người Anh Joseph Thomson, người phát hiện ra electron, đã bắt đầu nghĩ rằng điện trường và từ trường với các hạt mang điện chuyển động phải mang năng lượng. Ông đã cố gắng định lượng năng lượng này. Nó phức tạp, nhưng nhà vật lý người Anh Oliver Heaviside đã tính toán nó bằng cách sử dụng một tập hợp các giả định đơn giản hóa: Ông xác định rằng "khối lượng hiệu dụng" do các hạt mang điện mang theo có liên quan đến năng lượng điện trường (E) chia cho tốc độ ánh sáng ( bình phương của c) là tỉ lệ thuận. Hằng số tỷ lệ do Heaviside đề xuất là 4/3, khác với giá trị thực của 1 mà ông tính toán vào năm 1889; Friedrich Hasenöhrl cũng tính toán kết quả tương tự vào năm 1904 và 1905. Henri Poincaré cũng đã suy ra E = mc² vào năm 1900 một cách độc lập, nhưng ông vẫn chưa thể lý giải đầy đủ về hàm ý của phương trình này.

Nếu không có Einstein, các nhà vật lý khác vẫn sẽ hoàn thành phương trình nổi tiếng nhất của ông; không khó để tưởng tượng rằng ngay cả khi không có Einstein, các nhà vật lý khác có thể sẽ hoàn thành phần còn lại của nhiệm vụ trong một khoảng thời gian ngắn.

Tương tự như vậy, các nhà vật lý khác đã tiến rất gần đến thuyết tương đối hẹp. Thí nghiệm Michelson-Morley đã chứng minh rằng ánh sáng luôn chuyển động với tốc độ không đổi. Hendrik Lorentz đã khám phá ra các phương trình biến đổi xác định cách vận tốc tăng lên và thời gian giãn ra như thế nào, và cùng với George Francis FitzGerald, họ đã xác định độ dài co lại như thế nào theo hướng chuyển động. Tương tự như vậy, thật khó để tưởng tượng rằng Lorentz, Poincaré và những người khác nghiên cứu sự tương tác của điện từ và tốc độ ánh sáng sẽ không đạt được một bước đột phá tương tự. Ngay cả khi không có Einstein, những nhà nghiên cứu này đã tiến rất gần đến thuyết tương đối hẹp.

Trong tất cả những thành tựu khoa học mà Einstein đã đạt được, thuyết tương đối rộng là đặc biệt nhất. Khi Einstein đưa ra lý thuyết này, có thể nói rằng đây là một lý thuyết vượt thời đại và đi trước các nhà khoa học cùng thời rất nhiều. Tuy nhiên, mặc dù có thể chậm hơn nhiều năm hoặc thậm chí nhiều thập kỷ, nhưng chắc chắn rằng sẽ có một số nhà khoa học đã nghiên cứu tới rất gần với suy nghĩ của Einstein và đang trên con đường đi tới thành tựu tương tự. Điều này khiến chúng ta tin rằng ngay cả khi không có Einstein, thuyết tương đối rộng vẫn sẽ xuất hiện trong lĩnh vực tri thức của nhân loại.

Khi xem xét kỹ hơn các nghiên cứu khoa học trong quá khứ, chúng ta thấy rằng nhiều thành tựu khoa học có sự đóng góp của nhiều nhà nghiên cứu trước khi chúng xuất hiện. Trên thực tế, khi nhìn lại lịch sử, chúng ta sẽ thấy rằng nhiều người đã đạt được nhận thức tương tự như Einstein trong cùng thời kỳ. Alexey Starobinsky đã tổng hợp nhiều kết quả lý thuyết về sự giãn nở của vũ trụ trước Alan Guth; trước Hubble, Georges Lemaitre và Howard Robertson đã xây dựng vũ trụ lý thuyết cho sự giãn nở của vũ trụ; Tomonaga Shinichirō, người đã thực hiện các phép tính điện động lực học lượng tử trước Julian Schwinger và Richard Feynman.

Trong nhiều vấn đề nổi tiếng trong vật lý, Einstein là người đầu tiên đi tới vạch đích. Nhưng nếu ông chưa bao giờ tồn tại thì vẫn sẽ có những nhà nghiên cứu khác hoàn thành con đường của ông. Trong mắt nhiều người, Einstein là một thiên tài có một không hai, đúng là như vậy, nhưng có một điều gần như chắc chắn: thiên tài không độc nhất và hiếm như chúng ta thường nghĩ.