Thông tin về một loại neutrino có thể chuyển động nhanh hơn ánh sáng gần đây do nhóm các nhà khoa học tại CERN (cơ quan nghiên cứu hạt nhân châ Âu) công bố gần đầy dù rằng vẫn đang được kiểm chứng chưa đi tới kết luận nhưng đã làm xôn xao dư luận những người quan tâm đến khoa học nói chung và vật lý hạt nói riêng. Hãy thử phân tích đôi chút về vấn đề này xem điều gì đã khiến nó có tầm quan trọng như vậy.
Trong những thảo luận khá phổ biến trên nhiều diễn đàn trên mạng cả trong và ngoài nước gần đây, cũng như một số cuộc nói chuyện cá nhân, tôi được biết việc một hạt neutrino đang được kiểm chứng về tốc độ xem có đúng nó nhanh hơn ánh sáng hay không đang khá được quan tâm. Tuy nhiên một số đông trong số những người quan tâm đến nó thường chỉ nhìn nó theo góc độ nó giống như một cuộc thi đấu thể thao mà ở đó một kỉ lục nhiều năm bị phá vỡ. Ở đây đang giữ kỉ lục tốc độ là ánh sáng (hạt photon) và kẻ đang có nguy cơ phá kỉ lục là một hạt neutrino. Trên thực tế, ý nghĩa quan trọng của sự kiện này khiến nó ảnh hưởng lớn tới tất cả các nhà vật lý và hơn thế là có thể cả thế giới quan của nhân loại lại nằm ở một điểm khác xin được nói dưới đây.
Tính tương đối của vận tốc
Đến tận vài năm đầu thế kỉ 20, giới khoa học thế giới vẫn nhìn nhận mọi chuyển động dưới góc nhìn của cơ học Newton. Nếu chiếc xe chạy trên mặt đường với vận tốc 50km/h, và bạn cố đuổi theo nó với vận tốc chạy của bạn là 25km/h, bạn tuy không bắt kịp nó nhưng vận tốc của nó so với bạn đã bị giảm, bạn sẽ thấy chiếc xe đang đi xa khỏi mình với vận tốc khi đó chỉ còn là 25km/h. Hay là trong serie phim/truyện tranh siêu nhân (superman) trước đây của hãng DC Comics, nhân vật chính (siêu nhân) có thể bay nhanh hơn cả tốc độ bay của một viên đạn. Chúng ta nhắc tới ví dụ này vì trong đời sống hàng ngày thì tốc độ của một viên đạn đã là quá khủng khiếp, chắc chắn chưa có một người nào bằng mắt thường có thể nhìn thấy chuyển động của nó. Vậy mà nhân vật siêu nhân của chúng ta thậm chí có thể bay nhanh hơn cả đạn và anh ta hoàn toàn có thể đuổi kịp và vượt qua một viên đạn đang bay. Giả sử rằng vận tốc viên đạn là 500m/s còn vận tốc bay của siêu nhân là 1.000m/s thì khi vượt qua viên đạn và nhìn lại anh ta sẽ thấy viên đạn đang bay xa khỏi mình với vận tốc 500m/s. Nhưng với những viên đạn có vận tốc tới 1.200m/s thì khi bay với vận tốc 1.000m/s siêu nhân sẽ luôn thấy viên đạn bay xa khỏi mình với vận tốc 200m/s. Những ví dụ này chính là phép cộng vận tốc cơ bản trong cơ học Newton mà bất cứ ai trong chúng ta cũng đã được học từ chương trình vật lý Trung học cơ sở.
Theo quan điểm cơ học Newton này thì nếu như siêu nhân có thể bay với vận tốc lên tới 150.000km/s (một nửa vận tốc ánh sáng) thì tia sáng (hay hạt photon) phía trước sẽ rời xa anh ta với vận tốc gần 150.000km/s (vận tốc chính xác của ánh sáng là 299.792,458 km/s, thường được tạm lấy tròn là 300.000km/s đối với đời sống hoặc các bài toán đơn giản). Tuy nhiên năm 1905 khi Albert Einstein đưa ra thuyết tương đối hẹp của mình thì việc này đã thay đổi. Theo thuyết này thì vận tốc ánh sáng là vận tốc lớn nhất trong tự nhiên và cũng là vận tốc tuyệt đối không phụ thuộc hệ qui chiếu của người quan sát. Có nghĩa là nếu như siêu nhân có cố bay để đuổi theo ánh sáng thì dù vận tốc của anh ta là bao nhiêu chăng nữa thì khi nhìn về phía trước ánh sáng vẫn cứ chuyển động ra xa anh ta với vận tốc khoảng 300.000 km/s (thay vì chỉ là hiệu số vận tốc như trước). Và đó chính là điểm đặc biệt nhất về vận tốc của ánh sáng, nó không còn là một kỉ lục về vận tốc như cách nhìn của cơ học cổ điển Newton, mà chính bản thân nó là kẻ định nghĩa cho khái niệm vận tốc, và do vậy, có thể cả khái niệm thời gian. Đôi khi lúc đọc hay nói về thuyết tương đối hẹp của Einstein, nhiều người trong chúng ta thường chỉ nhìn vào một mệnh đề là vận tốc ánh sáng là vận tốc nhanh nhất, mà quên mất ý thứ hai đó là nó còn là "tuyệt đối". Bản thân việc nhanh hơn ánh sáng là không thể thực hiện được, nó không phải là vận động viên lập kỉ lục trên đường chạy mà nó là người bấm đồng hồ cho cuộc đua. Từ mệnh đề này mà phương trình nổi tiếng E=mc² mới ra đời trong đó c là vận tốc ánh sáng, E là năng lượng, còn m là khối lượng. Theo phương trình này khối lượng và năng lượng liên quan mật thiết tới nhau, có thể chuyển đổi lẫn nhau và hệ số giữa chúng chính là bình phương của vận tốc ánh sáng. Ngoài ra chúng ta còn có các phép biến đổi Lorentz cho biết sự co ngắn thời gian và tăng vận tốc của một vật bất kì khi nó chuyển động, và bản thân hệ thức này cũng nói lên rằng không thể có vận tốc nhanh hơn ánh sáng, nếu không thì hệ thức sẽ không thể thực hiện được. Chúng ta có thể thấy rằng nếu như thật sự có một hạt nhanh hơn ánh sáng thì sẽ không đơn giản là các hằng số phải được viết lại, các cuốn sách giáo khoa cần sửa chữa ... Hãy liên tưởng tới một cuộc chạy đua, nếu như không phải là một kỉ lục đã bị phá, mà là người ta phát hiện ra chính người bấm giờ cho nó đã làm sai, thì có nghĩa toàn bộ sẽ phải được thực hiện lại. Ở đây cũng vậy, việc vận tốc ánh sáng không còn là tuyệt đối đồng nghĩa với việc toàn bộ những gì chúng ta đã biết về vũ trụ cần phải được xem xét lại, từ những định luật vật lý cho tới những quan sát và các mô hình, và tất nhiên là một cách gián tiếp nó sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới thế giới quan của tất cả chúng ta.
Viễn cảnh như nêu trên làm nhiều người lo ngại nhưng cũng kích thích niềm hứng khởi của nhiều người khác. Dù sao tất cả vẫn còn nằm trong quá trình kiểm chứng. Nhưng điều đáng nói ở đây là tính chính xác của cả phép đo ban đầu lẫn những kiểm chứng đang và sẽ được thực hiện, liệu công nghệ có thực sự cho phép các nhà vật lý quan sát được sai số đủ nhỏ để đưa ra kết luận hay không?
Neutrino có phải là Tachyon?
Năm 1960, một loại hạt giả định được đặt tên là Tachyon (đọc thêm bài "Tachyon và giấc mơ nhanh hơn ánh sáng"), được coi là một hạt chuyển động nhanh hơn ánh sáng. Mặc dù đó chỉ là một giả định thú vị và nó được biết tới trong các tác phẩm khoa học viễn tưởng nhiều hơn là trong vật lý nhưng các nhà vật lý cũng không vì vậy mà không nghĩ tới những mô hình cho nó. Nếu như thuyết tương đối hẹp vẫn đúng thì điều kiện không thể thiếu để hạt tachyon nhanh hơn ánh sáng tồn tại là nó phải mang khối lượng ảo (số ảo là những số nằm trên trục vuông góc với trục số thực, cho đến nay khái niệm này vẫn chỉ tồn tại trong toán học), trong khi đó hạt neutrino không hề là một loại hạt mới, nó là một hạt đã được biết tới từ lâu và nó có khối lượng thực. Điều đó có nghĩa rằng nếu hạt có khối lượng có thể chuyển động nhanh hơn hạt photon (ánh sáng) thì thuyết tương đối hẹp là không đúng và viễn cảnh về sự thay đổi của vũ trụ quan chúng ta như nêu trên là một điều gần như chắc chắn nếu vận tốc này được kiểm chứng. Vấn đề chính ở quá trình kiểm chứng.
(Quãng đường chuyển động của neutrino từ trung tâm CERN tới Gran Sasso)
Để kiểm chứng vận tốc của hạt neutrino, các nhà khoa học cho nó chuyển động từ trung tâm CERN trên biên giới Pháp - Thụy Sĩ đến phòng thí nghiệm Gran Sasso , Italia. Phép đo sử dụng 2 đồng hộ đồng thời đặt tại 2 vị trí này để tính ra thời gian tiêu tốn cho quãng đường. Kết quả chuyển động trên quãng đường hơn 700km, hạt neutrino nêu trên được cho là tốn ít hơn ánh sáng một khoảng thời gian là 60 nano giây. Câu hỏi đặt ra là liệu có gì khẳng định hai đồng hồ đo được sử dụng là thật sự đồng bộ mà không có sai khác nào? Tất nhiên không thể làm như cách thông thường mà người ta vẫn giúp nhau chỉnh đồng hồ ở thang vi mô này. Ngay cả việc sử dụng các tín hiệu vô tuyến trực tiếp giữa hai đồng hồ thì tín hiệu này cũng mất một khoảng thời gian nhất định do sóng vô tuyến truyền với vận tốc ánh sáng. Biện pháp tối ưu nhất cho biết độ chính xác của các đồng hồ hiện nay chúng ta đã có là thông qua một thiết bị trung gian, như là một người trọng tài công bằng nhất, đó là sử dụng vệ tinh định vị (GPS), nó làm nhiệm vụ thu và phát tín hiệu để cho biết chính xác tính đồng bộ của 2 đồng hồ trên mặt đất qua việc so sánh với đồng hồ đặt trên đó. Tuy vậy, vấn đề chưa dừng ở đó vì vị trí của vệ tinh GPS là ở độ cao tới 20.000 km, và vẫn mất thời gian cho sóng vô tuyến truyền về Trái Đất, và quan trọng nhất đó là chuyển động tương đối của vệ tinh này mà theo thuyết tương đối hẹp của Einstein, những hiệu ứng thời gian vi mô hoàn toàn có thể phát sinh dẫn đến kết quả không phải là đã chính xác tuyệt đối. Mặt khác các nhà vật lý đều biết rằng neutrino có khả năng đâm xuyên gần như vô hạn, không thể bị cản lại bởi bất cứ loại vật chất nào đã biết tới. Như vậy có nghĩa là đồng hồ đo cũng không phải là ngoại lệ, kết quả của nó biết đâu đã bị ảnh hưởng bởi khả năng đâm xuyên của neutrino. Như vậy khả năng cho việc một neutrino có thể thật sự nhanh hơn ánh sáng vẫn là một câu hỏi chưa được giải đáp. Các nhà vật lý vẫn đang hết sức thận trọng trong việc kiểm chứng và đặt ra mọi kịch bản có thể xảy ra trước khi đưa ra kết luận, vì một khi kết luận được đưa ra, có thể nó sẽ làm thế giới chúng ta đang biết thay đổi không hề nhỏ.
Đặng Vũ Tuấn Sơn
(Bài viết có tham khảo một vài ý kiến trên các website nước ngoài)
Vui long ghi rõ tên tác giả và nguồn trích dẫn Thienvanvietnam.org khi bạn sử dụng bài viết này