Thí nghiệm cưỡi trên một chùm sáng, hay nghịch lý anh em sinh đôi là hai trong số 5 thí nghiệm tưởng tượng dẫn tới những đề xuất mang tính cách mạng trong vật lý của Albert Einstein, một trong những bộ óc vĩ đại nhất thế kỷ 20.
Thí nghiệm cưỡi trên một chùm sáng
Minh họa thí nghiệm cưỡi trên chùm sáng. (Ảnh: Darren Arthur/Stringer).
Theo Business Insider, đây là thí nghiệm mà Einstein nghĩ đến năm 1895, khi ông 16 tuổi. Chuyện gì sẽ xảy ra nếu bạn đuổi theo và bắt kịp một chùm sáng?
Theo Einstein, bạn sẽ thấy ánh sáng bị đóng băng trong không gian. Nhưng ánh sáng không thể bị đóng băng, nên Einstein đã nhận ra rằng ánh sáng sẽ không bao giờ chậm lại và luôn di chuyển ra xa với tốc độ ánh sáng. Do đó, một thứ khác chắc chắn phải thay đổi. Cuối cùng ông nhận ra rằng thứ đó chính là thời gian. Kết luận này đã đặt nền móng cho Thuyết tương đối hẹp do ông đề xuất năm 1905.
Thí nghiệm về đoàn tàu bị sét đánh
Minh họa thí nghiệm đoàn tàu bị sét đánh. (Ảnh: Above Top Secret).
Tưởng tượng bạn đang ngồi trên một con tàu chuyển động và một người bạn đứng bên ngoài tàu quan sát khi nó chạy qua. Nếu sét đánh vào cả hai đầu đoàn tàu, người đứng bên ngoài sẽ thấy hai sự kiện này xảy ra cùng một thời điểm.
Còn người ở trên tàu do ngày càng tới gần tia sét phía trước tàu nên sẽ nhìn thấy sét ở đầu đó trước. Thí nghiệm này đã chỉ ra rằng thời gian đối với người chuyển động sai khác so với người đứng yên, củng cố niềm tin của Einstein rằng thời gian và không gian là tương đối, sự đồng thời không thể tồn tại. Đây cũng là một nền tảng trong Thuyết tương đối hẹp của Einstein.
Thí nghiệm nghịch lý song sinh
Đây là một biến thể nổi tiếng từ thí nghiệm về đồng hồ ánh sáng của Einstein.
Minh họa nghịch lý anh em sinh đôi. (Ảnh: Physics for me).
Giả sử bạn có một người anh em sinh đôi, ra đời chính xác cùng lúc với bạn. Người đó sau khi sinh ngay lập tức được mang lên một con tàu vũ trụ di chuyển với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng.
Theo thuyết tương đối, hai người sau đó sẽ có số tuổi khác nhau. Do thời gian trôi càng chậm khi tốc độ càng cao, người ở trên tàu vũ trụ sẽ già đi chậm hơn người ở trên Trái Đất. Khi con tàu quay trở lại Trái Đất, có thể bạn đã nghỉ hưu, còn người kia thì mới dậy thì.
Thí nghiệm về chiếc hộp
Nếu đang lơ lửng trong một chiếc hộp và bị rơi xuống sàn, bạn sẽ không biết đó là do lực hấp dẫn hay do hộp bị kéo lên. (Ảnh: Shutterstock).
Tưởng tượng bạn đang lơ lửng trong một chiếc hộp, không nhìn được ra bên ngoài. Đột nhiên, bạn rơi xuống sàn. Điều gì đã xảy ra? Chiếc hộp bị kéo xuống bởi lực hấp dẫn hay nó được gia tốc kéo lên nhờ dây cáp?
Hai tác động cùng đưa tới một kết quả đã dẫn Einstein tới kết luận rằng hấp dẫn và gia tốc là như nhau. Cùng với các khẳng định trước đó rằng thời gian và không gian không tuyệt đối, Einstein cho rằng nếu chuyển động có thể ảnh hưởng tới không gian và thời gian, hấp dẫn cũng phải có ảnh hưởng tương tự.
Khả năng bẻ cong không thời gian của hấp dẫn là một phần rất lớn trong Thuyết tương đối tổng quát.
Thí nghiệm tung đồng xu
Einstein luôn phản đối thuyết lượng tử và luôn nghĩ tới những thí nghiệm để bác bỏ lý thuyết này. Tuy nhiên, đây chỉ là các thí nghiệm thách thức những nhà khoa học tiên phong theo thuyết này hoàn thiện nó đến từng chi tiết nhỏ nhất.
Một trong những thí nghiệm đó là thí nghiệm về sự vướng víu lượng tử, mà Einstein gọi là "tác động ma quái từ xa".
Tưởng tượng có một đồng xu hai mặt có thể dễ dàng tách đôi. Bạn tung nó lên, không nhìn, đưa một nửa cho người khác và giữ lại nửa kia. Người kia sẽ mang một nửa đồng xu đó đi khắp vũ trụ.
Sau đó, chỉ cần nhìn vào mặt nửa đồng xu của mình, bạn sẽ biết ngay lập tức mặt đồng xu của người kia, bất kể họ có thể đang ở cách bạn hàng tỷ năm ánh sáng và không hề có một kết nối vật lý nào với nhau.
Minh họa về vướng víu lượng tử. (Ảnh: Glitch News).
Nếu coi các mặt của đồng xu là vô định, có thể thay đổi trạng thái mặt số hay mặt hình cho tới thời điểm được nhìn thấy, nghĩa là sự thay đổi các mặt đồng xu có thể nhanh hơn tốc độ ánh sáng rất nhiều, ngay lập tức ảnh hưởng đến nhau (bên này số thì bên kia phải là hình và ngược lại), bất kể cách nhau bao xa.
Đây là điều trái ngược với Thuyết tương đối của Einstein, coi tốc độ ánh sáng là lớn nhất. Tuy nhiên, ngày nay nghịch lý về vướng víu lượng tử này đã được chứng minh là đúng và ứng dụng trong các công nghệ hiện đại như tính toán lượng tử, mật mã lượng tử, viễn tải lượng tử.