Thuyết tương đối hẹp (hay gọi tắt là thuyết tương đối) là thuyết vật lý do Albert Einstein đề xuất vào năm 1905.
Cơ học Newton cho rằng các hiện tượng cơ học chỉ liên quan đến các lực cơ bản đều xảy ra như nhau trong mọi hệ qui chiếu quán tính, nhưng không nói rõ các hiện tượng khác trong nhiệt động lực học, điện từ học,... có xảy ra như nhau trong mọi hệ qui chiếu quán tính hay không.
Điện từ học chỉ ra rằng tương tác từ xảy ra chủ yếu là do chuyển động của các hạt mang điện. Như vậy có thể trong các hệ qui chiếu quán tính khác nhau các hiện tượng điện từ sẽ xảy ra khác nhau. Nhiều thí nghiệm được thực hiện với các hệ qui chiếu quán tính khác nhau với mục đích tìm ra một hệ qui chiếu quán tính mà ở đó tốc độ ánh sáng khác hẳn với tốc độ ánh sáng trong các hệ qui chiếu quán tính khác. Nhưng những thí nghiệm đó không đạt được kết quả.
Năm 1905 Einstein phát biểu nguyên lý tương đối về sự bình đẳng của các hệ qui chiếu quán tính với hai tiên đề:
Tiên đề thứ nhất: Mọi hiện tượng vật lý (cơ học, nhiệt động lực học, điện từ học...) đều xảy ra như nhau trong các hệ qui chiếu quán tính.
Tiên đề này chỉ ra rằng các phương trình mô tả các hiện tượng tự nhiên đều có cùng dạng như nhau trong các hệ qui chiếu quán tính. Nó cũng phủ định sự tồn tại của một hệ qui chiếu quán tính đặc biệt, như một hệ qui chiếu đứng yên thật sự. Nói cách khác mọi hệ qui chiếu quán tính là hoàn toàn tương đương nhau. Từ tiên đề này các nhà khoa học khẳng định không thể tồn tại một môi trường ête truyền sóng điện từ (ánh sáng) với một vận tốc khác biệt các hệ qui chiếu khác.
Phép biến đổi của Galileo Galilei làm cho các phương trình Newton trở nên bất biến. Điều đó không có gì mâu thuẫn so với giả thuyết thứ nhất của Einstein tuy nhiên khi xét đến tham số thời gian thì định luật 2 của Newton chỉ áp dụng một cách tổng quát cho biến thiên động lượng.
Tiên đề thứ hai: Tốc độ ánh sáng trong chân không là một đại lượng không đổi trong tất cả các hệ qui chiếu quán tính.
Giả thuyết này giải thích cho kết quả của thí nghiệm Michelson-Morley và thí nghiệm Sitter.
Kết quả của thuyết tương đối cho ta các hệ thức:
Những hệ thức trên đã được khoa học chứng minh và công nhận. Chúng đã được áp dụng nhiều trong ứng dụng quán trọng: động lực học, điện từ học, vật lý hạt nhân, thiên văn học…
Qua tiên đề thứ 2: A.Einstein khẳng định rằng vận tốc ánh sáng là vận tốc lớn nhất của vật chất trong tự nhiên. Điều này đã đã trở thành tiên đề bất biến của khoa học Vật lý cả thế kỷ nay. Nhưng điều gì xảy ra khi vận tốc của “vật chất” (tạm gọi là vật chất) lớn hơn vận tốc ánh sáng? Khi đó vật chất tồn tại như thế nào? Vật chất có còn là Vật chất thông thường nữa hay không? Đó chính là giả thuyết đưa ra: Vận tốc siêu ánh sáng – Thế giới siêu ánh sáng.
Như vậy tất cả đại lượng chiều dài (hay không gian), thời gian, khối lượng, năng lượng… siêu ánh sáng đều có sự tồn tại đơn vị số ảo i. Nếu “vật chất thông thường” trong thế giới chúng ta là các đại lượng thực thì trong thế giới siêu ánh sáng là các đại lượng ảo. Mà toán học, vật lý học có nhận định rằng có thể tồn tại các chiều không gian khác nhau, các thế giới khác nhau. Vậy thì tại sao lại không thể tồn tại “thế giới ảo siêu ánh sáng”?
Trong tuyên bố hồi tháng 9, các nhà khoa học của thí nghiệm OPERA, thuộc Phòng Thí nghiệm Quốc gia Gran Sasso cho biết, họ đã đo được tốc độ di chuyển của chùm hạt neutrino được bắn từ phòng thí nghiệm CERN đặt tại Thụy Sĩ đến Phòng thí nghiệm Gran-Sasso nhanh hơn tốc độ ánh sáng là 60 nano-giây. Thông báo này nhanh chóng được các hãng thông tấn loan tin như một sự kiện chấn động, có thể làm sụp đổ thuyết tương đối đặc biệt của Einstein.
Cho tới nay, các ý kiến về “siêu hạt” neutrino với tốc độ nhanh hơn cả tốc độ ánh sáng vẫn đang gây ra những tranh cãi lớn trong giới vật lý thế giới. Dù thí nghiệm này đúng hay không đúng thì “Thuyết tương đối” vẫn đứng vũng vì chúng có thể được giải thích bằng giả thuyết siêu ánh sáng trên.
Khoa học đang bước đầu nghiên cứu về phản vật chất, vật chất tối, năng lượng tối… Tương lai khoa học sẽ có câu trả lời.
Nguyễn Văn Chính.