Thế giới sẽ thay đổi ra sao nếu không có Einstein?

Khoa học là kết tinh của sự khéo léo và kiến thức của con người, với những đóng góp to lớn nhất thuộc về các nhà khoa học vĩ đại nhất.

Nếu bạn hỏi một người thông thường về nhà khoa học gây ấn tượng nhất trong tâm trí họ, tên Albert Einstein sẽ là cái tên mà bạn thường nghe. Ông đã trở thành biểu tượng của thế kỷ 20, đặc biệt trong lĩnh vực khoa học; ông có thể đã lật đổ lý thuyết vật lý của Newton, thống trị trong suốt hơn 200 năm.

Phương trình nổi tiếng nhất của ông, E = mc², dường như quen thuộc với mọi người, nhưng đa số vẫn không hiểu ý nghĩa thực sự của nó. Ông đã nhận giải Nobel cho nghiên cứu về vật lý lượng tử và lý thuyết tương đối rộng của ông, một lý thuyết về lực hấp dẫn mà chúng ta vẫn sử dụng ngày nay.

Thế giới sẽ thay đổi như thế nào nếu Einstein không tồn tại? Liệu có những nhà khoa học khác xuất hiện và đạt được thành tựu tương tự không? Có thể những thành tựu khoa học này sẽ xảy ra sớm hơn, muộn hơn, hoặc có những cái không bao giờ xảy ra? Chúng ta cần thiên tài lớn hơn để đạt được những thành tựu vĩ đại như Einstein, hay chúng ta đã đánh giá cao sự hiếm có của ông quá mức?

Năm 1905 được biết đến là 'năm thần kỳ' của Einstein khi ông xuất bản nhiều bài báo có tầm ảnh hưởng rộng lớn đến nhiều lĩnh vực vật lý. Trước đó, những tiến bộ trong vật lý đã thách thức nhiều giả thuyết lâu đời về vũ trụ.

Trong hơn hai trăm năm, Isaac Newton và lý thuyết của ông luôn là tiêu chuẩn trong cơ học. Định luật vật lý của ông áp dụng cho cả hiện tượng trên Trái Đất và trong hệ Mặt Trời.

Dưới góc nhìn của các nhà vật lý tin vào lý thuyết của Newton, vũ trụ tỏ ra rất ổn định. Bằng cách ghi lại vị trí, động lượng và khối lượng của mọi vật thể trong vũ trụ, bạn có thể dự đoán sự tiến hóa của chúng vào bất kỳ thời điểm nào với độ chính xác tùy ý. Không gian và thời gian được coi là đối tượng tuyệt đối, và lực hấp dẫn di chuyển với vận tốc vô tận, tác động ngay lập tức.

Lĩnh vực điện từ học đã có những tiến bộ đáng kể trong thế kỷ 19, làm sáng tỏ mối quan hệ phức tạp giữa điện tích, dòng điện, điện trường, từ trường, và cả ánh sáng. Nhờ thành công của Newton, Maxwell và nhiều nhà khoa học khác, nhiều vấn đề của vật lý đã có lời giải.

Tuy nhiên, các vấn đề tiếp theo vẫn còn nhiều ẩn số và chưa có lời giải. Một số câu hỏi dường như khuyên bảo về những phát hiện mới theo nhiều hướng khác nhau.

Những phát hiện đầu tiên về hiện tượng phóng xạ đã làm nổi bật việc mất khối lượng của một số nguyên tử khi chúng phân rã. Động lượng của các hạt phân rã không khớp với động lượng ban đầu, chỉ ra rằng có những quy luật không được bảo toàn, hoặc có điều gì đó ẩn sau những gì chúng ta thấy. Nguyên tử không nhất thiết là các hạt cơ bản, mà chúng bao gồm những hạt nhân mang điện tích dương và electron mang điện tích âm rời rạc.

Tuy nhiên, trong số vô số những câu hỏi, có 2 vấn đề mà lý thuyết của Newton gặp thách thức.

Đầu tiên, là những quan sát khó hiểu về quỹ đạo của Sao Thủy. Mặc dù tất cả các hành tinh khác đều tuân thủ định luật của Newton với độ chính xác đáng kể, Sao Thủy lại không. Chênh lệch trong quỹ đạo của Sao Thủy so với dự đoán là khá lớn, dù đã xem xét tác động của các hành tinh khác và tiền hành tinh cận nhật. Sự sai lệch trong quỹ đạo của Sao Thủy mỗi thế kỷ là 43 cung giây, điều này khuyến nghị có một hành tinh ẩn nằm giữa Sao Thủy và Mặt Trời - Vulcan. Tuy nhiên, sự tồn tại của nó không được chứng minh sau này.

Thách thức thứ hai, khi các vật thể tiến gần tới tốc độ ánh sáng, chúng không tuân theo phương trình chuyển động của Newton nữa. Ví dụ, nếu bạn ném một quả bóng chày với vận tốc 100km/giờ trên một chiếc tàu cũng di chuyển với vận tốc 100km/giờ, quả bóng sẽ di chuyển với vận tốc 200km/giờ. Kết quả này không phù hợp với trực giác và được kiểm chứng bằng thực nghiệm.

Tuy nhiên, nếu bạn phóng một tia sáng về phía trước, phía sau hoặc bất kỳ hướng nào trên một chuyến tàu di chuyển, nó vẫn di chuyển với tốc độ ánh sáng, bất kể tốc độ của chuyến tàu. Thực tế là, tốc độ ánh sáng không thay đổi dù ánh sáng di chuyển với bất kỳ tốc độ nào trong mắt người quan sát.

Hơn nữa, nếu bạn ném một quả bóng vào một chuyến tàu đang chuyển động với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng, phép cộng truyền thống không còn áp dụng hoàn toàn. Nếu tốc độ của chuyến tàu và quả bóng đều là 60% tốc độ ánh sáng, thì tổng không phải là 120% tốc độ ánh sáng, mà chỉ là 88% tốc độ ánh sáng. Mặc dù ta có thể mô tả tình huống này, nhưng thực tế, ta vẫn chưa thể hiểu rõ nó. Đó chính là lúc Einstein xuất hiện.

Rất khó để tóm gọn tất cả thành tựu của Einstein trong một bài viết, nhưng một số khám phá và lý thuyết quan trọng của ông có thể nêu ra như sau.

(1) Phương trình năng lượng-massa E = mc². Khi nguyên tử phân rã, chúng mất massa. Những phần này sẽ đi đâu nếu không được bảo toàn? Câu trả lời mà Einstein đưa ra là: massa được chuyển hóa thành năng lượng. Bên cạnh đó, Einstein cũng chỉ ra: tỉ lệ chuyển đổi massa thành năng lượng được mô tả bởi phương trình E = mc², và ngược lại. Từ đó, ta đã tạo ra massa 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 chính xác.

(2) Thuyết tương đối hẹp. Các hiện tượng sẽ như thế nào khi chúng tiệm cận tốc độ ánh sáng? Dù chúng di chuyển theo nhiều cách khác nhau, nhưng tất cả đều có thể được mô tả bằng thuyết tương đối hẹp. Giới hạn tốc độ của vũ trụ: tốc độ ánh sáng trong chân không; tất cả các vật thể không khối lượng di chuyển chính xác với tốc độ ánh sáng trong chân không. Nếu có khối lượng, chúng sẽ không bao giờ đạt tốc độ ánh sáng, chỉ có thể đạt tới 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, cũng như cách thời gian co lại và giãn nở.

(3) Hiệu ứng quang điện. Khi ánh sáng chiếu vào một miếng kim loại dẫn điện, nó sẽ kích hoạt electron trên bề mặt kim loại. Nếu tăng cường ánh sáng, nhiều electron bị đẩy ra hơn, nhưng Einstein phát hiện rằng hiệu ứng này không phụ thuộc vào tổng cường độ ánh sáng, mà là cường độ ánh sáng trên một ngưỡng năng lượng nhất định. Ánh sáng cực tím chỉ tạo ra ion hóa, không xảy ra với ánh sáng nhìn thấy và hồng ngoại, bất kể cường độ của chúng. Einstein chỉ ra rằng năng lượng của ánh sáng có thể quanta hóa thành các photon riêng lẻ, và số lượng photon ion hóa quyết định số electron bị đẩy ra.

(4) Thuyết tương đối rộng. Đây là bước tiến lớn nhất và khó nhất trong tất cả những bước đột phá 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 tuyệt đối, chúng tạo thành một cấu trúc trong đó mọi vật thể, bao gồm cả năng lượng và chất, có thể di chuyển. Sự phân phối của chất và năng lượng dẫn đến sự biến dạng và tiến hóa của không gian-thời gian, từ đó quyết định chuyển động của chất và năng lượng. Kể từ khi thuyết tương đối rộng được đề xuất, không có thí nghiệm nào có thể bác bỏ nó.

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

Mặc dù sự nghiệp khoa học của Einstein rất cao cả, nhưng vẫn có nhiều lý do để tin rằng nếu không có ông, các nhà nghiên cứu khác cũng có thể đạt được những điều tương tự trong một thời gian rất ngắn. Chúng ta tôn vinh 'thiên tài Einsteinian' như một ví dụ độc đáo 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 ông đã khám phá và hoàn thành có lẽ vẫn sẽ được khám phá và hoàn thành bởi những người khác.

Trước Einstein, 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 có thể 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 hoàn thành phần còn lại của nhiệm vụ trong một khoảng thời gian ngắn.

Tương tự, 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, 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 của Einstein, 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 lĩnh vực nổi tiếng của vật lý, Einstein là người đầu tiên đạt được thành công. Nhưng nếu ông không tồn tại, sẽ có những nhà nghiên cứu khác hoàn thành công việc của ông. Mặc dù Einstein được coi là một thiên tài độc đáo, nhưng thực tế là thiên tài không phải là điều hiếm có như chúng ta nghĩ.