Nhanh hơn ánh sáng

Thế giới đang xôn xao về kết quả thí nghiệm OPERA ở Italy của các nhà vật lý. Thí nghiệm OPERA đo vận tốc của chùm hạt neutrino từ CERN (Tổ chức nghiên cứu hạt nhân châu Âu) ở Geneva, xuyên ngầm qua dãy Alps, đến một máy thu ở Gran Sasso nằm ở miền trung Italy trên quãng đường dài 730km. Kết quả được các nhà vật lý thông báo là vận tốc của neutrino đo được lớn hơn vận tốc ánh sáng một lượng bằng 25 phần triệu vận tốc của ánh sáng. Đây là một kết quả chấn động thế giới, bởi vì từ trước đến nay vận tốc ánh sáng vẫn được coi là tuyệt đối.

Lý thuyết tương đối hẹp của Einstein được xây dựng trên hai tiên đề cơ bản. Một là các định luật vật lý là như nhau trong tất cả các hệ quy chiếu quán tính. Hai là vận tốc ánh sáng trong chân không là như nhau. Tiên đề đầu dễ hiểu hơn. Nó khẳng định các quy luật vật lý không phụ thuộc vào người quan sát ở trong các hệ quy chiếu quán tính khác nhau. Tất nhiên tự nhiên là phải như thế. Không thể nào xảy ra được chuyện hiện tượng vật lý trở nên khác nhau khi người quan sát đứng yên hay đang chuyển động với vận tốc không đổi. Tiên đề thứ hai có vẻ khó hiểu hơn. Nếu chúng ta đang ở trong một toa tàu đang chuyển động và ném một quả bóng thì một người đứng bên lề đường quan sát sẽ thấy vận tốc của quả bóng bằng khoảng vận tốc của con tầu cộng với vận tốc của quả bóng bay trong toa tầu. Nếu chúng ta không ném quả bóng mà phát ra một chùm tia sáng, thì vận tốc mà người quan sát đứng bên lề đường quan sát được tia sáng cũng bằng chính vận tốc mà người ở trong toa tầu quan sát được tia sáng, chứ không phải bằng tổng vận tốc của tia sáng trong toa tầu cộng với vận tốc con tàu chuyển động, như trường hợp của quả bóng. Tiên đề thứ hai có vẻ không khớp với cảm quan vật lý mà chúng ta quan sát thấy trong cuộc sống thường nhật. Sở dĩ chúng ta không cảm giác được tiên đề thứ hai vì vận tốc của ánh sáng rất lớn, gấp cỡ triệu lần vận tốc của máy bay dân dụng. Mặc dù vậy, tất cả các thí nghiệm đo đạc được đều khẳng định tính đúng đắn của tiên đề thứ hai. Lý thuyết tương đối hẹp cho nhiều hiện tượng lạ kỳ. Chẳng hạn vật chuyển động đều có độ dài và thời gian co lại so với vật đứng yên. Chúng ta không cảm giác được những hiện tượng như vậy trong cuộc sống thường nhật một lần nữa lại do vận tốc của ánh sáng quá lớn so với vận tốc của những vật trong cuộc sống thường nhật của chúng ta. Nếu như có một vật chuyển động với vận tốc lớn hơn vận tốc ánh sáng thì điều gì sẽ xảy ra? Nguyên lý nhân quả sẽ bị vi phạm. Nguyên lý nhân quả thể hiện nhân phải xảy ra trước quả. Đây là một nguyên lý phổ quát. Giả sử như có một mũi tên phát ra từ một cái cung bắn vào một quả táo. Mũi tên phải được bắn ra trước thời điểm mũi tên cắm vào quả táo. Bắn mũi tên là nhân, mũi tên cắm vào quả táo là quả. Nếu vận tốc của mũi tên nhỏ hơn vận tốc ánh sáng, nguyên lý nhân quả luôn duy trì: mũi tên cắm vào quả táo luôn luôn sau khi mũi tên được bắn ra. Nhưng nếu vận tốc mũi tên lớn hơn vận tốc ánh sáng, trong một hệ quy chiếu quán tính nhất định, người quan sát sẽ thấy thời điểm mũi tên được bắn và thời điểm mũi tên cắm vào quả táo trùng nhau. Ở một hệ quy chiếu quán tính khác có vận tốc tương đối lớn hơn , người quan sát lại thấy mũi tên cắm vào quả táo trước khi nó được bắn ra khỏi cái cung. Như vậy nguyên lý nhân quả bị vi phạm. Nguyên lý nhân quả bị vi phạm thì con người có khả năng trở về quá khứ như trong các bộ phim viễn tưởng của Hollywood, hay như câu ca dao của người Việt: Sinh con rồi mới sinh cha / Sinh cháu giữ nhà rồi mới sinh ông. Chính vì những nghịch lý như vậy mà phát hiện vận tốc nhanh hơn ánh sáng trở thành tâm điểm xôn xao trên toàn cầu.

Nhưng thực ra thí nghiệm OPERA không phải là thí nghiệm đầu tiên trên thế giới phát hiện ra vận tốc lớn hơn vận tốc ánh sáng. Năm 2007, thí nghiệm MINOS ở Mỹ, cũng bắn một chùm neutrino từ Phòng thí nghiệm Fermi ở Chicago tới một máy thu ở Minnesota, và kết quả thí nghiệm cũng từa tựa như kết quả thí nghiệm OPERA vừa mới thông báo. Nhưng thí nghiệm MINOS có kết quả không được chắc chắn, sai số lớn, do vậy nó không được công nhận. Các nhà vật lý của thí nghiệm OPERA cho biết kết quả của họ tốt hơn các thí nghiệm trước đây, và kết quả là xác quyết. Tuy vậy, cộng đồng khoa học vẫn chưa chấp nhận kết quả thí nghiệm OPERA, và đợi chờ các thí nghiệm độc lập khác để kiểm chứng. Đó là nguyên tắc chung của khoa học.

Mặc dù kết quả thí nghiệm OPERA có thể khiến chúng ta suy nghĩ về nguyên lý nhân quả bị vi phạm, nhưng thực ra vẫn còn có những lý thuyết khác, chấp nhận một số hạt hạ nguyên tử có vận tốc lớn hơn vận tốc ánh sáng và không vi phạm nguyên lý nhân quả. Loại hạt như vậy được gọi là hạt tachyon. Giả thuyết về loại hạt tachyon đã có từ lâu, nhưng từ trước đến nay chúng mới chỉ tồn tại trên giấy, trong các nghiên cứu lý thuyết. Vậy liệu có phải kết quả thí nghiệm OPERA chỉ là một khẳng định neutrino là hạt tachyon và nguyên lý nhân quả vẫn OK? Điều này vẫn đòi hỏi thêm các nghiên cứu tiếp theo để khẳng định. Hạt neutrino kể từ lúc được khai sinh cho đến nay đã cho thấy chúng là một loại hạt rất đặc biệt. Neutrino được Pauli tiên đoán trong lý thuyết trước khi thực nghiệm tìm ra chúng. Thoạt đầu neutrino được coi là loại hạt không có khối lượng, giống như hạt photon mang ánh sáng. Sau đấy các thí nghiệm khẳng định neutrino là hạt có khối lượng. Neutrino cũng được nghi là hạt fermion Majorana, tức là loại hạt mà bản thân chúng cũng đồng thời là phản hạt, nhưng cho đến nay vẫn chưa có kết luận cuối cùng. Giờ đây, với kết quả thí nghiệm OPERA, nếu được kiểm chứng là chính xác, thì neutrino lại là một ứng cử viên cho hạt tachyon. Là tachyon, hay vi phạm nguyên lý nhân quả, hay gì khác, câu trả lời vẫn ở thì tương lai.

Khoa học luôn vận động không ngừng, luôn hấp dẫn, cuốn hút và mời gọi chúng ta trong bí ẩn lớn lao, diệu kỳ và tuyệt mỹ của Tạo hóa.

PS: Trong nhóm tiến hành thí nghiệm OPERA  có một người Việt Nam, TS Trần Ngọc Tiềm (và không có một người Trung Quốc nào, căn cứ theo họ, nhưng người Nhật và Hàn Quốc thì có)