Vật lý đã phát hiện ra một liệu trình “cải lão hoàn đồng” vô cùng đặc biệt. Không cần serum. Không cần collagen. Không cần tiêm hay bôi bất cứ thứ gì vào mặt. 

Bạn chỉ cần phóng đi trên một con tàu di chuyển với tốc độ gần bằng với tốc độ ánh sáng. Và khi bạn quay trở về, bạn lại trở nên trẻ hơn kha khá so với tất cả những người đã từng cùng tuổi với mình.

Nghe giống như một chiêu trò lừa đảo có đúng không? Không hẳn là vậy.

Giả sử hôm nay bạn đã bước sang tuổi 30. Bạn bước chân vào một “phòng khám” do Einstein điều hành. Tất cả đều trống trơn, duy chỉ có một bảng quảng cáo đặt ở trên bàn:

Lấy lại tuổi thanh xuân của bạn: Bạn sẽ trải qua 5 năm còn Trái Đất sẽ trải qua 50 năm. Khi trở về, cơ thể của bạn sẽ chỉ già thêm 5 tuổi.

Vậy thì bạn có muốn sử dụng dịch vụ này không?

Nếu bạn đồng ý, bạn sẽ được Einstein ném vào một con tàu và bay khỏi Trái Đất với tốc độ ánh sáng ở tuổi 30. Năm năm sau, dựa vào chiếc đồng hồ có ở trên tàu, bạn sẽ được quay trở về ở tuổi 35.

Nhưng đối với Trái Đất, 50 năm đã trôi qua.

Bạn bè cùng lớp giờ đã gần 80 tuổi. Quán cà phê bạn hay ngồi “chill” có lẽ đã biến mất từ ba thập kỷ trước. Những đứa trẻ con lít nhít từng nô đùa quanh xóm có thể đã dựng vợ gả chồng hết rồi.

Đây chính là một liệu trình chống lão hóa đắt đỏ nhất trong lịch sử – không hẳn là theo nghĩa tiền bạc – mà là để làm chậm tốc độ lão hóa, bạn phải chấp nhận để cả thế giới già đi trước mình.

Bạn không lãng phí tiền bạc vào công việc sửa chữa các tế bào. Bạn đang cố gắng sửa chữa lại tốc độ của chính mình.

Vậy thì làm thế nào mà điều này lại có thể xảy ra?

Câu trả lời đó chính là Thuyết Tương Đối Hẹp.

1. Việc thay đổi tốc độ có thể tạo ra nếp nhăn trên khuôn mặt của những người khác như thế nào?

Trước tiên, bạn cần phải hiểu rằng thuyết tương đối không thể giúp bạn quay trở về tuổi 20. Nó không thể xóa sạch đi các nếp nhăn. Nó không thể sửa chữa các DNA đã bị tổn thương. Nó không thể biến một người 70 tuổi thành người 25 tuổi với làn da căng bóng và đầu gối không phát ra âm thanh khi gập xuống.

Nó thực hiện một “phép thuật” khác mới lạ hơn nhiều: Nó cho phép bạn sử dụng ít thời gian hơn so với người khác.

Để có thể hiểu được tại sao việc lao với vận tốc điên cuồng trong không gian lại có thể giúp cho bạn níu giữ được thanh xuân, chúng ta phải lật giở lại một trong những cột mốc vĩ đại nhất trong lịch sử khoa học.

Vào trước những năm 1900, cả thế giới – bao gồm cả bộ óc của thiên tài vĩ đại bậc nhất, Sir Isaac Newton – đều tin rằng thời gian là một dòng chảy tuyệt đối: Một giây ở Hà Nội bằng với một giây trên sao Hỏa hay một giây ở trung tâm của dải Ngân Hà. Thời gian giống như một kẻ ngoài cuộc, một người quan sát khách quan gõ nhịp đều đặn cho tất cả các vật thể và sinh vật trong vũ trụ này.

Thế nhưng vào năm 1905, Albert Einstein lại không nghĩ như vậy. Đối với ông, thời gian là một trải nghiệm mang tính cá nhân và chủ quan. Nó có thể co giãn tùy thuộc vào việc bạn đang di chuyển nhanh hay chậm.

Và tất cả đều bắt đầu từ một hằng số: Tốc độ ánh sáng – c = 299.792.458 m/s

Định đề thứ nhất của thuyết tương đối hẹp

Đầu tiên, mọi vận tốc đều được đặt trong một mối quan hệ tương đối so với một hệ quy chiếu nào đó. 

• Ví dụ, chuyển động của một chiếc ô tô được đo lường tương đối so với vị trí ban đầu của nó trên con đường mà nó đang di chuyển; 
• Chuyển động của một chiếc tên lửa được đo lường tương đối so với bệ phóng mà từ đó nó được phóng đi 
• Hay chuyển động quỹ đạo của một hành tinh được đo lường tương đối so với ngôi sao mà nó đang quay quanh. 

Như vậy, hệ quy chiếu quán tính là hệ quy chiếu trong đó một vật ở trạng thái nghỉ sẽ vẫn ở trạng thái nghỉ và một vật đang chuyển động sẽ chuyển động với vận tốc không đổi trên một đường thẳng (tức là không có gia tốc) trừ khi có một lực tác động đến từ bên ngoài.

Từ đây, Einstein đã xây dựng tiên đề đầu tiên trong lý thuyết của mình, rằng các định luật vật lý đều giống nhau trong mọi hệ quy chiếu quán tính. Giả thuyết này phủ nhận sự tồn tại của một hệ quy chiếu quán tính đặc biệt hoặc ưu việt hơn. Ví dụ, chúng ta không thể xác định bất kỳ hệ quy chiếu quán tính nào đang ở trạng thái “đứng yên tuyệt đối”. Chúng ta chỉ có thể xác định chuyển động tương đối của hệ quy chiếu này so với hệ quy chiếu khác.

Định đề thứ hai của thuyết tương đối hẹp

Vào cuối thế kỷ XIX, nền tảng của vật lý cổ điển dường như đã được thiết lập một cách vô cùng vững chắc, nổi bật hơn cả chính là các phương trình điện từ của Maxwell. Các phương trình này đã chỉ ra rằng sóng điện từ đang được truyền đi với tốc độ là 300.000 km/s trong môi trường chân không.

Nhưng ánh sáng đang chuyển động so với cái gì?

Có rất nhiều các loại sóng đã được biết đến và tất cả đều được truyền đi trong một môi trường nào đó: Sóng âm thanh thì được truyền đi trong không khí; sóng nước thì được truyền đi trong môi trường nước. Do đó, các nhà khoa học cho rằng ánh sáng ắt hẳn phải được truyền đi trong một môi trường nào đó. Họ gọi nó là ether.

Bắt đầu từ giữa những năm 1880, nhà vật lý người Mỹ A.A. Michelson, cùng với sự hỗ trợ của E.W. Morley, đã thực hiện một loạt các thí nghiệm nhằm trực tiếp đo đạc tốc độ của ánh sáng. Mục đích của họ là chứng minh sự tồn tại của ether.

Vì Trái Đất quay quanh Mặt Trời với vận tốc xấp xỉ là 30 km/s, các nhà khoa học lập luận rằng hành tinh của chúng ta chắc hẳn phải liên tục di chuyển trong không gian ether này và tạo ra “gió ether”. Họ đưa ra giả thuyết rằng ánh sáng di chuyển cùng chiều với gió ether sẽ nhanh hơn ánh sáng di chuyển ngược chiều hoặc vuông góc với nó.

Để có thể đo lường được loại gió này, Michelson và Morley đã sử dụng một dụng cụ được gọi là giao thoa kế.

Đầu tiên, một tia sáng duy nhất sẽ được chiếu vào một chiếc gương bán mạ bạc (được gọi là bộ tách chùm tia). Chiếc gương này sẽ tách ánh sáng ban đầu thành hai chùm tia giống hệt nhau: Chùm tia thứ nhất sẽ đâm thẳng về phía trước (song song với chiều chuyển động của Trái Đất trong không gian), trong khi chùm tia thứ hai lại di chuyển vuông góc với chiều “thổi” của “gió ether”. Lúc này, cả hai chùm tia sẽ đập vào chiếc gương ở xa, phản xạ trở lại và cùng nhau di chuyển về phía màn thu.

Nếu gió ether tồn tại, chùm tia truyền song song với chuyển động của Trái Đất sẽ bị chậm lại, từ đó các sóng ánh sáng sẽ chồng chéo lên nhau và tạo ra một mô hình giao thoa.

Và kết quả thu được thật đáng kinh ngạc.

Mặc dù đã thử nghiệm rất nhiều lần vào các thời điểm khác nhau trong ngày, họ vẫn không thể quan sát thấy bất kỳ sự thay đổi nào đối với tốc độ của ánh sáng. Ether không hề tồn tại và tốc độ ánh sáng hoàn toàn không bị ảnh hưởng bởi chuyển động của người quan sát. 

Kết luận có thể rút ra từ thí nghiệm này đó chính là ánh sáng, không giống như các sóng cơ học như âm thanh hay sóng nước, không cần có một môi trường để truyền đi. Hơn nữa, tốc độ ánh sáng cũng không hề phụ thuộc vào chuyển động của nguồn sáng so với người đang quan sát. Điều này có nghĩa là vận tốc của ánh sáng là một hằng số cố định trong vũ trụ này: Ánh sáng truyền trong chân không với cùng một vận tốc (c – 300.000 km/s) theo mọi hướng trong mọi hệ quy chiếu quán tính.

Và chỉ riêng một dòng này thôi cũng đã mở ra hàng sa số các khả năng mới.

Phép biến đổi Lorentz

Nhưng để có thể hiểu rõ được các khả năng này, trước tiên chúng ta cần phải xét tới một phép biến đổi rất đặc biệt trong thuyết tương đối.

Trong vũ trụ này, mỗi người trong chúng ta sẽ đều có một hệ quy chiếu riêng (do đó mới được gọi là “tương đối”). Ví dụ, khi bạn đang đứng yên thì chiếc xe ô tô này đang di chuyển ra xa. Nhưng trong hệ quy chiếu của người lái, bạn mới chính là người đang di chuyển.

Vậy thì ai đúng ai sai trong chuyện này?

Để có thể trả lời được câu hỏi này, chúng ta cần xây dựng nên một sơ đồ không – thời gian. Giả sử bạn đang đứng ở trên vỉa hè quan sát một chiếc ô tô đang chạy sượt qua mặt mình. Từng khoảnh khắc sẽ được chụp lại thành những bức ảnh. Sau đó, chúng ta sẽ chồng những “khoảnh khắc” này lên nhau để tạo thành một sơ đồ với dòng thời gian hướng lên phía trên.

Trong sơ đồ này, bạn và người lái xe đang di chuyển về tương lai, từ đó tạo ra một đường thế giới (world line) riêng của mỗi người: Bạn sẽ tạo thành một đường thẳng trong khi người lái xe đang tạo ra một đường chéo. Đây chính là sơ đồ miêu tả tình huống đến từ hệ quy chiếu quán tính của bạn – một người đang đứng yên trên vỉa hè.

Nhưng sơ đồ không – thời gian này sẽ thay đổi như thế nào nếu đứng từ góc nhìn của người đang lái xe?

Để có thể tạo ra được sơ đồ dưới góc nhìn của người đang lái xe, chúng ta phải dịch chuyển tất cả các lát cắt để đặt anh ta vào trung tâm. Chiếc xe giờ đã hoàn toàn đứng yên và bạn chính là người đang di chuyển ra xa. Đây chính là phép biến đổi Galilean.

Như vậy, việc dịch chuyển các lát cắt không gian sẽ cho phép chúng ta thay đổi hệ quy chiếu của mình và việc ai là người chuyển động hoàn toàn phụ thuộc vào cách chúng ta chọn hệ quy chiếu. Chuyển động chỉ là tương đối.

Nhưng giả sử như người đang lái xe quyết định ném một quả bóng về phía trước, tốc độ của quả bóng này ắt hẳn sẽ phải nhanh hơn do được cộng thêm tốc độ di chuyển đến từ chiếc ô tô.

Nhưng hãy tưởng tượng rằng cả bạn và người lái xe cùng bật đèn pin. Theo trực giác thông thường, tốc độ ánh sáng đến từ chiếc đèn pin của người đang lái xe ắt hẳn phải nhanh hơn so với tốc độ ánh sáng đến từ chiếc đèn pin của bạn. Tuy nhiên, trái ngược với tất cả các kỳ vọng, tốc độ ánh sáng ở đây là như nhau. Đây chính là “giới hạn tốc độ” của vũ trụ này – một đại lượng không đổi trong mọi hệ quy chiếu.

Bây giờ, hãy tưởng tượng rằng bạn đang cầm hai chiếc đèn pin chiếu sang hai bên. Trong hệ quy chiếu của bạn, cả hai tia sáng này đều có tốc độ như nhau.

Nhưng đối với người lái xe, sơ đồ này đã bị lệch về một bên – tức là tia sáng bên trái đang di chuyển nhanh hơn so với tia sáng bên phải – hoàn toàn trái ngược với thực tế là ánh sáng di chuyển trong không gian với tốc độ không đổi.

Vậy thì để giữ cho tốc độ ánh sáng không đổi, chúng ta cần phải làm gì?

Để có thể làm được điều này, chúng ta không những phải dịch chuyển không gian mà còn phải dịch chuyển cả thời gian nữa.

Với phương pháp này, chúng ta hoàn toàn có thể thay đổi hệ quy chiếu trong khi vẫn giữ nguyên được tốc độ ánh sáng. Đây chính là phép biến đổi Lorentz.

Ý tưởng ở đây thật sự là rất đáng kinh ngạc: Cả không gian và thời gian đều bị biến dạng tùy thuộc vào người quan sát: Khoảng thời gian giữa các sự kiện, thứ tự xảy ra của chúng hay thậm chí là chiều dài của các vật thể…Tất cả đều là tương đối – tức là chúng hoàn toàn có thể thay đổi từ góc nhìn này sang góc nhìn khác.

Ví dụ, hai sự kiện xảy ra cách nhau 1s trong hệ quy chiếu này nhưng lại là 1,01s ở hệ quy chiếu khác. Một chiếc xe có thể dài 4m trong hệ quy chiếu của chính nó nhưng có thể lại ngắn hơn một chút trong hệ quy chiếu của người đứng ven đường.

Khi một vật thể đang chuyển động tương đối so với chúng ta, đồng hồ của nó dường như đang trôi qua chậm hơn và chiều dài của nó dường như đã bị co lại.

Như vậy, chúng ta có thể thấy rằng, sơ đồ không – thời gian trên đây đơn giản chỉ là một cách đơn giản hóa cấu trúc của vũ trụ với 3 chiều không gian và 1 chiều thời gian. Và với tấm bản đồ này, chúng ta hoàn toàn có thể sử dụng phép biến đổi Lorentz để chuyển đổi hệ quy chiếu và quan sát nó dưới một góc nhìn khác.

Với phép biến đổi này, chúng có thể bảo toàn các đường thẳng và thể tích. Dẫu vậy, khoảng cách giữa các điểm dường như lại không được bảo toàn: Một số điểm di chuyển ra xa trong khi các điểm khác lại được kéo vào gần nhau hơn.

Nhưng điểm đặc biệt nhất chính là phép quay trong phép biến đổi Lorentz đã tạo nên các đường hyperbol.

Tại đây, phép quay hyperbol đã phân biệt cho chúng ta hai loại hướng: Đầu tiên đó chính là trục thời gian hướng từ dưới lên trên và trục không gian hướng từ trái sang phải.

Vì không có bất cứ thứ gì có thể di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng, các tia sáng này đã tạo nên một hình nón giúp phân tách rõ ràng không gian và thời gian: Tất cả các sinh vật trong vũ trụ này chỉ có thể tiến về phía tương lai mà không thể quay ngược thời gian trở về quá khứ. Chúng ta đã bị giam cầm trong chiếc nón ánh sáng này trong mọi hệ quy chiếu.

Bên cạnh đó, do đường hyperbol kéo dài đến vô tận nên chúng ta có thể dịch chuyển không thời gian bao nhiêu tùy thích. Và góc của một phép quay không – thời gian được gọi là vận tốc – một đại lượng đo lường tốc độ di chuyển của hệ quy chiếu này so với hệ quy chiếu khác.

Ví dụ, vận tốc của một chiếc xe là góc giữa hệ quy chiếu của chính nó và hệ quy chiếu của bạn – người đang đứng yên ở vỉa hè.

Nếu xe tăng tốc, độ lớn của góc này sẽ tăng lên. Nếu nó tăng tốc trong một khoảng thời gian vô hạn, nó sẽ đạt được đến tốc độ ánh sáng. Đây chính là tốc độ tối đa mà một vật thể có thể đạt được về mặt lý thuyết khi tăng tốc trong một khoảng thời gian vô hạn.

Khi thời gian “giãn nở”

Bây giờ, hãy tưởng tượng rằng bạn là một vị tỷ phú đang ngồi bên trong phòng tư vấn của tiệm “hồi xuân” do Einstein điều hành. Thay vì giải thích liệu pháp của mình bằng những thuật ngữ khó hiểu, ông ấy sẽ chỉ cho bạn xem một thiết bị kỳ lạ được gọi là Đồng hồ ánh sáng.

Thiết bị này cấu tạo vô cùng đơn giản: Hai tấm gương phẳng được đặt đối diện nhau và ở giữa có một hạt photon bay nhảy lên xuống. Mỗi lần hạt photon này chạm vào tấm gương phía dưới, đồng hồ sẽ kêu một tiếng “tích” và khi chạm vào tấm gương phía trên sẽ kêu một tiếng “tắc”. Mỗi chu kỳ “tích – tắc” này đại diện cho một đơn vị thời gian.

Tại đây, sẽ có hai kịch bản xảy ra:

Kịch bản 1 – Bạn đứng yên dưới mặt đất: Trong kịch bản này, photon sẽ chạm vào tấm gương bên dưới, nảy lên rồi chạm vào tấm gương phía trên. Quãng đường di chuyển của nó là đường thẳng ngắn nhất nối liền giữa hai tấm gương. Với tốc độ này, photon sẽ mất một khoảng thời gian cực ngắn Δt để tạo ra một tiếng “tích – tắc”.

Kịch bản 2 – Bạn bước vào khoang tàu và phóng ra khỏi Trái Đất với vận tốc “cận” ánh sáng: Con tàu lao đi vun vút trong không gian. Khi bạn ngồi bên trong con tàu, photon vẫn bay lên và hạ xuống theo phương thẳng đứng. Nhưng đối với góc nhìn của một người bạn đang đứng ở bên dưới mặt đất dõi theo con tàu của bạn, đây là một câu chuyện hoàn toàn khác. Vì con tàu đang di chuyển về phía trước với vận tốc cực lớn, người dưới mặt đất sẽ thấy photon không còn di chuyển theo phương thẳng đứng nữa. Để có thể bắt kịp tấm gương đang lao đi, photon sẽ phải di chuyển theo một đường zigzag – chéo lên rồi lại chéo xuống.

Về mặt hình học, một đường chéo sẽ luôn luôn dài hơn một đường thẳng. Quãng đường mà hạt photon phải đi trong kịch bản 2 rõ ràng đã dài hơn rất nhiều so với kịch bản 1.

Và đây chính là lúc “cơn ác mộng” đã thực sự bắt đầu. 

Theo các định luật vật lý thông thường, nếu như quãng đường dài hơn, bạn chỉ cần chạy nhanh hơn để có thể đến đích đúng giờ. Nhưng ánh sáng thì không! Nó là một kẻ rất bướng bỉnh. Dù bạn đứng yên, chạy nhảy hay đang ngồi trên tên lửa, tốc độ của ánh sáng đo được trong môi trường chân không sẽ luôn luôn là 299.792.458 m/s, không hơn, không kém.

Vì tốc độ của ánh sáng là cố định nên photon sẽ không thể tăng tốc để bù đắp cho quãng đường zigzag dài ngoằng đó. Điều này có nghĩa là nó phải tốn nhiều thời gian hơn để có thể hoàn thành một chu kỳ chạm gương. Người quan sát ở dưới mặt đất nhìn lên sẽ thấy hạt photon trên tàu của bạn đang mất rất nhiều thời gian để chỉ để tạo ra một tiếng “tích – tắc”.

Như vậy, khoảng thời gian sẽ có những giá trị khác nhau khi được đo trong các hệ quy chiếu quán tính khác nhau.

Trong hệ quy chiếu của phi hành gia, quãng đường mà photon di chuyển sẽ được xác định bằng công thức:

Tuy nhiên, trong hệ quy chiếu của người quan sát trên Trái Đất, quãng đường mà photon di chuyển lại trở nên tương đối phức tạp:

trong đó L là quãng đường mà tàu vũ trụ đang di chuyển với vận tốc v: 2L = vΔt (so với người quan sát trên Trái Đất)

Như vậy, chúng ta đã có trong tay 3 phương trình:

Từ đây, chúng ta sẽ thu được:

Cuối cùng, ta có:

Hay:

Với:

Như vậy, đối với phi hành gia, khoảng thời gian này là nhỏ hơn so với khoảng thời gian mà người quan sát ở Trái Đất đã trải qua. Hiệu ứng này là hoàn toàn có thật. Sự giãn nở của thời gian là một thuộc tính nội tại của chính nó. Nếu bạn đang di chuyển với tốc độ rất cao, tất cả các loại đồng hồ, bao gồm cả đồng hồ sinh học, chẳng hạn như nhịp tim, tốc độ phân chia tế bào, tốc độ máu chảy qua tim, tốc độ các xung thần kinh chạy qua não và cả tốc độ hình thành nên các nếp nhăn trên trán của bạn…tất cả đều được quan sát thấy là chạy chậm hơn so với một chiếc đồng hồ đứng yên.

Lưu ý rằng nếu tốc độ tương đối nhỏ hơn rất nhiều so với tốc độ ánh sáng (v<<c), điều này có nghĩa là v²/c² là cực kỳ nhỏ và khoảng thời gian Δt và Δt’ sẽ gần như là bằng nhau. 

Trong đời sống hàng ngày, những chênh lệch này là rất nhỏ. Tuy nhiên, đối với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng, v²/c² tiến dần đến một, vậy nên 1 − v²/c² sẽ là rất nhỏ và Δt sẽ trở nên lớn hơn rất nhiều so với Δt’ – tức là thời gian đã bị kéo giãn ra.

Cách muon “đánh cắp thời gian”

Có rất nhiều bằng chứng thực nghiệm đã chứng minh rằng phương trình Δt = 𝛾Δt’ là hoàn toàn chính xác, một trong số đó được tìm thấy trong các tia vũ trụ liên tục “hành quân” đến Trái Đất từ các vùng ​​không gian sâu thẳm. Các vụ va chạm của những dòng tia này với các hạt nhân trong tầng khí quyển phía trên đã tạo ra các hạt muon có tuổi thọ rất ngắn. Chu kỳ bán rã của một hạt muon rơi vào khoảng 1,52 μs khi nó đứng yên so với người quan sát. 

Khoảng thời gian ngắn ngủi này chỉ cho phép rất ít muon có thể chạm đến được bề mặt của Trái Đất và được phát hiện. Tuy nhiên, các muon được tạo ra bởi các tia vũ trụ có rất nhiều vận tốc khác nhau với một số hạt có thể đạt đến gần tốc độ ánh sáng. 

Giả sử một tia vũ trụ va chạm với một hạt nhân trong tầng khí quyển phía trên của Trái Đất đã tạo ra một hạt muon có vận tốc là 0,950⁢c. Sau đó, muon chuyển động với vận tốc không đổi và tồn tại trong 2,20 μs tính theo hệ quy chiếu của chính muon.

Vậy thì muon này tồn tại trong bao lâu theo hệ quy chiếu của người quan sát trên Trái Đất?

Như vậy, hạt muon chuyển động càng nhanh thì tuổi thọ của nó càng dài. Trên Trái Đất, chúng ta thấy rằng hạt muon tồn tại lâu hơn rất nhiều so với thời gian bán rã dự đoán trong hệ quy chiếu của chính nó. Khi quan sát từ hệ quy chiếu của chúng ta, hạt muon đã phân rã chậm hơn. Kết quả là, rất nhiều các hạt muon đã chạm được vào mặt đất.

Nhưng muon còn “đánh cắp” một thứ khác

Nhưng thời gian không phải là thứ duy nhất mà hạt muon này đã đánh cắp. Đối với người quan sát trên Trái Đất, hạt muon di chuyển với vận tốc 0,950c trong 7,05 μs kể từ khi được tạo ra cho đến khi phân rã. Do đó, nó di chuyển trên một quãng đường tương đối so với Trái Đất (tức là khi Trái Đất đứng yên) là:

Trong hệ quy chiếu của muon (tức là khi muon đứng yên và tất cả mọi thứ xung quanh nó chuyển động), tuổi thọ của muon là 2,20 μs. Trong hệ quy chiếu này, Trái đất, không khí và mặt đất chỉ có thể di chuyển trên một quãng đường là:

Vậy thì điều gì đang diễn ra ở đây vậy?

Điều này xảy ra là do dưới hệ quy chiếu quán tính của người quan sát trên Trái Đất, các điểm mà muon được tạo ra và phân rã là cố định. Khoảng cách giữa hai điểm này được gọi là chiều dài riêng (proper length – L₀) – là khoảng cách giữa hai điểm được đo bởi một người quan sát đứng yên so với cả hai điểm đó.

Nhưng đối với muon, Trái Đất, không khí và mây đang chuyển động xung quanh nó, vì vậy khoảng cách mà nó “nhìn thấy” đã bị co rút so với khoảng cách của chính chúng ta.

Đối với người quan sát, muon đang di chuyển với vận tốc so với quan sát viên (đang đứng yên) là:

Nhưng đối với muon, người quan sát và mọi thứ xung quanh nó đang di chuyển với vận tốc là:

Do muon đang di chuyển với tốc độ ánh sáng – mà tốc độ ánh sáng là không đổi, nên ta có:

Do thời gian cũng giãn nở (Δt = γΔt’), phương trình trên sẽ trở thành:

Như vậy, muon không chỉ “đánh cắp” thời gian. Nó còn “đánh cắp” cả không gian nữa.

Nếu bạn tiến hành đo đạc chiều dài của bất kỳ vật thể nào đang chuyển động tương đối so với chính bạn (đang đứng yên), chúng ta sẽ thấy rằng quãng đường L mà nó di chuyển được sẽ nhỏ hơn quãng đường thực tế L₀

Ví dụ, trong hệ quy chiếu của muon, quãng đường mà Trái Đất di chuyển giữa nơi muon được tạo ra và nơi nó phân rã ngắn hơn so với quãng đường mà muon di chuyển khi nhìn từ hệ quy chiếu của Trái Đất. Mây. núi, khu rừng… tất cả đều bị co lại dọc theo hướng chuyển động khi nhìn từ hệ quy chiếu của muon.

Vậy thì tại sao chúng ta không thể nhận thấy sự co rút độ dài trong cuộc sống hàng ngày?

Đó là do khoảng cách từ nhà bạn đến cửa hàng tạp hóa dường như là không đáng kể. Ở phương trình L = L₀⁢√1− (v²/c²), chúng ta sẽ thấy rằng ở vận tốc rất thấp (v<<c), L và L₀ gần như là bằng nhau và hoàn toàn phù hợp với các nguyên tắc của vật lý cổ điển.

Nhưng sự co rút chiều dài là một hiện tượng có thật. Ví dụ, một hạt mang điện như electron chuyển động với vận tốc tương đối tính có các đường sức điện trường bị nén dọc theo hướng chuyển động khi được quan sát bởi một người quan sát đang đứng yên.

Hiệu ứng này đã được quan sát thấy tại Máy gia tốc tuyến tính Stanford (SLAC) dài 3 km. Trên thực tế, đối với hệ quy chiếu của một electron, máy gia tốc và Trái Đất đều đang chuyển động so với electron và đang bị co lại. Hiệu ứng co rút này lớn đến mức máy gia tốc chỉ dài 0,5 m đối với electron.

2. Nghịch lý của cặp song sinh

Và một hệ quả rất thú vị của sự giãn nở thời gian và co rút không gian đó chính là nghịch lý của cặp song sinh.

Vào sinh nhật lần thứ 20, bạn và người em sinh đôi của mình đã xung phong tham gia một thí nghiệm. Người em của bạn sẽ ở lại Trái Đất trong khi bạn sẽ bước lên tàu vũ trụ. Con tàu của bạn sẽ di chuyển với tốc độ bằng 80% tốc độ ánh sáng để đi đến một ngôi sao cách Trái Đất khoảng 4 năm ánh sáng rồi sau đó trở về Trái Đất với cùng vận tốc này.

Vậy thì điều gì sẽ xảy ra khi hai bạn gặp lại nhau?

Vì một năm ánh sáng chính là quãng đường mà ánh sáng đi được trong vòng một năm, đối với người em song sinh trên Trái Đất, hành trình cả đi cả về của bạn sẽ phải kéo dài đến tận:

Trong đó chiều đi mất 5 năm và chiều về mất 5 năm

Nhưng như chúng ta đã biết, mọi chuyện không hề đơn giản như vậy.

Trước hết, một vật thể di chuyển càng nhanh trong không gian thì thời gian mà nó trải qua càng chậm so với người quan sát đang đứng yên, được thể hiện bằng hệ số Lorentz ở bên trên:

Kế đến, chiều dài vật thể đang di chuyển được đo bởi người quan sát đang đứng yên sẽ bị co lại bằng đúng hệ số đó. Tại vận tốc bằng 80% vận tốc ánh sáng, hệ số Lorentz có giá trị bằng:

nghĩa là thời gian trên tàu vũ trụ sẽ trôi chậm đi:

Tất nhiên là bạn sẽ không thể nhận ra điều này bởi tất cả mọi thứ xung quanh bạn lúc bấy giờ cũng đều trôi chậm lại – chiếc đồng hồ, các thiết bị điện tử, nhịp điệu sinh học, tốc độ lão hóa hay nhận thức của chính bạn về thời gian. Chỉ có người quan sát trong hệ quy chiếu quán tính như người em song sinh của bạn trên Trái Đất mới có thể nhận thấy thời gian trên tàu của bạn đang trôi chậm đi.

Do hiện tượng co rút chiều dài, trong hệ quy chiếu của bạn, bạn sẽ quan sát thấy khoảng cách giữa mình và Trái Đất đang co lại còn 0,6 x 4 = 2,4 năm ánh sáng cho cả hành trình đi và về, với mỗi nửa của hành trình sẽ chỉ mất khoảng 2,4 / 0,8 = 3 năm. Toàn bộ hành trình mất tổng cộng là 6 năm.

Do đó, người em song sinh của bạn có thể dễ dàng kết luận rằng khi gặp lại nhau trên Trái Đất, nó sẽ già hơn bạn.

Nhưng đây chỉ là cái nhìn hoàn toàn một chiều.

Vì mọi chuyển động đều là tương đối, bạn có thể lí luận rằng tàu của bạn đang đứng yên trong khi phần còn lại của vũ trụ đang di chuyển xung quanh bạn. Trong trường hợp này, thời gian sẽ trôi chậm đi 1,67 lần đối với người em song sinh ở Trái Đất và cuối cùng thì bạn mới chính là người già hơn.

Cả hai đều không thể đồng thời già hơn người kia. Vậy thì ai mới là người đúng?

Và đây chính là “Nghịch lý song sinh”

Để có thể giải quyết nghịch lý này, hai bạn đã đồng ý gửi một luồng ánh sáng đến người kia cứ sau mỗi một năm trôi qua. Như chúng ta đã biết, tốc độ ánh sáng luôn luôn là một hằng số bất chấp hệ quy chiếu của người quan sát. 

Từ đây, chúng ta sẽ có thể phân tích diễn biến trên một hệ toạ độ: Trục X đánh dấu khoảng cách từ Trái Đất đến ngôi sao gần đó và trục Y đánh dấu khoảng thời gian để đến được đó.

Đối với hệ quy chiếu của người em song sinh của bạn, đường biểu diễn chỉ đơn giản là một đường thẳng đứng với khoảng cách bằng không. Nhưng đối với bạn, đường biểu diễn của bạn chính là một đường thẳng kéo dài từ gốc tọa độ cho đến điểm 5 năm trên trục thời gian – 5 năm cho chiều đi và thêm 5 năm nữa cho chiều về, tổng cộng là 10 năm, cùng với đó là 4 năm ánh sáng tính từ vị trí của người em song sinh của bạn, trước khi hội tụ tại điểm có khoảng cách bằng 0.

Ở năm đầu tiên, người em song sinh của bạn sẽ gửi một tia sáng từ Trái Đất hướng đến con tàu của bạn. Vì ánh sáng mất tận một năm để di chuyển, đường đi của nó sẽ là một đường chéo 45^o để tạo thành một nón ánh sáng.

Ngay sau khi khởi hành, bạn đang nhìn thấy người em song sinh ở nhà mà không có bất kỳ độ trễ thời gian nào. Nhưng bởi vì bạn đang di chuyển ra xa, tại thời điểm mà ánh sáng bắt kịp được bạn, tổng cộng đã 5 năm trôi qua với người em song sinh của bạn và 3 năm với chính bạn. Khi bạn đến nơi, hình ảnh mà bạn nhận được chính là hình ảnh người em song sinh ở độ tuổi 21 – trong khi giờ nó đã 25 tuổi rồi. Độ tuổi của bạn lúc này sẽ là 23.

Trong chặng đường này, thời gian của bạn dường như đang trôi đi bằng với 1/3 tốc độ bình thường. Dĩ nhiên, tần số quan sát được của tín hiệu cũng bằng 1/3 tần số của chùm ánh sáng phát ra ban đầu.

Vậy thì làm thế nào mà chúng ta có thể tính toán được con số này?

Đây được gọi là hiệu ứng Doppler tương đối tính. Tần số mà bạn quan sát được – f_obs sẽ dịch chuyển đỏ khi đang di chuyển ra xa một nguồn có tần số ban đầu – f_src – được xác định bởi công thức:

Tại đây, f_obs / f_src = 1/3 với v/c = 0,8

Tại thời điểm quan sát thấy luồng sáng thứ hai đến từ người em song sinh, bạn đang trên đường quay trở về. Bây giờ, vì bạn đang di chuyển về phía nguồn sáng, ánh sáng sẽ mất ít thời gian hơn để đến được chỗ của bạn và bạn sẽ nhìn thấy các luồng sáng thường xuyên hơn. Điều này đồng nghĩa với việc là bạn sẽ thấy người em song sinh già đi một cách chậm hơn trong nửa đi của hành trình và nhanh hơn trong nửa về.

Còn đối với bạn, ngôi sao và toàn bộ vũ trụ đang di chuyển xung quanh bạn. Khi bạn gửi tín hiệu đầu tiên đến Trái Đất sau 1 năm, 1,67 năm đã trôi qua với người em song sinh của bạn. Bạn sẽ gửi tiếp bốn luồng sáng nữa trong suốt nửa đi của hành trình, mỗi lần từ một vị trí xa hơn. Tại thời điểm người em song sinh của bạn nhìn thấy tín hiệu đầu tiên từ nửa về trong cuộc hành trình của bạn, hơn 9 năm đã trôi qua với đứa em của bạn.

Với phần hành trình về nhà còn lại của bạn, người em song sinh của bạn nhận được ngày càng nhiều luồng sáng mỗi năm. Do đó, nó sẽ nhận thấy bạn già đi chậm hơn trong gần 90% khoảng thời gian 10 năm xa nhau và nhanh hơn trong khoảng 10% còn lại.

Khi tàu vũ trụ của bạn di chuyển về phía người em song sinh trên Trái Đất, tần số mà nó quan sát được sẽ dịch chuyển xanh và được biểu thị bằng công thức sau:

Tại đây, f_obs / f_src = 3 với v/c = 0,8

Đối với hệ quy chiếu của bạn ở trên tàu vũ trụ và nhận các tín hiệu đến từ Trái Đất (hình ảnh bên trái), bạn đang nhìn thấy hình ảnh dịch chuyển đỏ trong 3 năm. Trong khoảng thời gian đó, bạn sẽ thấy người em song sinh trên Trái đất già đi:

Sau đó, bạn sẽ nhìn thấy hình ảnh dịch chuyển xanh trong chuyến trở về kéo dài 3 năm. Trong khoảng thời gian đó, hình ảnh người em song sinh trên Trái đất dường như già đi:

Khi chuyến hành trình kết thúc, người em song sinh trên Trái đất đã già đi 1 + 9 = 10 năm.

Ngược lại, đối với hệ quy chiếu của người em song sinh trên Trái đất, nó sẽ nhìn thấy hình ảnh dịch chuyển đỏ của con tàu phát ra trong 9 năm. Trong khoảng thời gian đó, con tàu của bạn già đi:

Sau đó, hình ảnh dịch chuyển xanh sẽ được người em song sinh trên Trái Đất nhìn thấy trong 1 năm còn lại. Tại đây, con tàu của bạn sẽ già đi:

Như vậy, tổng thời gian con tàu của bạn già đi trong các hình ảnh mà Trái Đất nhận được là 3 + 3 = 6 năm.

Như vậy, 10 năm trên Trái Đất bằng với 6 năm trên tàu. Khi hai bạn gặp lại nhau, tuổi của đứa em song sinh sẽ là 30 trong khi bạn sẽ là 26.

Như vậy, trong suốt chiều đi của cuộc hành trình, cả hai bạn đều nhìn thấy người anh em song sinh của mình già đi với tốc độ chỉ bằng 1/3 tốc độ của chính mình. Nói theo cách khác, cả hai bạn đều thấy đồng hồ của người kia chạy với tốc độ bằng với 1/3 tốc độ trong chiếc đồng hồ của mình.

Ngược lại, trong suốt hành trình trở về, cả hai bạn đều nhìn thấy đồng hồ của người kia chạy nhanh gấp 3 lần so với chiếc đồng hồ của chính mình.

Điểm sai của bạn là giả định rằng bạn và người em song sinh trên Trái Đất đều ở trên cùng một hệ quy chiếu quán tính. Nhưng để là một người quan sát quán tính, một trong hai phải duy trì vận tốc và hướng không đổi tương đối so với phần còn lại của vũ trụ. Như vậy Nghịch lý song sinh hóa ra không còn là một nghịch lý nữa.

2. Tỷ suất sinh lời của tuổi trẻ

Bất kỳ một vị khách hàng thông minh nào khi bỏ ra một số tiền khổng lồ đều muốn biết rất rõ rằng:

Tỷ suất hoàn vốn (ROI) của tôi là bao nhiêu? Tôi bay nhanh như thế này thì tôi sẽ trẻ hơn những người ở nhà chính xác là bao nhiêu năm?

Để trả lời câu hỏi mang tính thương mại này, chúng ta không thể nói suông bằng văn thơ mà phải sử dụng phương trình cốt lõi của Thuyết Tương Đối Hẹp ở bên trên:

Trong đó:

• Δt’ là khoảng thời gian trôi qua trên chiếc đồng hồ đeo tay của chính bạn bên trong khoang tàu (Thời gian trong hệ quy chiếu chuyển động).
• Δt là khoảng thời gian trôi qua đối với người quan sát trên Trái Đất (Thời gian trong hệ quy chiếu đứng yên).
• v: Vận tốc di chuyển của con tàu mà bạn đã trả tiền mua.
• c: Tốc độ ánh sáng.
• γ là Hệ số Lorentz – chỉ số thể hiện mức độ hiệu quả của liệu trình chống lão hóa. Hệ số γ càng cao, bạn càng già chậm so với toàn bộ thế giới.

Bây giờ, chúng ta hãy cùng trải nghiệm 3 gói dịch vụ từ thấp đến cao.

Gói Cơ Bản (v = 0,1c – 10% Tốc độ ánh sáng)

Hãy bắt đầu với vận tốc rơi vào khoảng 30.000 km/s. Con số này đã là một tốc độ không tưởng đối với công nghệ loài người hiện tại (nhanh gấp hàng nghìn lần so với máy bay phản lực nhanh nhất). Hãy áp con số này vào công thức để tính toán ra hệ số γ:

Kết quả là hệ số Lorentz chỉ vỏn vẹn bằng 1,005. Điều này có nghĩa là gì? Nếu như toàn bộ cư dân ở Trái Đất đã trải qua đúng 1.000 ngày (khoảng gần 3 năm) thì bên trong con tàu của bạn, thời gian trôi qua sẽ là:

Bạn bỏ ra hàng nghìn tỷ USD, chịu đựng việc bị cô lập trong không gian để rồi sau 3 năm, bạn chỉ trẻ hơn người ở nhà vỏn vẹn 5 ngày. Làn da của bạn hoàn toàn không có nhiều sự khác biệt. Một thương vụ đầu tư hoàn toàn lỗ vốn! Lý do là bởi ở vận tốc rất thấp so với tốc độ ánh sáng, mẫu số đang tiến đến rất gần con số 1, từ đó khiến cho thời gian của bạn và Trái Đất gần như là bằng nhau.

Gói Cao Cấp (v = 0,9c – 90% Tốc độ ánh sáng)

Rơi vào thế không còn gì để mất, bạn yêu cầu cơ trưởng nhấn ga lên mức 270.000 km/s. Lúc này, phép màu bắt đầu xuất hiện:

Hệ số γ đã nhảy vọt lên mức 2,29. Tại thời điểm này, cứ mỗi một giây bạn hít thở ở trên tàu, cư dân ở Trái Đất phải mất 2,29 giây để làm được điều đó. Nếu bạn thực hiện một chuyến du ngoạn kéo dài đúng 5 năm theo cảm nhận cơ thể của bạn (bạn ăn bấy nhiêu bữa, ngủ bấy nhiêu giấc), thì khi bạn quay trở lại Trái Đất, chiếc đồng hồ ở quê nhà đã trải qua:

Khi bạn bước xuống con tàu với làn da chỉ già đi 5 năm tuổi, bạn sẽ mỉm cười đắc chí khi gặp lại đám bạn cũ ở quê nhà – những người đã bị thời gian tàn phá suốt gần 12 năm ròng rã. Nếp nhăn của họ nhiều gấp đôi của bạn, cơ mặt của họ chảy xệ hơn, còn bạn thì vẫn giữ được nét căng tràn của tuổi trẻ. Khoản đầu tư đã bắt đầu có lãi!

Gói Siêu Cấp (v = 0,99c – 99% Tốc độ ánh sáng)

Đây là gói dịch vụ đỉnh cao nhất, nơi bạn chấp nhận đẩy vận tốc di chuyển của mình tiến sát vào ranh giới cấm của tự nhiên.

Hệ số γ đạt tới mức kỷ lục: 7,09. Trận chiến chống lại tuổi già đã hoàn toàn đảo chiều. Một năm trên tàu của bạn giờ đây tương đương với hơn 7 năm ở mặt đất.

Hãy nhìn vào bảng so sánh trực quan dưới đây để thấy sự bất công mà Thuyết Tương Đối đã tạo ra giữa bạn (người có tiền mua vận tốc) và phần còn lại của nhân loại (những người đứng yên):

Bằng cách bỏ tiền ra “mua” vận tốc 0,99c, bạn đã trải qua một quá trình “cải lão hoàn đồng” quá đỗi ngoạn mục. Bạn không hề đảo ngược các cơ chế sinh học của mình, bạn chỉ đơn giản là bắt cả thế giới phải già đi thay bạn. Trong khi bạn đang lật dở một vài trang sách trên tàu, hàng triệu con người ở quê nhà đang phải đối mặt với áp lực công việc, lão hóa, bệnh tật và cái chết với tốc độ nhanh gấp 7 lần.

3. Nhưng mọi thứ không dễ dàng đến thế…

Đến đây, chắc hẳn bạn đang vô cùng phấn khích và muốn rút ngay chiếc thẻ tín dụng của mình ra để có riêng cho mình liệu pháp “cải lão hoàn đồng” siêu cấp nhất. Nhưng đáng tiếc thay: Vũ trụ không bao giờ vận hành một cách dễ dàng như thế.

Trong câu chuyện “cải lão hoàn đồng” này, kẻ phản diện lớn nhất ngăn bạn chạm tay vào sự bất tử không phải là các tế bào ung thư hay sự suy giảm collagen. Kẻ phản diện ấy chính là Cơ học tương đối tính với phương trình nổi tiếng nhất lịch sử nhân loại:

Hoặc nói một cách chính xác hơn trong trạng thái chuyển động, công thức của khối lượng tương đối tính là:

Trong đó, m₀ là khối lượng tĩnh ban đầu của bạn (ví dụ bạn nặng 60 kg khi đang đứng trên Trái Đất), còn m là khối lượng của bạn khi tàu đang chạy ở vận tốc v.

Khi bạn tăng tốc con tàu lên gần bằng tốc độ ánh sáng, hệ số γ tăng lên không chỉ làm cho thời gian trôi chậm lại mà nó còn làm cho khối lượng của toàn bộ con tàu và chính cơ thể bạn tăng vọt lên.

• Ở vận tốc v = 0,9c, cơ thể 60kg của bạn giờ đây nặng khoảng 137 kg.
• Ở vận tốc v = 0,99c, cơ thể bạn nặng gấp 7 lần, tức là gần 425 kg.

Tất cả lượng động năng khổng lồ mà động cơ con tàu tạo ra không còn biến thành vận tốc nữa mà bị chuyển hóa hết thành khối lượng. Con tàu càng nặng, nó càng cần nhiều năng lượng hơn để đẩy đi. Và để có thể duy trì vận tốc 0,99c cho một con tàu, bạn sẽ cần một lượng năng lượng lớn hơn toàn bộ năng lượng mà loài người đã đốt cháy từ thời tìm ra lửa cho đến năm 2026 này cộng lại. Chi phí 100.000 tỷ USD của bạn sẽ được dùng để mua một nguồn năng lượng đủ sức hủy diệt cả một ngôi sao chỉ để làm nhiên liệu cho con tàu của bạn.

Chưa dừng lại ở đó, hãy nói về một rào cản sinh học khác: Gia tốc (G-force).

Cơ thể con người không phải là một khối sắt đậm đặc. Chúng ta được cấu tạo từ nước, cơ, mỡ và những mạch máu mỏng manh. Bạn không thể đang đứng yên ở bãi phóng mà “bụp” một cái đạt ngay vận tốc 297.000 km/s trong vòng một giây. Nếu làm như vậy, gia tốc tăng vọt đột ngột sẽ tạo ra một lực ép hàng nghìn lần trọng lực Trái Đất (G). Toàn bộ lượng máu bên trong cơ thể của bạn sẽ bị dồn hết về chân, các mạch máu não vỡ tung, xương cốt bị nghiền nát thành một “bãi nhầy” dính chặt vào ghế ngồi.

Để khách hàng VIP sống sót, con tàu buộc phải tăng tốc một cách cực kỳ êm ái ở mức gia tốc ổn định là 1g (9,8m/s² – bằng đúng gia tốc tự nhiên của Trái Đất giúp bạn cảm thấy như đang ngồi trên một khoang máy bay hạng thương gia cao cấp).

Nhưng hãy xem xét câu hỏi này: Với gia tốc êm ái 1g, con tàu của bạn sẽ mất bao lâu để đạt được vận tốc 0,99c?

Câu trả lời chính là bạn sẽ phải mất gần 1 năm chỉ để tăng tốc! Và khi muốn quay về, bạn lại phải mất thêm 1 năm nữa chỉ để giảm tốc về trạng thái đứng yên.

Nghĩa là trước khi bạn kịp tận hưởng cảm giác “ép cả thế giới già đi” ở vận tốc đỉnh cao, bạn đã phải lãng phí mất 2 năm cuộc đời của mình chỉ cho quá trình tăng tốc và hãm phanh. Tuổi trẻ thì chưa thấy đâu nhưng bạn đã già đi 2 tuổi bên trong khoang tàu cô độc.

4. Bi kịch của kẻ chiến thắng cuộc đua nhan sắc

Hãy giả sử rằng bạn là một tỷ phú vô cùng giàu có. Bạn có đủ tiền, bạn chấp nhận chi trả một lượng năng lượng khổng lồ có thể phá hủy một ngôi sao và bạn có đủ kiên nhẫn để trải qua 2 năm tăng/giảm tốc dài đằng đẵng. Bạn chọn Gói Siêu Cấp, bước vào khoang tàu, đắp một chiếc mặt nạ dưỡng da, uống một ngụm nước và chìm vào giấc ngủ đông kéo dài 5 năm theo đồng hồ sinh học của mình.

Năm năm trôi qua một cách nhẹ nhàng và êm ái. Hệ thống AI trên tàu phát ra tiếng nhạc du dương thông báo: “Quý khách đã hoàn thành liệu pháp “cải lão hoàn đồng”. Vận tốc đã giảm về 0. Chúng ta đã hạ cánh an toàn xuống Trái Đất”

Bạn bật dậy, lao ngay đến chiếc gương lớn trong phòng tắm của phi thuyền. Bạn vỡ òa trong hạnh phúc. Làn da tuổi 25 ngày nào vẫn vẹn nguyên, cơ mặt săn chắc, ánh mắt rạng ngời, không có một vết chân chim, không một sợi tóc bạc. Bạn soi lại những bức ảnh cũ của mình trước ngày khởi hành và nhận ra mình chẳng già đi bao nhiêu. Bạn tự mãn nghĩ về đám bạn cùng trang lứa, về người yêu cũ từng phản bội bạn, về lão sếp từng hách dịch với bạn: “Để xem bây giờ đứa nào trẻ hơn đứa nào!”

Bạn bước ra khỏi khoang tàu, đi qua đường ống dẫn để tiến vào sảnh chờ của sân bay. Bạn đã chuẩn bị sẵn một tâm lý kiêu hãnh để đón nhận lấy những ánh mắt ghen tị từ thế giới xung quanh.

Nhưng ngay khi cánh cửa tự động mở ra trước mắt bạn, một thế giới hoàn toàn khác đã hiện ra.

Trước mặt bạn không phải là thế giới mà bạn đã từng rời bỏ. Các kiến trúc xung quanh đã thay đổi hoàn toàn thành những khối kim loại xa lạ. Những bảng hiệu quảng cáo bằng tiếng Việt mọc lên lúc nhúc với những thuật ngữ công nghệ mà não bộ của bạn không thể xử lý nổi. Người đi lại trên đường ăn mặc những bộ trang phục kỳ dị, nhìn bạn như thể bạn là một sinh vật cổ đại vừa bước ra từ viện bảo tàng.

Bạn run rẩy rút chiếc smartphone của mình ra để bật mạng, nhưng không có tín hiệu 5G hay 6G nào tương thích với thiết bị của bạn nữa. Bạn đang cố gắng tìm kiếm một gương mặt quen thuộc nhưng hoàn toàn vô vọng.

Lúc này, bạn mới bàng hoàng nhớ lại tờ hóa đơn của Einstein: Bạn đã trải qua 5 năm ở trên tàu nhưng Trái Đất đã trôi qua 35 năm.

35 năm là một khoảng thời gian đủ dài để xóa sổ toàn bộ một kỷ nguyên. Bạn điên cuồng bắt một chiếc xe công nghệ để chạy về ngôi nhà cũ của mình. Nơi đó bây giờ là một tòa nhà cao chọc trời. Bạn tra cứu tên của bố mẹ, của anh chị em trên hệ thống dữ liệu công cộng – và màn hình hiển thị những dòng chữ lạnh lùng về ngày mất của họ từ mười mấy năm trước. Ngày họ lâm bệnh, ngày họ cần bạn ở bên cạnh nhất, bạn đang ở đâu? Bạn đang bận bay với vận tốc 297.000 km/s ở một nơi nào đó ngoài vũ trụ chỉ để bảo vệ làn da không có nếp nhăn của mình.

Bạn tìm đến địa chỉ của người yêu cũ – người mà bạn từng ao ước sẽ dùng sự trẻ trung này để đổi lấy sự ghen tị của họ. Bạn thấy một ông lão/bà lão 60 tuổi đang ngồi trên chiếc ghế gỗ, đôi mắt mờ đục nhìn ra đường, tay run run bế đứa cháu nội. Khi ông lão ngước lên nhìn bạn, ông không hề ghen tị, ông chỉ nhìn bạn với một sự ngơ ngác, không thể nhận ra người thanh niên tuổi 25 tràn đầy sức sống trước mặt là ai. Viễn cảnh mà bạn tự vẽ ra trong đầu bỗng chốc trở nên thật nực cười và trống rỗng. Đối thủ của bạn thậm chí còn không thèm tham gia vào cuộc chiến đó; họ đã bận… sống, bận trải nghiệm những thăng trầm của cuộc đời, bận yêu thương và già đi một cách tự nhiên.

Kinh hoàng hơn nữa, khi bạn mở tài khoản ngân hàng của mình ra, con số hàng chục tỷ đồng từng khiến bạn tự hào giờ đây chỉ là những dãy số vô nghĩa. Hệ thống tài chính cũ đã sụp đổ sau một cuộc khủng hoảng kinh tế toàn cầu diễn ra cách đây 20 năm, nhân loại đã chuyển sang dùng một loại tiền tệ mã hóa sinh học mới. Bạn không có kỹ năng của thời đại mới, không có người thân, không có tài sản có giá trị thực tế.

Bạn bước đi trên phố, da bạn căng bóng, các tế bào của bạn trẻ trung và hoàn toàn khỏe mạnh. Nhưng tâm hồn bạn thì đã chết từ đâu. Bạn nhận ra khái niệm “Bây giờ” là một thứ ảo ảnh xa xỉ mà vũ trụ từng ban tặng cho con người. Khi bạn chọn cắt đứt sự đồng bộ thời gian với nhân loại, bạn đã tự biến mình thành một bóng ma cô độc bị trục xuất ra khỏi dòng chảy của lịch sử.

Bạn đã chiến thắng được thời gian, bạn đã ép cả thế giới già đi thay bạn, để rồi nhận lại một phần thưởng tối hậu: Trở thành sinh vật trẻ trung nhất nhưng cũng cô độc và nghèo khổ nhất trên hành tinh này.

5. Bạn béo lên vì năng lượng hay khối lượng?

Sau cơn khủng hoảng hiện sinh này, rất nhiều người trong chúng ta cũng đang phải đối mặt với một cuộc khủng hoảng hiện sinh khác không kém phần nghiêm trọng: Chiếc cân của bạn.

Hầu hết tất cả chúng ta, đặc biệt là hội chị em phụ nữ hay các anh chàng gymer, đều rất ám ảnh với những con số trên chiếc cân. Mỗi buổi sáng bước lên cân, nếu thấy nó nhích lên 1 kg, rất nhiều người ngay lập tức rơi vào trạng thái hoảng hốt: “Mình thở thôi cũng thấy béo rồi”

Nhưng nếu như Einstein đứng cạnh bạn ngay lúc đó, ông ấy sẽ nhẹ nhàng vỗ vai bạn: “Bình tĩnh nào người bạn trẻ, có khi bạn nặng lên không phải vì mỡ đâu mà là vì tâm trạng của bạn đang bị quá khích đấy”

Để có thể hiểu được câu nói này, hãy quay lại phương trình kinh điển nhất trong giới khoa học:

Thông thường, trực giác của chúng ta chỉ hiểu được phương trình này theo hướng một chiều: Vật chất bị phá hủy có thể giải phóng ra một nguồn năng lượng khổng lồ. Nhưng mọi thứ hoàn toàn có thể đảo ngược được. Nó khẳng định rằng: Năng lượng và khối lượng thực chất chỉ là hai mặt của cùng một đồng xu. 

Để có thể hiểu rõ luận điểm này một cách trực quan nhất, hãy nhìn vào chính cơ thể của chúng ta. Cơ thể của bạn được làm nên từ các cơ quan, các cơ quan được làm nên từ các tế bào, các tế bào được làm nên từ các phân tử và nguyên tử. Và nằm ở sâu bên trong mỗi nguyên tử là các hạt Proton và Neutron.

Thậm chí, bên trong mỗi hạt proton và neutron, chúng còn được làm nên từ ba hạt nhỏ hơn được gọi là Quark – bị trói lại với nhau bởi các hạt truyền lực được gọi là Gluon.

Bây giờ, hãy làm một phép toán rất đơn giản như sau:

• Khối lượng tĩnh của hạt Quark thứ nhất: 2,2 MeV/c²
• Khối lượng tĩnh của hạt Quark thứ thứ hai: 2,2 MeV/c²
• Khối lượng tĩnh của hạt Quark thứ ba: 4,7 MeV/c²

Nếu cộng tổng khối lượng của cả ba hạt này lại với nhau, con số thu được chỉ vỏn vẹn là 9,1 MeV/c²

Nhưng trớ trêu thay, khi các nhà vật lý đặt toàn bộ hạt Proton lên chiếc cân nguyên tử, họ đã đo được khối lượng thực tế của nó là 938 MeV/c²

Đây quả nhiên là một sự chênh lệch quá đỗi vô lý: Khối lượng thực tế của proton lớn gấp hơn 100 lần so với tổng khối lượng của các thành phần cấu tạo nên nó!

Vậy thì 99% khối lượng còn lại từ đâu mà ra? Có phải vũ trụ đã bí mật “bơm thêm” vật chất vào đó hay không?

Câu trả lời là không. 99% khối lượng tạo nên cơ thể bạn thực chất không phải là vật chất rắn mà nó chính là động năng của các Quark đang lao điên cuồng với vận tốc gần bằng tốc độ ánh sáng bên trong Proton cộng với năng lượng liên kết cực mạnh của các hạt Gluon đang cố gắng giữ cho cấu trúc nguyên tử không bị tan rã.

Cơ thể của bạn nặng 60 kg không phải là vì bạn là một khối thịt xương đặc sệt. Bạn nặng 60 kg là vì bên trong bạn đang diễn ra một cuộc chiến năng lượng vô cùng dữ dội, nơi mà các hạt hạ nguyên tử đang va đập vào nhau với tốc độ dữ dội và chóng mặt. 

Và điều này cũng đúng đối với các hiện tượng khác trong đời sống

Khi bạn sạc đầy pin điện thoại: Về mặt vật lý, dòng điện chạy vào viên pin sẽ làm tăng năng lượng bên trong nó. Vì năng lượng tăng lên, chiếc điện thoại của bạn lúc đầy pin sẽ nặng hơn chính nó lúc sập nguồn. Tất nhiên, sự chênh lệch này chỉ rơi vào khoảng vài phần tỷ tỷ gam, và không chiếc cân nào trên Trái Đất có thể đo lường được, nhưng sự chênh lệch đã xuất hiện.

Khi bạn căng thẳng, tức giận hay não bộ đang sử dụng hết công suất để chạy deadline: Lúc này, các neuron thần kinh của bạn liên tục bắn ra các tín hiệu, tim đập nhanh hơn, năng lượng sinh hóa trong cơ thể tăng vọt. Về mặt lý thuyết, một người đang tức giận sẽ có khối lượng nặng hơn chính họ trong lúc đang nằm ngủ.

Khi bạn đun sôi một ấm nước: Nước nóng làm cho các phân tử di chuyển với tốc độ lớn hơn so với nước đá. Vì vậy, 1 lít nước sôi sẽ nặng hơn một chút so với 1 lít nước đá.

Lần tới nếu bạn bước lên chiếc cân và thấy con số tăng lên, hãy mỉm cười thật tự tin và tự nhủ rằng: “Mình không hề béo lên vì mỡ. Chỉ là năng lượng bên trong mình đang quá tràn trề, các hạt quark bên trong cơ thể của mình đang nhảy múa quá nhiệt tình mà thôi!”. Sự hiểu biết này không giúp bạn gầy đi nhưng ắt hẳn nó sẽ giúp của bạn cảm thấy thoải mái hơn rất nhiều trước những áp lực của cuộc sống.

6. Einstein đang ẩn mình bên trong túi quần của bạn

Đọc đến đây, có thể bạn sẽ nghĩ rằng:

Nghe thì hay đấy, nhưng những thứ này xa vời quá. Tôi chỉ là một người bình thường, tôi không có 100.000 tỷ USD để đi “cải lão hoàn đồng” theo liệu pháp của Einstein, tôi cũng chẳng quan tâm đến các hạt Quark bên trong cơ thể của mình. Vậy thì thuyết Tương Đối có liên quan quái gì đến cuộc sống mưu sinh cơm áo gạo tiền hàng ngày của tôi?

Sự thật thì thuyết Tương Đối không hề trôi nổi ở đâu xa bên ngoài vũ trụ. Nó đang nằm ngay ở bên trong túi quần của bạn, âm thầm vận hành chiếc smartphone mà bạn đang sử dụng để đọc bài viết này và nó trực tiếp quyết định liệu bạn có nhận được cốc trà sữa từ shipper đúng hẹn hay không.

Hãy nhìn vào một tính năng mà chúng ta sử dụng rất nhiều hàng ngày: GPS (Global Positioning System). Cho dù bạn đi xe ôm công nghệ, đặt đồ ăn qua app, hay tự lái xe tìm đường đến quán cà phê mới mở, bạn đều đang phụ thuộc vào một mạng lưới bao gồm 30 vệ tinh GPS đang bay xung quanh Trái Đất ở độ cao khoảng 20.000 km.

Để xác định được vị trí của bạn chính xác đến từng mét trên mặt đất, các vệ tinh này hoạt động dựa trên một nguyên lý cực kỳ đơn giản: Thời gian. Mỗi vệ tinh mang trong mình một chiếc đồng hồ nguyên tử có độ chính xác siêu việt. Nó liên tục phát ra một tín hiệu vô tuyến chứa thông tin: “Tôi là vệ tinh A, tôi phát tín hiệu này vào lúc x giờ y phút z giây.” Điện thoại của bạn nhận được tín hiệu đó, tính toán khoảng thời gian tín hiệu bay từ vũ trụ xuống mặt đất (với tốc độ ánh sáng), từ đó suy ra khoảng cách từ bạn đến vệ tinh. Chỉ cần kết nối với ít nhất 4 vệ tinh cùng lúc, điện thoại sẽ vẽ ra vị trí của bạn trên bản đồ.

Nhưng hãy xem điều gì xảy ra nếu chúng ta bật tính năng GPS này lên mà… quên không hỏi ý kiến của Einstein?

Vũ trụ sẽ lập tức trừng phạt hệ thống công nghệ của con người bằng cả hai thuyết tương đối cùng một lúc:

Đòn trừng phạt thứ nhất: Thuyết Tương Đối Hẹp (Vận tốc làm chậm thời gian)

Các vệ tinh GPS không đứng yên một chỗ trên trời. Chúng liên tục di chuyển với vận tốc khoảng 14.000 km/h để duy trì quỹ đạo chuyển động xung quanh Trái Đất. Vì chúng di chuyển nhanh hơn rất rất nhiều so với những con người đang đứng yên dưới mặt đất, theo công thức co giãn thời gian Lorentz mà chúng ta vừa tính toán ở trên, đồng hồ trên vệ tinh sẽ chạy chậm hơn đồng hồ dưới mặt đất. Sự chênh lệch này khiến cho vệ tinh bị chậm đi khoảng 7 micro giây (7 phần triệu giây) mỗi ngày.

Đòn trừng phạt thứ hai: Thuyết Tương Đối Rộng (Trọng lực làm thay đổi thời gian)

Năm 1915, Einstein mở rộng lý thuyết của mình và chứng minh rằng: Khối lượng có thể làm bẻ cong không – thời gian. Điều này có nghĩa là các vật thể có trọng lực càng mạnh thì thời gian tại đó sẽ trôi càng chậm.

Hãy tưởng tượng không – thời gian như một tấm nệm cao su căng phẳng. Nếu bạn đặt một quả tạ nặng lên tấm nệm, nó sẽ bị lún xuống và tạo thành một vùng trũng. Các vật thể khác lăn gần vùng trũng đó – dù trước đó đang di chuyển theo quỹ đạo thẳng – sẽ bị bẻ cong chuyển động và “hút” vào. Đó chính là bản chất của lực hấp dẫn.

Bởi vì các vệ tinh GPS ở độ cao 20.000 km cách rất xa tâm Trái Đất, lực hấp dẫn mà chúng phải chịu yếu hơn dưới mặt đất khoảng 4 lần. Trọng lực yếu hơn nghĩa là không – thời gian ít bị bẻ cong hơn và đồng hồ sẽ chạy… nhanh hơn. Đòn trừng phạt này sẽ khiến đồng hồ trên vệ tinh chạy nhanh hơn dưới mặt đất khoảng 45 micro giây mỗi ngày.

Kết quả cuối cùng

Như vậy, vệ tinh chạy chậm đi 7 micro giây do tốc độ nhưng lại chạy nhanh hơn 45 micro giây do trọng lực. Tổng hợp lại hai hiệu ứng ngược chiều này, mỗi ngày chiếc đồng hồ trên vệ tinh sẽ chạy nhanh hơn đồng hồ dưới mặt đất chính xác là:

38 micro giây! Một con số tưởng chừng như vô hại và nhỏ đến mức một cái chớp mắt của bạn cũng dài gấp hàng nghìn lần, nhưng đối với ánh sáng và sóng vô tuyến di chuyển với vận tốc 300.000km/s thì 38 micro giây là một khoảng thời gian đủ lớn để chúng đi được một quãng đường dài tới:

Bạn không hề nhìn nhầm đâu. Nếu các kỹ sư không đưa các phương trình của Einstein vào trong phần mềm lập trình để hiệu chỉnh sai số 38 micro giây này mỗi ngày, thì chỉ sau đúng 24 giờ hoạt động, hệ thống định vị GPS trên điện thoại của bạn sẽ bị lệch tới hơn 11 km!

Để dễ hình dung hơn, sau đây là một ví dụ:

[Vị trí thực tế của bạn: Quận 1, TP.HCM] 

▼ (Không hiệu chỉnh 38 micro giây)

[Vị trí hiển thị trên App: Quận 9 hoặc Bình Dương]

Nếu hiện tượng này xảy ra, toàn bộ hệ thống đặt xe của Grab hay Be sẽ bị tê liệt hoàn toàn vì tài xế không thể biết bạn đang đứng ở đâu. Shipper sẽ giao cốc trà sữa của bạn sang tỉnh lân cận. Hệ thống hàng không toàn cầu sẽ phải đóng cửa vì máy bay không thể định vị được đường băng. Kinh khủng hơn, toàn bộ các sàn giao dịch chứng khoán, hệ thống ngân hàng trên thế giới – nơi thực hiện hàng triệu giao dịch tài chính tốc độ cao xuyên quốc gia yêu cầu độ chính xác đến từng phần tỷ giây – sẽ sụp đổ ngay lập tức, đẩy nền kinh tế nhân loại về thời kỳ đồ đá.

Mỗi khi bạn mở Google Maps lên và thấy chấm xanh định vị hiển thị chính xác căn nhà của mình, hãy hiểu rằng chiếc smartphone trị giá vài chục triệu đồng trong tay của bạn đang phải liên tục giải những phương trình vật lý thiên văn phức tạp nhất để cứu rỗi bạn khỏi sự lạc lối. Einstein chưa bao giờ rời xa bạn; ông ấy đang âm thầm ngồi trong túi quần của bạn và dẫn đường cho bạn đi làm (hoặc đi chơi) mỗi ngày.

7. Bài học từ một nhà vật lý đại tài

Hóa ra, cuộc chạy đua chống lại quá trình lão hóa của con người là một nỗ lực hoàn toàn vô vọng nhưng cũng thật thú vị. Chúng ta sợ già, sợ những nếp nhăn, sợ dòng chảy tàn nhẫn của thời gian vì chúng ta hiểu rằng thời gian là thứ tài sản duy nhất, một khi đã tiêu đi thì không bao giờ lấy lại được. Giới siêu giàu sẵn sàng vung ra hàng tỷ USD để mua những liệu trình xa xỉ, những sản phẩm đắt tiền…Và nếu công nghệ “cải lão hoàn đồng” của Einstein là có thật, chắc chắn sẽ có những vị tỷ phú chấp nhận bỏ lại gia đình và bạn bè để nhảy vào trong khoang tàu đó chỉ để níu giữ lấy “thanh xuân của mình”.

Nhưng có một điều bạn phải hiểu rằng: Thời gian trôi nhanh hay chậm không quan trọng bằng việc có cái gì đang xảy ra trong khoảng thời gian đó.

Vũ trụ vận hành theo một quy luật rất công bằng: Bạn muốn giữ lại sự trẻ trung của mình bằng cách đi thật nhanh? Vũ trụ sẽ “đào thải” bạn ra khỏi cuộc sống của những người bạn yêu thương. Bạn muốn chiến thắng cuộc đua nhan sắc bằng cách ép tất cả mọi người già đi trước bạn? Vũ trụ sẽ biến bạn thành một kẻ ngoại lai, một kẻ đứng bên lề trong dòng chảy của cuộc sống.

Thời gian của bạn không được cân đo đong đếm bằng những con số lạnh lùng như 18, 20, 25, 30, 60 năm… Nó được đo bằng mật độ của những trải nghiệm và cảm xúc bên trong cuộc đời của banh.

Một nếp nhăn trên khóe mắt của bạn thực chất là dấu vết để lại của hàng nghìn nụ cười hạnh phúc mà bạn đã trải qua bên bạn bè. Một vết rạn trên da, một sợi tóc chớm bạc, đó là “chứng chỉ” chứng nhận rằng bạn đã dũng cảm đi qua những giông bão của cuộc đời, đã biết yêu, biết đau, biết đứng dậy và trưởng thành. Đó là những giá trị rất thực tế, là những nét rất riêng giúp tạo nên bản sắc độc nhất của riêng bạn.

Nếu bạn chọn đứng yên trên Trái Đất này, chấp nhận già đi cùng với những người mình yêu thương, chấp nhận cùng họ trải qua những buổi chiều bình yên, những nếp nhăn xuất hiện đều đặn theo năm tháng, thì chúc mừng bạn: Bạn đã là người giàu có nhất. Bạn đang sở hữu những thứ mà không có bất kỳ một số tiền nào có thể mua được: Một dòng thời gian đồng điệu, một hiện tại chung với thế giới, nơi bạn có thể chạm vào người bên cạnh và biết rằng họ cũng đang ở đó với bạn, trong cùng một khoảnh khắc mang tên “Bây giờ”.

Hãy cất hũ kem dưỡng da đắt tiền đi với một tâm thế hoàn toàn thư giãn. Hãy nhìn vào chiếc smartphone trong tay, mỉm cười cảm ơn Einstein vì đã giúp bạn không bị lạc đường. Và cuối cùng, hãy quay sang ôm người bên cạnh hoặc nhắn một dòng tin nhắn cho người mà bạn yêu thương: “May quá, vũ trụ này tuy là tương đối, nhưng việc mình đang già đi cùng nhau lại là một sự thật tuyệt đối vô cùng thú vị”