Giải Thích Hiện Tượng Những Hạt Neutrino Chuyển Động Nhanh Hơn Vận Tốc Ánh Sáng

Lê văn Cường

Thư gửi tòa soạn sachhiem.net:

Nội dung bài viết này phản ánh vận tốc hạt neutrino không nhanh hơn vận tốc ánh sáng thông thường c nếu đo tại hệ quy chiếu của chúng ta trên mặt đất. Nhưng vì thời gian trôi tại vệ tinh định vị GPS trên không trung nhanh hơn thời gian trôi tại mặt đất (đúng theo lý thuyết thuyết tương đối của Einstein), do vậy các nhà khoa học lấy kết quả tính trên vệ tinh GPS để tính sẽ thấy nó nhanh hơn vận tốc ánh sáng c.

Bài viết này mấy tháng trước tôi đã gửi cho tổ chức khoa học CERN và mấy tạp chí vật lý thuộc viện vật lý Mỹ để tham khảo và khuyên họ nên công bố lại: Hạt neutrino không nhanh hơn vận tôc ánh sáng c tại hệ quy chiếu của chúng ta. (Trong bài viết đã nói rõ điều này).

Tóm tắt: Theo thông tin công bố, các nhà khoa học tại CERN (châu Âu) (*) đã dùng thiết bị đo thời gian tại vệ tinh GPS để tính toán thấy rằng vận tốc của những hạt neutrino nhanh hơn vận tốc ánh sáng. Điều này chứng minh cho sự thay đổi của không gian và thời gian khi trường hấp dẫn thay đổi trong Thuyết Tương đối rộng của Einstein là đúng. Đồng thời cũng chứng minh rõ ràng rằng vận tốc ánh sáng cũng mang tính tương đối chứ không phải là hằng số tuyệt đối không thay đổi và bằng c=299.792 km/s ≈ 300.000 km/s đúng ở mọi hệ quy chiếu quán tính.

Nếu các số liệu đo thời gian do các thiết bị tại hệ thống vệ tinh GPS cung cấp mà các nhà khoa học tại CERN (*) đã sử dụng nó để tính toán vận tốc của các hạt neutrino là đúng, thì cũng không thể kết luận: Thuyết tương đối hẹp của Einstein là sai và Thuyết tương đối sẽ bị sụp đổ hoàn toàn. Trái lại, các số liệu đo thời gian do hệ thống vệ tinh GPS cung cấp (dẫn đến việc các nhà khoa học tính toán vận tốc các hạt neutrino nhanh hơn vận tốc ánh sáng), lại càng làm cho nền khoa học vật lý thế giới hiểu sâu hơn và biết cách sửa chữa những khiếm khuyết trong Thuyết Tương đối hẹp của Einstein để nó có giá trị cao hơn. Giải thích điều này như sau:

Theo Thuyết tương đối rộng thì không gian và thời gian phụ thuộc vào trường hấp dẫn. Không gian và thời gian tại nơi có trường hấp dẫn mạnh sẽ khác với không gian và thời gian tại nơi có trường hấp dẫn yếu. Trường hấp dẫn trên bề mặt của Trái đất chắc chắn phải mạnh hơn trường hấp dẫn trên không trung, nơi có quỹ đạo của các vệ tinh GPS. Do đó không gian và thời gian trên bề mặt của Trái đất sẽ khác với không gian và thời gian trên không trung, nơi có quỹ đạo của các vệ tinh GPS. Giả thiết nếu xem xét trên bề mặt của Trái đất là một hệ quy chiếu có hệ thống đo lường không gian (khoảng cách) với đơn vị đo là kilomet: km và thời gian với đơn vị đo là giây: s , thì trên không trung, nơi có quỹ đạo của vệ tinh GPS cũng là một hệ quy chiếu có hệ thống đo lường không gian (khoảng cách) với đơn vị đo là kilomet: km’ và thời gian với đơn vị đo là giây: s’. Đơn vị đo lường: km và s khác với đơn vị đo lường: km’ và s’. Và km > km’ và s > s’, vì trường hấp dẫn trên bề mặt Trái đất mạnh hơn trường hấp dẫn trên không trung, nơi có quỹ đạo của vệ tinh GPS.

Giả thiết trên quỹ đạo của vệ tinh GPS, hệ thống thiết bị GPS tính toán đo thời gian trôi khi các photon (lượng tử ánh sáng) bắt đầu xuất phát từ A ( CERN ở Thuỵ sỹ) theo đường thẳng (với khoảng cách: AB = 731 km) tới B (Gran Sasso ở Ý). Vì quỹ đạo của vệ tinh GPS trên không trung, do đó vệ tinh GPS là hệ quy chiếu có hệ thống đo lường với đơn vị đo không gian (khoảng cách): km’ và đơn vị đo thời gian: s’. Thực tế vệ tinh GPS là hệ quy chiếu với đơn vị đo không gian và thời gian: km’ và s’, nên tất nhiên thiết bị đo lường tại vệ tinh GPS phải tính toán theo hệ thống đo lường đó. Do vậy thời gian photon (lượng tử ánh sáng) đi từ A tới B sẽ là:

(c=300.000 km’/s’ và AB=731 km’ vì tại hệ quy chiếu: vệ tinh GPS, đơn vị đo lường không gian: km’, thời gian: s’ ).

Nếu đo thời gian trôi của photon (lượng tử ánh sáng) khi nó di chuyển trên quãng đường AB đó, (xuất phát từ A di chuyển tới B vẫn trên đường thẳng với khoảng cách: AB=731 km), và tính toán theo hệ thống đo lường tại hệ quy chiếu: bề mặt Trái đất, với đơn vị đo lường không gian: km và thời giam: s , ta có:

(c=300.000 km/s và AB=731 km vì tại hệ quy chiếu: bề mặt trái đất, đơn vị đo lường không gian: km và thời gian: s ).

So sánh giữa t và t’ hoặc s và s’, nếu t’= t hoặc s = s’ thì Thuyết tương đối rộng của Einstein tuyên bố không gian và thời gian phụ thuộc vào trường hấp dẫn sẽ không đúng. Không gian và thời gian phụ thuộc vào trường hấp dẫn chỉ khi t ≠ t’ hay s ≠ s’. Và s > s’ hoặc t > t’ tại nơi hệ quy chiếu với đơn vị đo không gian: km và thời gian: s và có trường hấp dẫn mạnh hơn tại nơi hệ quy chiếu với đơn vị đo không gian: km’ và thời gian: s’. Để dễ hiểu hơn và phù hợp với Thuyết tương đối, ta đặt t’= t/γ hay s’= s/γ , (trong đó γ gọi là hệ số biến đổi không gian và thời gian như trong Thuyết Tương đối, với γ= ≥ 1). Nếu t > t’ hoặc s > s’ tức là xuất hiện hệ số biến đổi không gian và thời gian giữa hai hệ quy chiếu, với γ > 1 . Từ trước tới nay các nhà khoa học vật lý trên thế giới chưa ai kiểm chứng, thực nghiệm điều này.

Có thể cũng chưa có ai hiểu rõ hoặc không quan tâm tới vấn đề không gian và thời gian phụ thuộc vào trường hấp dẫn trong Thuyết tương đối rộng, nên mới nảy sinh ra vụ việc các nhà khoa học tại CERN dùng thiết bị vệ tinh GPS để kiểm nghiệm đo vận tốc của các hạt neutrino và tính toán thấy nó nhanh hơn vận tốc ánh sáng:

Theo thông tin đã công bố, các nhà khoa học tại CERN đã dùng thiết bị đo tại vệ tinh GPS để kiểm nghiệm đo vận tốc của các hạt neutrino khi chúng di chuyển từ A (tại CERN ở Thuỵ sỹ) tới B (tại Gran Sasso ở Ý) trên đường thẳng (với khoảng cách: AB = 731 km). Từ kết quả số liệu tính toán thời gian trôi: t’ (khi các hạt neutrino di chuyển từ A tới B) do vệ tinh GPS cung cấp và áp dụng công thức: v = AB /t’ , tính toán được kết quả:

hoặc >

và

hay <

( Trong đó: t là thời gian trôi khi ánh sáng: c di chuyển trên quãng đường AB ; t’ là thời gian trôi khi các hạt neutrino di chuyển với vận tốc v trên quãng đường AB theo số liệu do thiết bị đo trên vệ tinh GPS cung cấp. Tính toán theo số liệu này vận tốc v của các hạt neutrino nhanh hơn vận tốc ánh sáng: v > c=300,000 km/s ).

Xem xét việc tính toán kiểm nghiệm trên thực tế về vận tốc các hạt neutrino theo số liệu do hệ thống thiết bị trên vệ tinh GPS cung cấp nêu trên, chúng ta thấy các nhà khoa học tại CERN chỉ nên giải thích và kết luận:

1, - Cho dù nhận thức đơn vị đo lường tại các hệ quy chiếu là như nhau và tính theo tiêu chuẩn của hệ thống đo lường trên trái đất, (km = km’ và s = s’), thì thời gian trôi: t’=x’.s hay t’=x.s’ tại hệ quy chiếu: Vệ tinh GPS, cũng nhanh hơn thời gian trôi: t=x.s tại hệ quy chiếu: Bề mặt trái đất, (t > t’). Thực tế đã đo được: t > t’ , và t’= t/γ , tức γ > 1 nên đã xuất hiện hệ số biến đổi thời gian giữa hai hệ quy chiếu. Do vậy Thuyết tương đối rộng của Einstein tuyên bố không gian và thời gian phụ thuộc vào mức độ mạnh hay yếu của trường hấp hẫn là đúng, và điều đó mặc nhiên được kiểm nghiệm trên thực tế bằng chính thí nghiệm đo vận tốc chuyển động của các hạt neutrino này.

2, - Không thể khẳng định vận tốc của các hạt neutrino nhanh hơn vận tốc ánh sáng c tại hệ quy chiếu: Bề mặt trái đất, (hệ quy chiếu của chúng ta). Vì không thể lấy kết quả đo thời gian của hệ quy chiếu này để làm kết quả tính toán cho hệ quy chiếu kia. Cụ thể là không thể lấy kết quả đo thời gian trôi: t’=x’.s hay t’=x.s’ tại hệ quy chiếu: vệ tinh GPS, để tính toán vận tốc cho hệ quy chiếu: trên bề mặt Trái đất. Hoặc sẽ không thể tính toán được phương trình nếu trong đó có đơn vị đo của cả hai hệ quy chiếu có đơn vị đo khác nhau. Ví dụ: sẽ không thể tính được, vì đơn vị đo không gian (khoảng cách AB=731km) là km thuộc hệ quy chiếu: bề mặt trái đất, còn đơn vị đo thời gian của t’=x.s’ là s’ thuộc hệ quy chiếu: vệ tinh GPS , (s’≠s). Chỉ có thể tính được vận tốc: v khi đơn vị đo thời gian: t=x.s là s cùng thuộc hệ quy chiếu: bề mặt trái đất với đơn vị đo không gian: km, như tại công thức: .

- Sự thật vệ tinh GPS đo được thời gian trôi: t’=x’.s hay t’=x.s’ < t=x.s , nên vận tốc v của các hạt neutrino phải tính theo đơn vị đo của hệ quy chiếu: vệ tinh GPS là: . Áp dụng công thức: t’= t /γ hoặc s’= s /γ và km’= km /γ , (do giữa hai hệ quy chiếu: vệ tinh GPS và hệ quy chiếu: bề mặt trái đất đã xuất hiện hệ số biến đổi không gian và thời gian: γ > 1 ), ta có:

(Tính toán như vậy vì vận tốc giữa hai hệ quy chiếu quán tính có đơn vị đo khác nhau chỉ đồng dạng với nhau chứ không bằng nhau, do đó so sánh giữa chúng phải có hệ số đồng dạng. Để hiểu rõ hơn về tính đồng dạng này đề nghị tham khảo bài: “Định đề toán học 1/2 ≠ 2/4” tại tạp chí GSJ). Vì:

, nên , với γ >1.

Do v = c /γ và với γ > 1 nên thực tế tại hệ quy chiếu: bề mặt trái đất, vận tốc v của các hạt neutrino vẫn nhỏ hơn vận tốc ánh sáng c . Hiện tượng: t’ < t và t’=t/γ do thiết bị tại hệ quy chiếu: vệ tinh GPS đo được có thể được hiểu và giải thích rằng thời gian trôi tại hệ quy chiếu: vệ tinh GPS, nhanh hơn thời gian trôi tại hệ quy chiếu: bề mặt trái đất. Cũng vì lý do thời gian trôi nhanh hơn đó nên việc tiếp nhận và xử lý thông tin tại vệ tinh GPS sẽ nhanh hơn việc tiếp nhận và xử lý thông tin tại hệ quy chiếu: bề mặt trái đất nếu các nhà khoa học coi đơn vị đo của hai hệ quy chiếu là đồng bộ như nhau. Để hiểu rõ hơn về điều này hãy tham khảo ví dụ lý giải sau đây:

Giả thiết vệ tinh GPS định vị trên không trung tại điểm C sao cho 3 điểm C , A và B (A tại CERN và B tại Gran Sasso) tạo thành tam giác cân có cạnh đáy là AB. Các điểm I ở giữa các cạnh CA và BC, và thời gian trôi: t1 = IC /c , (c là vận tốc ánh sáng và IC=CI=BI=AI) ; và thời gian trôi: t’1 = IC /c’ , ( IC=CI và c’ là vận tốc ánh sáng trong trường hợp vệ tinh GPS là hệ quy chiếu có thời gian trôi nhanh hơn hệ quy chiếu: bề mặt trái đất, t’1 < t1 , và với đơn vị đo không gian và thời gian là km’ và s’). Đặt thời gian khi c di chuyển từ A tới B là t2 = AB /c . Tại điểm C, vệ tinh GPS chiếu tia ánh sáng c về phía điểm A, tại A đặt tấm gương để tia sáng c đi về phía điểm B, tại B cũng đặt tấm gương để tia sáng c quay trở lại vệ tinh GPS tại điểm C. So sánh thời gian di chuyển của tia ánh sáng c khi nó xuất phát từ vệ tinh GPS tới điểm A, từ A tới B, rồi từ B quay trở lại vệ tinh GPS trong hai trường hợp: Trường hợp thứ nhất, vệ tinh GPS và bề mặt trái đất là một hệ quy chiếu có không gian và thời gian đồng nhất. Trường hợp thứ hai, vệ tinh GPS và bề mặt trái đất là hai hệ quy chiếu có không gian và thời gian không đồng nhất, khác nhau với t’1 < t1 và km’ < km. Chúng ta sẽ thấy thời gian di chuyển của tia sáng c trong trường hợp thứ nhất sẽ lớn hơn trong trường hợp thứ hai. (Xem minh họa điều này tại Hình:1).

- Có lẽ giải thích hợp lý nhất cho việc thực tế có kết quả số liệu do vệ tinh GPS cung cấp (tính toán vận tốc các hạt nơtrino nhanh hơn vận tốc ánh sáng, t’ < t) rằng: vận tốc các hạt nơtrino di chuyển từ A (CERN) tới B (Gran Sasso) theo đường thẳng (AB=731km) bằng tốc độ ánh sáng thông thường: c=300.000 km/s. Nhưng vì không gian và thời gian tại hệ quy chiếu: vệ tinh GPS khác với không gian và thời gian tại hệ quy chiếu: bề mặt trái đất, nên vận tốc ánh sáng tại hệ quy chiếu: vệ tinh GPS khác với vận tốc ánh sáng tại hệ quy chiếu: bề mặt trái đất.

Kết quả tính toán tại vệ tinh GPS đã phản ánh: Vận tốc của các hạt neutrino bằng vận tốc ánh sáng: c tại hệ quy chiếu: bề mặt trái đất , nhưng lại nhanh hơn vận tốc ánh sáng: c’ tại hệ quy chiếu: vệ tinh GPS, (Vì các hạt neutrino chuyển động trong hệ quy chiếu: bề mặt trái đất, nơi có thời gian trôi chậm hơn hệ quy chiếu: vệ tinh GPS, và vận tốc ánh sáng tại hệ quy chiếu: vệ tinh GPS là c’=300.000 km’/s’).

Về cơ bản, hệ thống thiết bị đo thời gian và vận tốc của các hạt neutrino chuyển động từ A tới B đặt tại vệ tinh GPS, nên tính toán phải theo đơn vị đo lường của hệ quy chiếu: vệ tinh GPS. Áp dụng công thức chuyển đổi không gian và thời gian theo hệ số biến đổi giống như trong Thuyết tương đối, (t’=t /γ , s’=s /γ và km’= km /γ ), và điều mới phát hiện rằng: vận tốc tại các hệ quy chiếu có không gian và thời gian khác nhau chỉ đồng dạng với nhau chứ không bằng nhau. Vận tốc các hạt neutrino là v=c=300.000 km/s , tính toán theo đơn vị đo của hệ quy chiếu: vệ tinh GPS sẽ có kết quả:

v= c= 300.000 km/s = 300.000 (km’.γ) /(s’.γ) = (300.000 km’/s’). γ = c’.γ

<

Trong đó γ là hệ số biến đổi không gian và thời gian; c’ là vận tốc ánh sáng tại hệ quy chiếu: vệ tinh GPS, và c > c’ khi γ > 1 ; t” là thời gian trôi khi ánh sáng c’ di chuyển trên quãng đường AB ; t’ là thời gian trôi khi các hạt nơtrino di chuyển trên quãng đường AB với vận tốc v = c. Để dễ hiểu hơn hãy xem minh họa tại Hình: 2 .

3, - Nếu kiểm tra lại các số liệu do vệ tinh GPS cung cấp vẫn thấy thời gian trôi: t’ < t là đúng thì rõ ràng phải sửa lại tiên đề thứ hai về vận tốc ánh sáng trong Thuyết tương đối hẹp của Einstein. Thực chất vận tốc ánh sáng không phải là hằng số và bằng c=300.000 km/s đúng ở mọi hệ quy chiếu quán tính. Vì:

Ngoài phần như đã phân tích kết quả tính toán về thời gian trôi nhanh của vệ tinh GPS nêu trên, giả thiết có người quan sát đứng tại hệ quy chiếu: vệ tinh GPS có đơn vị đo không gian: km’ và thời gian: s’, người quan sát đó khẳng định vận tốc ánh sáng của anh ta là c’=300.000 km’/s’ theo đơn vị đo thực tế tại đó là km’ và s’. Trong khi đó, người quan sát đứng tại hệ quy chiếu: bề mặt trái đất có đơn vị đo không gian: km và thời gian: s cũng khẳng định vận tốc ánh sáng của anh ta là c=300.000 km/s theo đơn vị đo thực tế là km và s là đúng. Do vận tốc c’=300.000 km’/s’ khác với c=300.000 km/s (vì km’ ≠ km và s’ ≠ s ), vậy thì vận tốc ánh sáng: c’ của người quan sát đứng tại hệ quy chiếu: vệ tinh GPS đúng hay vận tốc ánh sáng c của người quan sát đứng tại hệ quy chiếu: bề mặt trái đất đúng?

Không thể khẳng định vận tốc ánh sáng: c là đúng và vận tốc ánh sáng: c’ là sai, hoặc ngược lại. Chỉ có thể khẳng định cả hai vận tốc ánh sáng c và c’ tại hai hệ quy chiếu có đơn vị đo không gian và thời gian khác nhau đều đúng. Vậy những vận tốc ánh sáng tại hai hệ quy chiếu có không gian và thời gian khác nhau là đồng dạng với nhau chứ không bằng nhau. Vì những vận tốc ánh sáng tại hai hệ quy chiếu có không gian và thời gian khác nhau là đồng dạng với nhau chứ không bằng nhau nên vận tốc ánh sáng chỉ là hằng số trong từng hệ quy chiếu quán tính có không gian và thời gian không đổi chứ không phải vận tốc ánh sáng là hằng số và bằng c đúng ở mọi hệ quy chiếu quán tính như tiên đề thứ hai trong Thuyết tương đối hẹp cuả Einstein.

Vấn đề nên sửa lại tiên đề thứ hai trong Thuyết tương đối hẹp của Einstein như thế nào cho phù hợp mà vẫn bảo toàn được giá trị đúng đắn về sự thay đổi không gian và thời gian trong Thuyết tương đối, xin mời tham khảo thêm các bài: “Open letter: To scientists and professore teaching students in the universities of the world” và “Light velocity is not the limit of all velocities” đã đăng tại tạp chí General Science Journal, ( website: http://www.wbabin.net ).

Kết luận:

Thực tế việc kiểm nghiệm đo và tính toán vận tốc các hạt neutrino dựa theo cơ sở số liệu do thiết bị đo lường tại vệ tinh GPS cung cấp, tuy rằng các nhà khoa học tại CERN không thể khẳng định được vận tốc các hạt neutrino nhanh hơn vận tốc ánh sáng thông thường: c , nhưng lại khẳng định được rằng không gian và thời gian phụ thuộc vào trường hấp dẫn đúng như phát hiện trong Thuyết tương đối của Einstein. Đồng thời kết quả tính toán thời gian trôi nhanh tại vệ tinh GPS cũng chỉ ra rằng vận tốc ánh sáng không phải là hằng số và bằng c đúng ở mọi hệ quy chiếu quán tính. Vận tốc ánh sáng cũng mang tính tương đối chứ không phải là hằng số tuyệt đối không thay đổi. Sự kiện này sẽ là bước ngoặt lịch sử trong khoa học về vật lý lý thuyết, nó sẽ là bằng chứng thực tế để chỉnh sửa lại Thuyết tương đối hẹp của Einstein được đúng hơn.

Về cơ bản thì Thuyết tương đối hẹp của Einstein vẫn đúng, nhưng phải chỉnh sửa lại tính tuyệt đối của vận tốc ánh sáng: là hằng số và bằng c đúng ở mọi hệ quy chiếu quán tính. Thực chất vận tốc ánh sáng cũng mang tính tương đối như tính tương đối của không gian và thời gian. Vận tốc ánh sáng chỉ là hằng số tại từng hệ quy chiếu có không gian và thời gian không thay đổi. Nếu so sánh vận tốc ánh sáng giữa hai hệ quy chiếu quán tính có không gian và thời gian khác nhau thì vận tốc ánh sáng tại hai hệ quy chiếu quán tính đó chỉ đồng dạng với nhau chứ không bằng nhau.

Vì vận tốc ánh sáng cũng mang tính tương đối và trong vũ trụ có những hệ quy chiếu với không gian và thời gian khác nhau nên tại các nơi đó có tồn tại những vận tốc ánh sáng nhỏ hơn hoặc lớn hơn vận tốc ánh sáng c thông thường. Nghĩa là vận tốc ánh sáng c cũng phụ thuộc vào hệ số biến đổi: γ như không gian và thời gian, (c’=c.γ).

Hà nội, ngày 9/11/2011

Lê văn Cường

(*) SH chú thích:

CERN là chữ viết tắt của "Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire", tiếng Anh gọi là "European Organization for Nuclear Research", là Tổ Chức Nghiên Cứu Hạt Nhân Châu Âu

http://sachhiem.net/index.php?content=showrecipe&id=5261