Khi còn là thiếu niên, Einstein đã đặt ra cho mình câu hỏi làm thay đổi tiến trình của thế kỷ 20: Liệu bạn có thể vượt được một chùm sáng hay không?

Nhiều năm sau, ông đã viết rằng câu hỏi đơn giản đó nắm giữ chìa khóa dẫn ông tới thuyết tương đối.

Trước đó, ông đã đọc tác phẩm dành cho thiếu nhi Những cuốn sách phổ biến về khoa học tự nhiên của Aaron David Bernstein, trong đó đề nghị bạn hãy tưởng tượng mình chạy dọc theo một đường dây điện tín. Thay vì thế, Einstein hình dung mình chạy dọc theo một chùm sáng khiến nó nhìn như đóng băng. Ông nghĩ, chạy ngang bằng song song với chùm sáng, sóng ánh sáng sẽ dừng hẳn, như Newton đã tiên đoán.

Thậm chí dù chỉ là một cậu bé mười sáu tuổi, Einstein nhận ra rằng trước đó chưa từng có ai nhìn thấy một chùm sáng đóng băng cả. Ở đây hẳn còn thiếu thứ gì đó. Ông đã ngẫm nghĩ về câu hỏi ấy trong suốt mười năm tiếp theo.

Thật không may, nhiều người lại xem ông là kẻ thất bại. Mặc dù là một sinh viên xuất sắc, nhưng các giáo sư lại rất ghét lối sống tự do phóng túng của ông. Vì ông đã biết hầu hết nội dung các bài giảng nên ông thường xuyên cúp học, khiến sau này các giáo sư đã viết cho ông các thư giới thiệu không mấy thiện cảm; và mỗi lần ông nộp đơn xin việc lại là một lần ông thất vọng.

Không xin được việc làm và tuyệt vọng, ông phải nhận công việc gia sư (và bị đuổi vì tranh cãi với chủ). Một lần ông đã tính tới chuyện đi bán bảo hiểm để chu cấp cho bạn gái và con mình. (Bạn có thể hình dung, một ngày, khi mở cửa bạn thấy Einstein mời bán bảo hiểm cho bạn không?) Không thể kiếm được việc làm, ông coi mình là kẻ ăn bám gia đình. Trong một bức thư, ông đã viết một cách tuyệt vọng, “Tôi chẳng là gì, chỉ là gánh nặng cho người thân... Hẳn sẽ tốt hơn nếu như tôi không sống nữa.”

Cuối cùng ông xoay xở nhận được công việc như một nhân viên hạng ba ở văn phòng cấp bằng sáng chế tại Bern, Thụy Sĩ. Thật là bẽ bàng, nhưng có lẽ đây là một phước lành ngụy trang. Trong sự tĩnh lặng của văn phòng, Einstein có thể quay trở lại câu hỏi cũ, câu hỏi đã ám ảnh ông từ thuở niên thiếu. Từ đó, ông đã mở ra cuộc cách mạng làm đảo lộn cả vật lý và thế giới.

Einstein có câu hỏi ám ảnh từ thuở niên thiếu. Ảnh: Ferdinand Schmutzer.

Khi còn là sinh viên trường Bách Khoa nổi tiếng ở Thụy Sĩ, ông từng làm quen với các phương trình Maxwell cho ánh sáng. Ông đã tự hỏi mình, điều gì sẽ xảy ra với các phương trình này nếu chúng ta chuyển động với tốc độ ánh sáng? Thật thú vị là trước đó chưa ai từng đặt ra câu hỏi này.

Dùng lý thuyết của Maxwell, Einstein tính tốc độ của chùm sáng trong một vật chuyển động, như tàu hỏa chẳng hạn. Ông đã chờ đợi rằng tốc độ của chùm sáng, khi được theo dõi bởi người quan sát đứng yên bên ngoài, sẽ đơn giản bằng tốc độ thường có của nó cộng với tốc độ của con tàu. Theo cơ học Newton, vận tốc đơn giản là có thể cộng được. Ví dụ, nếu bạn ném quả bóng trên một con tàu đang chạy, thì người quan sát đứng yên sẽ nói rằng tốc độ của quả bóng đúng bằng tốc độ con tàu cộng với tốc độ của quả bóng đối với con tàu. Tương tự, vận tốc cũng có thể trừ. Chẳng hạn, nếu bạn chạy ngang bằng và song song với chùm sáng thì bạn sẽ thấy nó như thể không chuyển động vậy.

Và vô cùng kinh ngạc, ông phát hiện ra rằng chùm sáng không đóng băng mà vẫn lao đi với vận tốc như cũ. Nhưng làm sao có thể như vậy được, ông nghĩ. Theo Newton thì bạn có thể đuổi kịp bất cứ thứ gì nếu bạn chuyển động đủ nhanh. Mà lẽ phải thông thường cũng là như vậy. Nhưng các phương trình Maxwell lại nói rằng bạn không bao giờ có thể đuổi kịp ánh sáng, thứ luôn chuyển động với cùng một vận tốc, bất kể bạn chuyển động nhanh tới mức nào.

Đối với Einstein nhận thức đó thật vĩ đại. Hoặc Newton hoặc Maxwell đúng. Và người kia là sai. Nhưng làm sao mà bạn lại không bao giờ đuổi kịp ánh sáng? Ở văn phòng cấp bằng sáng chế, ông có đủ thời gian để nghiền ngẫm câu hỏi đó. Rồi một ngày, vào mùa xuân năm 1905, nó chợt nảy ra khi ông đang ngồi trên xe lửa đến Bern. “Một cơn bão tố nổ tung trong đầu tôi,” ông nhớ lại.

Vào thời điểm lóe sáng đó, ông đã nhận thức được rằng vì tốc độ ánh sáng được đo bằng đồng hồ và thước kẻ, và vì tốc độ ánh sáng luôn không đổi bất kể bạn chuyển động nhanh tới mức nào, nên không gian và thời gian phải biến dạng để giữ cho tốc độ ánh sáng là bất biến!

Điều đó có nghĩa là nếu bạn ở trên một con tàu vũ trụ chuyển động nhanh thì đồng hồ trên con tàu sẽ chạy chậm hơn đồng hồ trên Trái đất. Thời gian sẽ chậm lại khi bạn chuyển động càng nhanh - hiện tượng này được mô tả trong thuyết tương đối của Einstein.

Vì vậy câu hỏi Mấy giờ rồi? phụ thuộc vào việc bạn đang chuyển động nhanh tới mức nào. Nếu tàu tên lửa chuyển động gần với tốc độ ánh sáng, và chúng ta dùng kính thiên văn quan sát nó từ Trái đất, ta sẽ thấy mọi người trong con tàu dường như chuyển động chậm lại. Cũng như vậy, mọi thứ trong con tàu dường như bị nén lại. Và cuối cùng, mọi thứ trong con tàu trở nên nặng hơn. Nhưng thật ngạc nhiên, đối với ai đó trong con tàu thì mọi thứ có vẻ vẫn bình thường.

Sau này, Einstein nhớ lại, “Tôi mang ơn Maxwell hơn bất cứ ai khác.” Ngày nay, thí nghiệm này có thể thực hiện hàng ngày. Nếu bạn đặt một đồng hồ nguyên tử trên một máy bay đang bay, và sau đó so sánh với một đồng hồ nguyên tử khác đặt trên mặt đất, bạn sẽ thấy rằng đồng hồ trên máy bay chạy chậm lại (với hệ số chỉ khoảng một phần ngàn tỷ).

Nhưng nếu không gian và thời gian có thể thay đổi thì mọi thứ bạn có thể đo cũng sẽ phải thay đổi, kể cả vật chất và năng lượng. Và bạn chuyển động càng nhanh thì bạn sẽ trở nên càng nặng. Nhưng cái khối lượng dư đó lấy từ đâu ra? Nó tới từ năng lượng của chuyển động. Điều này nghĩa là một số năng lượng của chuyển động đã biến thành khối lượng.

Hệ thức chính xác giữa khối lượng và năng lượng là E=mc2. Phương trình này, như chúng ta sẽ thấy, đã trả lời được một trong những câu hỏi sâu xa nhất của toàn bộ khoa học: Tại sao Mặt trời lại chiếu sáng? Mặt trời chiếu sáng là bởi vì khi bạn nén các nguyên tử hydrogen tới nhiệt độ rất cao, một phần khối lượng của hydrogen sẽ biến thành năng lượng.

Chìa khóa để hiểu được vũ trụ là sự thống nhất. Đối với thuyết tương đối, đó là sự thống nhất của không gian và thời gian, vật chất và năng lượng. Nhưng sự thống nhất đó đã được thực hiện như thế nào?