Bạn có thể leo lên một chùm ánh sáng? Câu đố vật lý với cú chốt hài hước
Hai người đàn ông say rượu, một chiếc đèn pin và một lời thách: leo lên chùm sáng đi. Một người bật đèn và thách người bạn đồng hành trèo lên cột sáng rực rỡ. Người kia, không phải kẻ ngốc, đáp rằng anh ta sẵn lòng leo — chỉ có điều, đến nửa đường, người kia có thể tắt công tắc và làm anh ta rơi xuống. Khán giả cười, nhưng câu đùa ấy đã âm thầm khiến các nhà vật lý trăn trở suốt nhiều thập kỷ.
Tiểu phẩm này là một tiết mục quen thuộc của nghệ thuật hài kịch Trung Quốc, được cố nghệ sĩ tấu xướng Hou Baolin phổ biến. Nó hiệu quả vì lấy một hình ảnh quen thuộc — một luồng sáng nhìn thấy được — và đối xử với nó như một vật thể rắn. Câu hỏi đầu tiên là liệu chùm sáng có thực sự ở đó không. Trong không khí sạch, chùm sáng đèn pin là vô hình; cái chúng ta thấy là ánh sáng tán xạ khỏi bụi, sương mù và khói. Cột sáng không phải là một vật mà là một đường đi, một dòng photon bật khỏi các hạt và đi vào mắt bạn.
Giả sử bạn vẫn có thể leo lên nó. Photon mang động lượng, nên chùm sáng thực sự đẩy vào bất cứ thứ gì nó chiếu tới — nguyên lý đằng sau cánh buồm mặt trời và nhíp quang học, vốn dùng ánh sáng laser hội tụ để giữ và di chuyển các vật thể nhỏ. Nhưng lực này cực kỳ nhỏ. Chùm sáng của một chiếc đèn pin bỏ túi sẽ tạo ra áp lực quá yếu để nâng đỡ một người, thậm chí một hạt cát, chống lại trọng lực. Bạn sẽ cần thứ gì đó gần với một ngọn đèn pha quy mô sao.
Rồi đến công tắc. Ánh sáng truyền đi với tốc độ khoảng 300.000 km mỗi giây, nên khi đèn pin tắt, chùm sáng không nán lại và mờ dần như vòng khói. Những photon cuối cùng lao đi gần như tức thì. Bất kỳ ai đang ngồi trên chùm sáng sẽ không bị rơi xuống bởi một cột sáng biến mất; họ chỉ thấy mình trong bóng tối, chịu tác dụng của trọng lực thông thường, và ngã. Theo nghĩa đó, nỗi lo của người đàn ông say rượu là có cơ sở, dù vì lý do sai.
Các nhà vật lý có cách nói chính xác hơn. Ánh sáng không phải là một chiếc thang cứng mà là một sóng điện từ lan truyền. Động lượng của nó được mang bởi chính sóng, và khi nguồn ngừng, sóng ngừng phát ra. Không có cấu trúc thừa nào để đứng lên. Câu hỏi điều gì xảy ra với chùm sáng sau khi tắt công tắc thực chất là câu hỏi về bản chất ánh sáng: một vật, một sự kiện, hay một mô tả về cách năng lượng di chuyển.
Câu đố cũng chạm đến thuyết tương đối. Nếu bạn có thể cưỡi trên chùm sáng với tốc độ ánh sáng, hệ quy chiếu của chính chiếc đèn pin sẽ hành xử kỳ lạ — sự giãn nở thời gian và tính bất biến của tốc độ ánh sáng khiến ý tưởng đuổi kịp một photon trở nên trơn trượt. Einstein nổi tiếng với việc tưởng tượng đuổi theo một chùm sáng khi còn là thiếu niên, và thí nghiệm tư duy ấy đã giúp đưa ông đến thuyết tương đối hẹp. Những người đàn ông say rượu, theo cách của họ, đang ở trong công ty tốt.
Vậy câu trả lời có nhiều lớp. Bạn không thể thấy chùm sáng nếu không có thứ gì đó tán xạ nó. Bạn không thể đứng trên nó vì lực đẩy của nó không đáng kể. Và nếu ánh sáng tắt, bạn ngã — không phải vì cột sáng bị kéo đi, mà vì nó chưa bao giờ là một cột sáng ngay từ đầu. Câu đùa tồn tại vì trực giác mà nó chế giễu quá ương ngạnh: chúng ta coi ánh sáng như vật rắn, trong khi nó là thứ khó nắm bắt nhất mà chúng ta biết.
Đó là lý do tiết mục này cứ xuất hiện mãi trong các lớp học vật lý và bài viết khoa học phổ thông. Nó bắt đầu bằng tiếng cười và kết thúc bằng động lượng, tán xạ và tốc độ ánh sáng — một lời nhắc rằng ngôn ngữ thông thường về những thứ hàng ngày có thể che giấu vật lý phi thường. Lần tới ai đó vung đèn pin, chùm sáng vẫn ở đó, nhưng chỉ vì có thứ gì đó trong không khí đang bắt lấy nó.