Tính tuyệt đối và phổ quát của thời gian đã từng là một giáo lý thiêng liêng của vật lý và không ai đặt vấn đề nghi ngờ những giả định đó. Thời gian là như nhau ở mọi nơi, và sự trôi của thời gian là bất biến. Một cách đơn giản, Einstein đã chỉ ra rằng những giả định này không đúng. Chỉ có tốc độ ánh sáng là một hằng số, còn mọi thứ khác, kể cả không gian lẫn thời gian, sẽ tự điều chỉnh xung quanh hằng số phổ quát này.

Chương 2: EINSTEIN THỜI TRẺ   

Rafiniert ist der Herr Gott, aber boshsaft ist er nicht^[1](Albert Einstein). Hằng số vũ trụ là một thành phần do Einstein đưa vào phương trình trường hấp dẫn của ông, nhưng về sau chính ông đã loại bỏ nó. Phương trình trường là báu vật trong công trình của Einstein, điểm cao nhất trong thuyết tương đối tổng quát mà ông đã sáng tạo nên trong thập kỷ thứ hai của thế kỷ 20. Đó là một phương trình có sức mạnh tiềm tàng cho phép nhìn thấu vào các định luật ẩn giấu trong tự nhiên mà trước Einstein không ai nhìn thấy, với một khả năng tiên đoán sự thật đáng kinh ngạc. Từ lúc ra đời đến các thập kỷ tiếp theo, phương trình đã nhiều lần chứng tỏ sự đúng đắn của nó bằng những cách không thể nào ngờ tới. Nhưng làm sao một người có thể hiểu được bí mật của vũ trụ rõ đến như thế ?

Albert Einstein (1879 – 1955) sinh ngày 14 tháng 3 năm 1879 tại Ulm, một thành phố trong vùng Swabia ở tây nam nước Đức, trong một gia đình Do Thái trung lưu mà tổ tiên của họ đã sống ở đó nhiều đời đến nỗi không ai còn nhớ rõ từ bao giờ. Khi Albert còn nhỏ, gia đình đã chuyển tới một thành phố lớn ở miền nam nước Đức, Munich. Ở đó, ông bố, Hermann Einstein (1847 – 1902), sở hữu một doanh nghiệp nhỏ cùng với người em sống chung với gia đình. Hai người làm việc trong ngành điện hoá và điều khiển một xí nghiệp nhỏ, Hermann lo liệu việc buôn bán trong khi người em phụ trách công nghệ và kỹ thuật. Mẹ của Albert là Pauline (Koch) Einstein (1858 – 1920). Ông bà Einstein còn có một cô con gái, Maja.

Ngay từ khi còn ít tuổi, cậu bé Albert đã thể hiện mối quan tâm đặc biệt đến thế giới xung quanh. Khi cậu 5 tuổi, cha cậu tặng cậu một chiếc la bàn, cậu bé như bị bỏ bùa mê vì cái dụng cụ đó và trí tò mò của cậu bị kích thích cao độ bởi sự kiện chiếc kim cứ tuân theo một cái trường vô hình để luôn luôn hướng về cực bắc. Lúc về già, Einstein đã nhớ lại và đề cập đến sự kiện này như một trong các nhân tố thúc đẩy ông sau này lao vào nghiên cứu trường hấp dẫn. Từ 6 đến 13 tuổi, Albert học violon, với sự khuyến khích của mẹ, một người có năng khiếu âm nhạc. Einstein trở thành một người chơi violon và tiếp tục chơi nhạc cụ này trong suốt cuộc đời. Từ 1886 đến 1888, Albert Einstein theo học một trường công ở Munich. Theo  yêu cầu của luật nhà nước về tôn giáo, gia đình của Einstein phải bổ sung cho con em mình những kiến thức về Do Thái giáo tại nhà, dù cho gia đình không chú ý đến việc này lắm. Năm 1888, Einstein vào trường trung học Luitpold Gymnasium tại Munich. Toà nhà của trường này đã bị thả bom trong Thế Chiến II, sau này đã được xây dựng lại tại một khu vực khác và đổi tên thành Albert Einstein Gymnasium.

Tại trường trung học Einstein càng ngày càng thể hiện sự không ưa thích và không tin tưởng giới chức quản trị – một tính cách ông đã thể hiện trong suốt cuộc đời. Sau này nói về những năm ở nhà trường, Einstein đã so sánh các thầy giáo ở trường tiểu học với các trung sĩ quân đội và thầy giáo ở trường trung học với các trung uý. Vài năm sau, tinh thần chán ghét chính quyền áp bức của Phổ đã thúc đẩy chàng thanh niên Albert không thừa nhận tư cách công dân Đức của mình và nộp đơn xin trở thành công dân Thụy Sĩ. Ông nhớ lại rằng trường trung học đã sử dụng phương pháp ép buộc, thị uy làm cho học sinh sợ hãi. Chính tại trường trung học này Einstein đã tự dạy mình nghi vấn quyền uy – và, thực ra, nghi vấn tất cả những niềm tin đã được chấp nhận, một tính cách có thể cũng ảnh hưởng đến việc nghiên cứu khoa học của ông, như một số nhà viết tiểu sử đã suy đoán. Năm 1891, một sự kiện khác xẩy ra, cũng có tác dụng kích thích như chiếc la bàn, đã ảnh hưởng sâu sắc đến Einstein. Đó là một cuốn sách giáo khoa được dùng trong các năm học của Einstein: cuốn Hình học Euclid. Cậu có cuốn sách đó trước khi năm học bắt đầu và đọc nó một cách say mê, sửng sốt. Einstein bắt đầu đặt ra những câu hỏi đối với những khái niệm nền tảng của hình học Euclid. Trong hai thập kỷ sau, ông đã phát triển một lý thuyết mang tính cách mạng dựa trên nhận định cho rằng không gian chúng ta đang sống là không gian phi-Euclid.

Năm 1894, gia đình Einstein chuyển đến Ý. Bố của Einstein hy vọng xây dựng được một cơ ngơi làm ăn thành công ở đó sau khi doanh nghiệp tại Munich thất bại. Cha mẹ Einstein cho Maja đi theo, và để Albert ở lại với một người họ hàng xa để có thể hoàn tất chương trình trung học. Nhưng chàng trai Einstein quyết định làm theo ý riêng của mình là rời bỏ trường trung học và sang sống với gia đình ở Ý. Einstein không thể chịu được kỷ luật nghiệt ngã, độc đoán của trường trung học, và chán ngấy vì phải học những môn nhà trường chú trọng: tiếng Hy Lạp và La Mã cổ. Einstein tiếp tục nghiên cứu thêm toán và vật lý – những môn cậu thích từ hồi bé. Sau 6 tháng, Einstein trù tính một cuộc bỏ trốn. Một bác sĩ đưa cho Einstein một lá thư nói rằng vì sức khoẻ sa sút, cậu cần nghỉ học một thời gian để đến với gia đình ở Ý. Có lẽ nhà trường cũng cảm thấy nhẹ bớt khi cho phép cậu ra đi vì cách ứng xử của cậu đang phá vỡ các nguyên tắc nội quy.

Einstein rất thích nước Ý. Nền văn hoá sôi động ở đây – một sự tán thưởng những cái làm cho cuộc sống đáng sống – hoàn toàn trái ngược với tính cách Đức mà anh chán ngán. Einstein say đắm với những công trình nghệ thuật kỳ diệu mà anh nhìn thấy trong các bảo tàng ở khắp miền bắc nước Ý. Thậm chí Einstein đã đi bộ từ Milan, nơi gia đình anh cư ngụ, để vượt qua dãy Apenines rồi đi một mạch đến Genoa ở bờ biển Ligurian ven Địa Trung Hải. Nhưng việc làm ăn của Hermann lại thất bại một lần nữa, do đó ông phải đẩy cậu con trai của mình trở về với thực tế, lo giành được tấm bằng trung học để cậu tiếp tục việc học hành của mình và có thể tự lo liệu cho bản thân. Chàng thanh niên Albert tin rằng kiến thức toán và vật lý xuất sắc của mình sẽ cho phép anh có thể được nhận vào đại học mà không cần đến tấm bằng tốt nghiệp trung học anh đã chối bỏ. Nhưng anh đã lầm – hoá ra anh sẽ không thể đi đến bất cứ đâu nếu không có bằng tốt nghiệp trung học.

Năm 1895, Einstein thi trượt vào Đại học bách khoa ETH của Thụy Sĩ, nơi anh hy vọng sẽ được tuyển chọn bằng cách vượt qua kỳ thi thay cho một tấm bằng trung học. Anh đã thi môn toán xuất sắc, nhưng kiến thức của anh về các môn khác như ngôn ngữ, thực vật, động vật, đạt dưới mức tiêu chuẩn của trường đại học này. Tuy nhiên vị hiệu trưởng trường đại học có ấn tượng tốt đối với kiến thức toán của người thí sinh trẻ tuổi, nên đã gợi ý rằng anh nên ghi danh vào một trường trung học hàng tỉnh ở thị trấn Aarau, Thụy Sĩ, để lấy một tấm bằng trung học cần thiết. Einstein ghi danh học trường trung học ở Aarau mà trong lòng lo lắng – anh vẫn bị chấn thương bởi cách đối xử máy móc không thể hiểu nổi mà sinh viên phải ráng chịu tại trường trung học ở Đức. Nhưng anh rất ngạc nhiên thấy trường học ở Thụy Sĩ hoàn toàn khác. Kỷ luật kiểu quân sự ở đây không căng thẳng như ở Đức. Ở đây anh có thể nghỉ ngơi, nghiên cứu, giao du bạn bè. Anh sống tại nhà một thầy giáo, và trở thành bạn thân của con cái của ông thầy giáo đó, đi chơi leo núi cùng với họ . Sau một năm tại trường trung học ở Aarau, Einstein lấy được bằng tốt nghiệp trung học và lại ghi danh vào ETH, và lần này anh được chấp nhận. Anh quyết định theo học ngành toán và vật lý để chuẩn bị cho nghề thầy giáo tương lai. Anh say mê với ý tưởng giải thích thế giới tự nhiên bằng những biểu thức toán học ngắn gọn. Đối với anh, vật lý là một khoa học hướng tới việc khám phá một phương trình toán học chính xác để phản ánh hiện thực.

Ngày 29 tháng 10 năm 1896, Einstein chuyển đến Zurich và theo học ETH. Tại đây ông gặp hai nhân vật quan trọng trong cuộc đời của mình: Mileva Maric – sau này trở thành vợ đầu tiên của ông – và Marcel Grossmann, một nhà toán học mà công trình của ông ta sau này sẽ giúp Einstein phát triển lý thuyết tương đối trong những năm đầu sau khi tốt nghiệp đại học. Trong năm thứ hai tại ETH, Einstein đã gặp Michele Angelo Besso, người trở thành bạn suốt đời và một người nhiệt liệt ủng hộ tư tưởng của Einstein trong việc phát triển thuyết tương đối đặc biệt ngay từ những ngày đầu tiên.

Trong hai năm đầu tại ETH Albert Einstein đã có một thay đổi quyết định trong định hướng nghề nghiệp khoa học cuả mình. Cho đến lúc ấy ông vẫn quan tâm đến toán học và tự hào vì những hiểu biết của mình về môn học này. Tuy nhiên tại Đại học bách khoa, ông đã quyết định vật lý mới là mối quan tâm lớn nhất, và toán học đơn giản chỉ là phương cách để định lượng các định luật vật lý mà thôi. Nhưng Einstein không thích cách giảng dạy tại ETH. Các giáo sư vật lý ở đây dạy những lý thuyết cũ kỹ và không thảo luận những lý thuyết mới trong lĩnh vực này. Einstein bắt đầu làm cái mà ông sẽ tiếp tục làm trong suốt cả cuộc đời – tự dạy mình các lý thuyết bằng cách tự đọc và nghiên cứu. Hậu quả là ông thiếu sự chú tâm vào các bài giảng, và làm phật ý nhiều giáo sư trong trường. Tình hình trong môn toán thậm chí còn tệ hại hơn. Sau khi xem toán học chỉ là một phương tiện và không phải là mối quan tâm chủ yếu, Einstein ít chú ý đến môn này. Điều này có ảnh hưởng rõ nhất trong những bài giảng của Hermann Minkowski (1864 – 1909), một nhà toán học nổi tiếng gốc Nga. Minkowski cũng bị chàng sinh viên trẻ tuổi này lảng tránh những buổi lên lớp của ông đến nỗi sau này ông gọi anh ta là một “con chó lười biếng” (a lazy dog). Trớ chêu thay, khi Einstein phát triển thuyết tương đối đặc biệt của mình trong những năm sau khi tốt nghiệp, thì chính Minkowski đã sáng tạo nên toàn bộ lý thuyết toán học để mô tả vật lý tương đối.

Sự thiếu chú ý của Einstein đến các bài giảng tại ETH đã ảnh hưởng bất lợi đối với việc tốt nghiệp. Như mọi sinh viên tốt nghiệp đại học ngày nay đều biết, việc có mặt trên lớp và đạt điểm tốt trên lớp là quan trọng, nhưng còn có một cái gì đó quan trọng hơn nữa đối với nghề nghiệp của mỗi sinh viên sau này là khả năng có được những thư giới thiệu của các giáo sư nhà trường. Trong thời của Einstein, điều này thậm chí còn cần thiết hơn. Sau khi tốt nghiệp, để có thể tiếp tục những nghiên cứu tại một học viện có uy tín, một sinh viên cần phải có thư giới thiệu của một giáo sư nhà trường rằng anh hoặc chị ta đã từng làm việc với ai với tư cách một trợ lý. Einstein vô cùng thất vọng vì không một giáo sư nào chịu giới thiệu ông. Einstein phải rời khỏi ETH và tìm một công việc giáo viên hoặc một gia sư. Tình hình của ông trở nên tệ hại hơn nữa vì những khó khăn tài chính của ông bố và sự bất lực của gia đình trong việc giúp đỡ ông thậm chí trong giai đoạn tìm việc.

Einstein tốt nghiệp học viện ETH vào mùa hè năm 1900, nhưng vì ông thất bại trong việc xin một chân trợ lý ở trường đại học này, ông đã phải khó nhọc tìm kiếm một vài phương tiện hỗ trợ khác. Trong vài năm tiếp theo, ông làm giáo viên tạm thời tại Thụy Sĩ, nhưng không có hợp đồng nào dài hạn.

Ngày 16 tháng 6 năm 1902, Albert Einstein, lúc này đã là công dân Thụy Sĩ được hơn một năm, được nhận vào làm tại Sở cấp bằng sáng chế Thụy Sĩ tại Bern, một việc làm do bố của người bạn thân là Marcel Grossmann thu xếp. Đầu tiên công việc này là tạm thời, nhưng từ 1904 trở đi đã trở thành lâu dài. Ông được coi là một chuyên viên kỹ thuật, và công việc của ông là đánh giá những chỗ đúng sai của những đề nghị cấp bằng sáng chế phát minh. Hai năm trước đó, cuộc sống của Albert có những thay đổi: cái chết của ông bố tại Milan năm 1902, và đám cưới của Albert với Mileva năm 1903. Mileva theo ông đến Bern, và họ đã cưới nhau, bất chấp sự phản đối và sự không ưa thích của mẹ Einstein đối với con dâu.

Sở cấp bằng sáng chế Thụy Sĩ đã tạo cho nhà khoa học trẻ một cơ hội thú vị. Ông có vẻ thích công việc của mình. Ông từng say mê miệt mài trong việc xem xét, đánh giá ích lợi của những chiếc máy được sáng chế ra vì những mục đích đặc biệt. Nhưng công việc này tạo cho ông có những thì giờ rảnh rỗi – thời gian ông sử dụng một cách hữu ích để học tập và nghiên cứu. Về cuối đời, ông khuyên những nhà nghiên cứu trẻ tuổi rằng hoàn cảnh tốt nhất đối với một nhà khoa học ham muốn sáng tạo là kiếm được những công việc đơn giản “không cần trí thức” (unintellectual), cho phép có nhiều thì giờ nghiên cứu, thay vì một vị trí truyền thống trong trường đại học đòi hỏi phải giảng dạy và làm các công việc có tính chất phục vụ và quản lý nhà trường.

Einstein dành phần lớn thời gian của ông ở Sở cấp bằng sáng chế Thụy Sĩ để đọc và nghiên cứu. Trái với một số nhà viết tiểu sử về ông đã nói, thực ra Einstein biết rất rõ công trình của những người cùng thời với ông cũng như của những nhà vật lý tiền bối và các nhà khoa học khác, bao gồm Immanuel Kant, Auguste Comte, David Hume, và Nietzsche. Trong vật lý, Einstein chịu ảnh hưởng nhiều nhất của Galileo Galilei (1564 – 1642), Ernst Mach (1838 – 1916) và James Clerk Maxwell (1831 – 1879). Galileo là người đầu tiên xem xét tính tương đối của các hệ chuyển động, và trong công trình nghiên cứu của mình Einstein thường xuyên nhắc đến các tài liệu tham khảo về Galileo. Nhà vật lý người Áo Ernst Mach là người có những phân tích hoàn hảo về cơ học của Isaac Newton (1643 – 1727). Mach nhận xét rằng Newton đã tiến hành những quan sát về chuyển động tuân theo một số nguyên lý đơn giản rồi từ đó ông đưa ra những dự đoán. Nhưng Mach đặt vấn đề phải chăng những tiên đoán này chỉ đúng chừng nào những thí nghiệm của Newton vẫn còn đúng. Mach nhấn mạnh rằng trong khoa học chúng ta phải tuân theo một sự tiết kiệm tư duy – xây dựng các mô hình chắt lọc tằn tiện, càng có ít thông số càng tốt. Đó là cách diễn đạt toán học của nguyên lý Occam’s Razor (Lưỡi Dao Cạo của Occam), một nguyên lý nổi tiếng trong đó nói rằng lý thuyết đơn giản nhất là lý thuyết tốt nhất. Trong toán học, điều này có nghĩa là người ta có thể chọn một mô hình hoặc một phương trình đơn giản nhất để mô tả bất kỳ một hiện tượng nào trong tự nhiên. Trong một công trình đi trước Einstein, Mach đã phê phán niềm tin của Newton dựa trên khái niệm về không gian và thời gian tuyệt đối. Theo cách đó, triết học khoa học của Mach mang tính tương đối, mặc dù ban đầu ông là người chống đối lý thuyết nguyên tử, vì vào thời đó (những năm 1870) không có một quan sát trực tiếp nào chứng minh sự tồn tại của nguyên tử. Đối với Mach, mọi kết luận khoa học phải được rút ra từ những quan sát vật lý. Tiếp thu tư tưởng thực chứng (empirical) của Mach, Einstein đã làm cho vật lý có tính tương đối và chính xác, và coi lý thuyết của Newton như giới hạn của vật lý tương đối khi tốc độ của chuyển động nằm trong cấp độ đời sống hàng ngày.

Nhà khoa học có ảnh hưởng lớn nhất đến các công trình của Einstein là nhà vật lý người Scotland, James Clerk Maxwell. Maxwell là người nêu lên tư tưởng về trường, một tư tưởng đã trở thành nội dung chủ yếu đối với toàn bộ công trình của Albert Einstein. Lý thuyết của Maxwell giải thích các hiện tượng điện từ bởi một hệ phương trình mô tả một trường lực – giống như những đường sức mà ta nhìn thấy khi một nam châm được đặt dưới một miếng giấy mà trên đó phủ một lớp mạt sắt. Mạt sắt được sắp sếp thành những đường chạy theo một hình dạng đặc biệt từ một cực này của nam châm đến cực kia. Dạng hình có thể nhìn thấy của mạt sắt là một bức tranh của từ trường tạo ra bởi nam châm. Công trình của Maxwell đã mở ra một phương pháp khoa học để loại bỏ những khái niệm mơ hồ như ether, mà người ta tin rằng là một môi trường trung gian để ánh sáng chuyển động xuyên qua nó trong không gian. Công trình của Maxwell có thể được xem như người báo hiệu cho thuyết tương đối của Einstein, nơi các trường trở thành thành phần cơ bản của lý thuyết. Nhưng các nhà khoa học khác cũng cung cấp cho Einstein những kiến thức bổ ích để sáng tạo nên thuyết tương đối đặc biệt trong khi ông làm việc tại Sở cấp bằng sáng chế Thụy Sĩ. Những nhà khoa học này gồm Heinrich Herz (1857 – 1894); nhà vật lý HàLan Hendrik Lorentz (1853 – 1928), mà công trình của họ về các phép biến đổi là phần cốt lõi để trình bầy thuyết tương đối đặc biệt dưới dạng toán học; nhà toán học Pháp Henri Poincaré (1854 – 1912); và một số người khác nữa.

Einstein công bố thuyết tương đối đặc biệt vào năm 1905, một năm sáng tạo hết sức đáng kinh ngạc của Einstein vì cùng trong năm đó ông còn hoàn tất và công bố ba công trình đột phá khác nữa: các công trình về chuyển động Brown, về lý thuyết lượng tử ánh sáng, và một luận văn tiến sĩ về kích thước phân tử. Công trình cuả Einstein về thuyết tương đối đã thay đổi khái niệm của chúng ta về chuyển động, không gian và thời gian. Không gian không bao giờ còn được xem là tuyệt đối nữa, mà thực ra nó là tương đối đối với hệ quy chiếu của một người nào đó. Quan niệm về các hệ quy chiếu vọng lại một khái niệm tương tự mà Galileo đã nêu lên từ ba thế kỷ trước. Galileo khảo sát xem điều gì sẽ xẩy ra khi một quả bóng rơi xuống từ trên đỉnh một cột buồm của một con thuyền, so với một quả bóng rơi từ cùng một độ cao như thế trên mặt đất. Trong trường hợp thứ nhất, hệ quy chiếu – con thuyền – đang chuyển động, trong khi trong trường hợp thứ hai hệ quy chiếu – mặt đất – không chuyển động. Điều gì sẽ xẩy ra với quả bóng ? Galileo hỏi. Liệu quả bóng trên con thuyền sẽ rơi thẳng xuống sàn thuyền đang chuyển động, hay sẽ vạch ra một vệt ngược hướng so với trường hợp nếu nó rơi bên trên mặt đất rắn chắc ? Einstein đã tiếp thu ý tưởng về khung quy chiếu chuyển động đó và mang nó vào một lĩnh vực chưa hề được khai phá – các vật thể chuyển động với tốc độ gần với ánh sáng.

Trong thế giới mới mang tính tương đối mà Einstein đã cho chúng ta chỉ có một cái tuyệt đối: tốc độ ánh sáng. Mọi thứ khác đều nằm trong giới hạn tốc độ lớn nhất này. Không gian và thời gian hợp nhất thành không-thời-gian. Trong hai anh em sinh đôi, người ngồi trên một con tầu không gian chuyển động nhanh sẽ già chậm hơn so với người ở lại trên mặt đất. Các vật thể chuyển động sẽ biến đổi và thời gian sẽ giãn ra khi tốc độ chuyển động tiệm cận với tốc độ ánh sáng. Thời gian sẽ chậm lại. Nếu có bất cứ cái gì có thể chuyển động nhanh hơn ánh sáng, mà thuyết tương đối cấm đoán, thì nó sẽ chuyển động về quá khứ. Không gian và thời gian không còn cứng nữa – chúng mềm dẻo và phụ thuộc vào tốc độ của vật thể chuyển động, tốc độ càng gần với tốc độ ánh sáng bao nhiêu thì sự phụ thuộc càng rõ rệt bấy nhiêu.

Tính tuyệt đối và phổ quát của thời gian đã từng là một giáo lý thiêng liêng của vật lý và không ai đặt vấn đề nghi ngờ những giả định đó. Thời gian là như nhau ở mọi nơi, và sự trôi của thời gian là bất biến. Một cách đơn giản, Einstein đã chỉ ra rằng những giả định này không đúng. Chỉ có tốc độ ánh sáng là một hằng số, còn mọi thứ khác, kể cả không gian lẫn thời gian, sẽ tự điều chỉnh xung quanh hằng số phổ quát này. Thuyết tương đối đặc biệt của Einstein đã làm sáng tỏ một trong những kết quả thí nghiệm trái với sự mong đợi từng gây nên thắc mắc lớn nhất trong lịch sử: thí nghiệm của Michelson-Morley tìm kiếm ether.

James Clerk Maxwell – người đã cung cấp cho chúng ta rất nhiều hiểu biết vật lý và lý thuyết của ông đã là nguồn cảm hứng đối với Einstein – giống như các nhà khoa học khác trong thế giới tiền-tương-đối, cũng là một người tin vào học thuyết ether, một học thuyết bắt nguồn từ thời cổ Hy Lạp. Trong lời dẫn nhập của cuốn Bách khoa toàn thư của Anh (Encyclopedia Britannica) xuất bản năm 1878, Maxwell viết: “mọi không gian được lấp đầy bởi ba hoặc bốn lớp aether”. Nhưng aether, hoặc ether là cái gì ? Người ta cho rằng ánh sáng và các dạng bức xạ khác hoặc các hạt cần một môi trường trung gian để nó du hành xuyên qua. Không có một môi trường nào như thế đã thực sự được nhìn thấy hoặc cảm thấy, nhưng dù sao, nó phải tồn tại. Giả định này phổ biến đến nỗi cả những nhà khoa học đáng kính cũng tiếp nhận nó một cách nghiêm túc. Một trong số đó là Albert A. Michelson (1852 – 1931), một nhà vật lý Mỹ nổi tiếng. Năm 1881, trong khi làm việc tại một phòng thí nghiệm tại Berlin, Michelson để ý đến một lá thư của Maxwell viết năm 1879, trong đó Maxwell đặt vấn đề liệu có thể sử dụng các phép đo thiên văn để xác định tốc độ cuả hệ Mặt Trời chuyển động trong ether hay không. Michelson là một chuyên gia đo vận tốc ánh sáng. Ông bị kích thích vì lá thư đó. Michelson liền bắt tay vào một loạt công việc cải thiện độ chính xác trong đo đạc nhằm phát hiện những thay đổi trong tốc độ ánh sáng có thể chỉ ra sự trôi dạt của ether. Năm 1886, sau khi Michelson trở về Mỹ, ông đã phối hợp hầu hết các thí nghiệm với nhà hoá học Mỹ Edward W. Morley (1838 – 1923). Michelson và Morley đã đo tốc độ ánh sáng cả theo hướng quay của Trái Đất lẫn theo hướng ngược lại và dự kiến tìm thấy sự khác biệt trong tốc độ. Nhưng họ chẳng thấy gì cả. Chẳng có sự trôi dạt nào của ether cả, và dường như chẳng hề có ether. Năm 1907, Michelson trở thành nhà khoa học Mỹ đầu tiên nhận được giải thưởng Nobel. Thuyết tương đối đặc biệt của Einstein đã đến đúng lúc để giải thích với thế giới tại sao Michelson và Morley đã thu được kết quả không mong đợi của họ.

Không rõ vào lúc nào Einstein đã biết thí nghiệm của Michelson-Morley đi đến kết quả đáng ngạc nhiên rằng chẳng có sự thay đổi nào trong tốc độ ánh sáng khi đo theo chiều quay của Trái Đất hoặc ngược lại. Nhưng có thể biết rõ rằng Einstein đã có những nghiên cứu lý thuyết thuần tuý – “những thí nghiệm tưởng tượng” của ông – để kết luận tốc độ ánh sáng luôn luôn bất biến bất kể nguồn sáng đi tới hoặc rời khỏi người quan sát với tốc độ bằng bao nhiêu. Nhà viết tiểu sử Einstein là Albrecht Folsing đã mô tả cái ngày giữa tháng 5 năm 1905 đã diễn ra như thế nào, khi ý tưởng cuối cùng về nguyên lý tương đối đặc biệt đã đến với Einstein tại Sở cấp bằng sáng chế ở Bern ^[2]. Đó là một ngày đẹp trời , sau này Einstein nhớ lại trong một bài giảng ở Kyoto năm 1922. Ông đã dành nhiều giờ để thảo luận về vấn đề không gian và thời gian với người bạn Michele Angelo Besso, và sau đó, bỗng nhiên, câu trả lời xuất hiện trong óc ông. Ngày hôm sau, không chào hỏi gì cả, Einstein bổ nhào tới người bạn của mình với lời giải thích về nguyên lý tương đối: ” Cám ơn cậu! Tớ đã hoàn toàn giải được bài toán. Lời giải của tớ là một phân tích khái niệm thời gian. Thời gian không thể xác định một cách tuyệt đối được, và có một mối quan hệ không thể chia cắt giữa thời gian và vận tốc truyền tín hiệu”. Einstein giải thích với Besso ý niệm về tính đồng thời. Trong thuyết tương đối, thời gian không đồng nhất ở mọi nơi. Einstein sử dụng tháp chuông ở Bern và tháp chuông của một làng lân cận để minh hoạ quan điểm của ông. Cái bất biến không phải là thời gian, và cả không gian nữa – mà chính là vận tốc ánh sáng.  Và thuyết tương đối đặc biệt đã giải thích tất cả những cái đó. Nhưng điều gì sẽ xẩy ra nếu sự trôi của ether được phát hiện ? Sau này, năm 1921, khi nghe thấy lời đồn đại về một thí nghiệm như thế, lúc thuyết tương đối đã được hầu hết thế giới công nhận, ông đã nói một câu nổi tiếng: “Rafiniert ist der Herr Gott, aber boshsaft ist er nicht”. Câu nói này đã được khắc trên một phiến đá ở phía trên chiếc lò sưởi trong căn phòng chung của khoa toán trường Đại học Princeton – một lời chứng cho bản chất vĩnh cửu của thuyết tương đối đặc biệt.