How fast are you moving right now? That seems like an easy question. The first tempting answer is, "I'm not moving." Upon further reflection, you realize that maybe the Earth's motion counts. So, a second tempting answer is, "19 miles/second around the Sun." But then you recall learning that the Sun moves around the center of the Milky Way galaxy, and the Milky Way moves within the Local Group of galaxies, and the Local Group moves within the Virgo Cluster, and the Virgo Cluster moves within... "How fast are you moving?" is not an easy question. When Mission Control tells astronauts how fast they're going, there's always an assumed standard of rest. At the start of the voyage, speeds are given relative to the launchpad. But later, when the launchpad is just one more arbritrary place down there on Earth's spinning surface, speeds are given relative to the idealized, non-spinning pinpoint center of Earth. On their way to the Moon, Apollo astronauts had a hard time answering the question, "How fast are you moving?" Speed away from Earth was one thing, and speed toward the Moon was quite another. That's because the Earth and the Moon move relative to one another. Ah, of course! Speed is a relative quantity. When Captain Kirk ask Lieutenant Sulu if the Starship Enterprise has reached a speed of warp 7, Sulu should reply, "Relative to what, Captain?" Such a sassy reply may get subordinate Starfleet officers in trouble, but it is the only good answer to the question, "How fast are you moving?" This is basic relatively talking. Not fancy Einsteinian relativity, but good old fashioned (and still correct) Galilean relativity. Galileo seems to have been the first person to realize that there is no such thing as an absolute speed. Speeds are relative. This means that speeds only have meaning when they are referred to a reference frame. Presumably that reference frame is itself at rest. But then we have to ask again, "At rest relative to what?" Because even the concept of rest has lost any hint of absolute meaning. Speed is relative, and rest is relative. Earth's speed is 19 miles/second relative to the Sun. The Enterprise's speed is warp 7 relative to the center of the Milky Way galaxy. Your speed is zero relative to your easy chair. But depending on where you sit, it is hundreds of miles/hour relative to Earth's center. When we furrow a brow and ask, "But how fast is Earth really moving?" we imagine Spaceship Earth plowing through the ocean of space as it orbits the Sun. But space is not an ocean. It has no substance as water does. Space is not a thing; space is nothing. Space is no thing. You can move between two points in space, say between Earth and Mars, but you can't move through space. There's nothing to move through. It's like trying to say how much a hole weighs. A hole weighs exactly nothing because a hole is nothing. It's a void, and so is space. To move relative to nothing is meaningless. The concepts of speed and of rest have only relative meaning. They are absolutely meaningless. They mean something only with respect to arbitrarily chosen, artificial frames of reference. If, someday, you are buckled into your spaceship, and you see from the side window, say, a space station whizz by at constant speed, there is no way to know which of you is really moving. Neither of you is really moving because there is no deep reality about constant speed. Constant speed in a straight line has only relative meaning, a kind of relative reality. Does this mean that all motion is relative? No! Some motions have only relative meaning, but some motions have absolute meaning, are absolutely real. For example, constant speed is relative, but change in speed is absolute. Calling something absolute in science means that arbitrary standards are not used in its measurement. It is unambiguously measurable. When your spaceship fires its engines, your change in speed is beyond doubt. You feel it in your stomach, and your ship's sensors can measure it. Outside your window, the passing space station may seem to be changing speed, but the beings inside the station will not feel it. And no sensors can measure it. You are really changing speed, and they are really are not. There's something absolutely real about changes in speed. The same goes for rotation. If your spaceship is spinning, you can feel it, and your ship's sensors can measure it. The space station outside may seem to be going around you, but it is you who feels queasy, not the folks in the space station. You are really spinning, and they really are not. There's something absolutely real about rotation. So, some motions are relative, and some are not. There is no deep reality about constant speed, but changes in speed are deeply real, and so are rotations. We have to be thoughtful in our analysis of everyday experience in order to identify what is deeply real. Since we can be fooled by perceptions as basic as speed, maybe every perception deserves careful scrutiny. This is what inspired Einstein to his incredible insights about the speed of light and forward time travel. Knowing how to identify what is deeply real is tough and important work. If a police officer ever pulls you over for speeding and asks, "Do you know how fast you were going?" an insightful, though perhaps unwise, reply would be, "Relative to what?" And then, as you sit in the backseat of the police car and feel it accelerate toward jail, you can add, "But some things are absolute!"
Bạn đang chuyển động với vận tốc nào? Có vẻ là một câu hỏi dễ. Câu trả lời thứ nhất có thể là "Tôi đang đứng yên." Nhưng nghĩ xa hơn, bạn nhận ra chuyển động của Trái đất cũng có thể được tính. Vậy câu trả lời thứ hai có thể là: "30,6 km/s quanh Mặt trời." Nhưng rồi bạn nhớ rằng Mặt trời chuyển động quanh trung tâm Dải Ngân hà, và Dải Ngân hà chuyển động trong Tập hợp Ngân hà, và Tập hợp Ngân hà chuyển động trong Cụm Xử Nữ, và Cụm Xử Nữ chuyển động trong... "Chuyển động với vận tốc nào?" không phải là một câu hỏi dễ. Trạm kiểm soát cho biết tốc độ di chuyển của phi hành gia dựa trên một tiêu chuẩn giả định về điểm tĩnh. Lúc xuất phát, vận tốc được tính tương đối với bệ phóng. Sau đó, khi bệ phóng chỉ còn là một điểm bất kì trên bề mặt Trái đất, vận tốc được tính tương đối với tâm điểm tĩnh lí tưởng của Trái đất. Trên đường tới Mặt trăng, phi hành gia tàu Apollo gặp khó khăn để trả lời câu hỏi: "Bạn đang chuyển động với vận tốc nào?" Vận tốc ở ngoài Trái đất là một chuyện, vận tốc khi tiến tới Mặt trăng lại là chuyện khác. Bởi vì Trái đất và Mặt trăng chuyển động tương đối với nhau. À, đương nhiên rồi! Vận tốc là một đại lượng tương đối. Khi Cơ trưởng Kirk hỏi Trung úy Sulu phi thuyền Enterprise đã đạt vận tốc 370 tỉ km/h chưa? Sulu nên đáp là, "Tương đối với gì, Cơ trưởng?" Câu trả lời như vậy có thể khiến sĩ quan Starfleet gặp rắc rối, nhưng lại là câu trả lời duy nhất cho câu hỏi: "Chuyển động với vận tốc nào?" Đây là khái niệm tương đối cơ bản. Không phải Thuyết tương đối cao siêu của Einstein, mà là thuyết tương đối cũ (và vẫn đúng) của Galileo. Galileo dường như là người đầu tiên nhận ra không có thứ gọi là vận tốc tuyệt đối. Vận tốc mang tính tương đối. Điều đó nghĩa là vận tốc chỉ có ý nghĩa khi được gắn với một hệ quy chiếu. Giả định hệ quy chiếu đó ở trạng thái tĩnh. Nhưng rồi ta lại phải hỏ:i "Tĩnh so với gì?" Bởi vì kể cả trạng thái tĩnh cũng không có khái niệm rõ ràng. Vận tốc có tính tương đối, trạng thái tĩnh cũng vậy. Vận tốc Trái đất là 30,6 km/s khi Mặt trời là mốc quy chiếu. Vận tốc tàu Enterprise là 370 tỉ km/h khi lấy trung tâm Ngân hà làm mốc quy chiếu. Vận tốc của bạn là 0 khi lấy ghế ngồi làm mốc. Nhưng tùy vào nơi bạn ngồi, nó có thể là hàng trăm km/h khi lấy tâm Trái đất làm mốc. Khi ta nhăn mày và hỏi: "Vậy Trái đất chuyển động với vận tốc nào?" tưởng tượng Trái đất là 1 tàu vũ trụ rẽ sóng trên đại dương không gian trong lúc quay quanh Mặt trời. Không gian không là đại dương. Nó không có các chất như nước. Không gian không là một vật: không gian không là gì cả. Không gian không có gì cả. Bạn có thể di chuyển giữa 2 điểm trong không gian, như Trái đất và Sao Hỏa, nhưng không thể đi xuyên qua không gian. Chẳng có gì để đi qua cả. Việc đó giống như thử nói lỗ trống nặng bao nhiêu. Lỗ trống nặng bằng 0 bởi vì nó không là gì cả. Trống không, và không gian cũng vậy. Chuyển động tương đối so với không vật gì cả là vô nghĩa. Khái niệm vận tốc và trạng thái tĩnh chỉ có nghĩa tương đối. Chúng không có nghĩa tuyệt đối. Chúng chỉ có nghĩa khi được gắn với một mốc quy chiếu bất kì đã được chọn. Nếu một ngày nào đó trong tàu vũ trụ , bạn nhìn thấy qua cửa sổ, ví dụ một trạm không gian bay qua với vận tốc bất biến, không có cách nào biết được cái gì đang chuyển động. Cả hai đều không chuyển động vì vận tốc bất biến không có thực. Vận tốc bất biến là một đường thẳng chỉ có ý nghĩa tương đối, một dạng hiện thực tương đối. Nghĩa là mọi chuyển động đều có tính tương đối? Không! Một vài chuyển động chỉ có tính tương đối, một vài chuyển động có tính tuyệt đối, và hoàn toàn thật. Ví dụ, vận tốc bất biến là tương đối, nhưng thay đổi trong vận tốc là tuyệt đối. Cái gì có tính tuyệt đối trong khoa học nghĩa là không dùng các tiêu chuẩn bất kì trong quá trình đo lường. Có thể đo được một cách rõ ràng. Khi tàu vũ trụ của bạn bắt đầu chạy, sự thay đổi vận tốc là rõ ràng. Bạn cảm thấy điều đó, và cảm biến trên tàu có thể đo được. Ngoài cửa sổ, trạm không gian lướt qua dường như thay đổi vận tốc, nhưng những người trong trạm không cảm thấy như vậy. Và không cảm biến nào đo được. Bạn thực sự đang thay đổi vận tốc, còn họ thì không. Có sự tuyệt đối trong sự thay đổi vận tốc, Sự xoay tròn cũng vậy. Nếu tàu vũ trụ đang quay, bạn có thể cảm thấy, có thể đo được bằng cảm biến. Trạm không gian bên ngoài như đang xoay quanh bạn, nhưng chỉ bạn cảm thấy buồn nôn, chứ không phải người trong trạm vũ trụ. Chính bạn mới đang quay tròn, còn họ thì không. Chuyển động xoay tròn mang tính tuyệt đối. Vậy một vài chuyển động là tương đối, một vài thì không. Không có thực tế tuyệt đối với vận tốc bất biến, nhưng sự thay đổi trong vận tốc là có thật, cũng như chuyển động xoay tròn. Phải cẩn trọng trong phân tích để xác định cái gì là tuyệt đối. Vì ta có thể bị đánh lừa bằng những nhận thức đơn giản như vận tốc, mỗi nhận thức đều cần được xem xét kĩ càng. Đây là điều truyền cảm hứng cho Einstein có cái nhìn sâu sắc về vận tốc ánh sáng và du hành vượt thời gian. Biết cách xác định cái gì mang tính tuyệt đối là công việc khó khăn nhưng quan trọng. Nếu một viên cảnh sát yêu cầu bạn tấp vào lề vì vượt tốc độ và hỏi: "Bạn biết bạn đang đi với vận tốc nào không?" một câu trả lời sâu sắc, nhưng không khôn ngoan cho lắm sẽ là: "Tương đối với cái gì?" Và rồi, bạn sẽ ngồi sau xe cảnh sát và được tháp tùng về phòng giam, bạn có thể nói thêm: "Nhưng có những thứ là tuyệt đối!"