Lưỡi kiếm Lightsaber có khối lượng không?

Khi nhắc đến Star Wars, điều đầu tiên xuất hiện trong tâm trí bạn chắc chắn là những thanh kiếm ánh sáng (lightsaber). Đúng không? Từ góc độ làm phim, đâu là thứ tuyệt vời hơn một thanh kiếm tương lai cho phép tạo ra những trận đấu kiếm điêu luyện như những bộ phim cướp biển thời xưa. (Nó tuyệt vời hơn nhiều so với việc xem những người lính Stormtrooper bắn súng laser vào tường, trần nhà và mọi thứ khác ngoại trừ mục tiêu của họ).

Kiếm ánh sáng có đủ mọi sắc màu của vũ trụ (màu xanh hoặc xanh lá cho người tốt, màu đỏ cho kẻ xấu) và nhiều hình dáng khác nhau. Phiên bản hai lưỡi thậm chí còn xuất hiện trong The Phantom Menace. (Tôi không muốn bắt đầu một cuộc tranh luận của những người mọt sách—nhưng trận đấu kiếm ánh sáng hay nhất trong chính thức phải là "Duel of the Fates" trong bộ phim đó, nhờ vào kỹ năng và sự đáng sợ của diễn viên Ray Park trong vai Darth Maul).

Vậy ... chính xác thì kiếm ánh sáng là gì? Tất nhiên, chúng không có thật, nên không ai thực sự biết chúng hoạt động như thế nào. Ngay cả các nhân vật trong phim cũng có vẻ hơi bối rối về điều này. Trong The Phantom Menace, Anakin gọi nó là "thanh kiếm laser". Ừ thì, cậu bé đó còn nhỏ, nhưng cả Din Djarin (người Mandalorian) và Luke Skywalker cũng gọi nó là thanh kiếm laser—mặc dù tôi nghi ngờ Luke đang nói châm biếm.

Dù sao thì, điều đó hoàn toàn sai: Nó không thể là laser. Đầu tiên, tia laser vô hình khi nhìn từ bên cạnh, nên bạn sẽ không thấy gì cả trừ khi bạn dàn dựng các trận đấu trong một vũ trường disco với máy tạo khói để tán xạ các tia sáng. Thứ hai, các chùm tia kéo dài vô tận; chúng không có điểm kết thúc. Thứ ba, các tia laser không thể va chạm vào nhau như những thanh kiếm—chúng sẽ chỉ lướt qua nhau khi bạn cố gắng đỡ đòn.

Nhưng nếu không phải laser thì nó là gì? Chúng ta có thể thu hẹp đáng kể các khả năng bằng cách đặt câu hỏi liệu lưỡi kiếm có khối lượng hay không. Nếu nó là một dạng ánh sáng (như bạn sẽ nghĩ từ cái tên "lightsaber"), thì câu trả lời là không—ánh sáng, hay bức xạ điện từ, không có khối lượng. Nếu chúng ta xác định được rằng nó có khối lượng, thì nó không phải là ánh sáng.

Đây là một câu hỏi chúng ta có thể trả lời, bằng cách phân tích cách kiếm ánh sáng di chuyển khi bạn vung nó quanh. Nói cách khác, đã đến lúc làm một chút vật lý!

Khối lượng và Chuyển động

Đừng nhầm lẫn giữa khối lượng và trọng lượng. Khối lượng là thước đo lượng "vật chất" như proton, neutron và electron trong một vật thể, còn trọng lượng là lượng lực hấp dẫn tác động lên một vật thể. Ở đây chúng ta muốn xem khối lượng của kiếm ánh sáng sẽ tác động như thế nào đến chuyển động của nó. Nhưng hãy bắt đầu với một cái gì đó đơn giản hơn.

Thay vì dùng kiếm ánh sáng, hãy giả sử chúng ta có một "quả cầu ánh sáng" được làm từ cùng một chất liệu rền rĩ đó. Vì nó đối xứng, chúng ta có thể mô tả chuyển động của nó mà không cần lo lắng về sự quay. Nếu chúng ta muốn di chuyển quả bóng này qua lại, chúng ta sử dụng định luật chuyển động thứ hai của Newton. Định luật này cho biết gia tốc (a) của một vật thể phụ thuộc vào khối lượng (m) của nó và lực (F) tác động lên nó.

Nếu quả bóng đang đứng yên và bạn đá nó, nó sẽ gia tốc—tốc độ của nó sẽ tăng từ 0 lên một số dương. Như bạn có thể thấy từ phương trình, quả bóng càng nặng thì bạn càng phải đá mạnh hơn để đạt được một gia tốc nhất định. Đây là trường hợp đơn giản của chuyển động tịnh tiến. Nhưng những gì chúng ta muốn là ...

Chuyển động Góc

Định luật thứ hai của Newton rất tuyệt và mọi thứ, và nó hữu ích nếu bạn muốn di chuyển kiếm ánh sáng qua lại. Nhưng nếu bạn đối đầu với một Chúa tể Sith, bạn sẽ muốn vung thứ đó. Bây giờ bạn có chuyển động quay, còn được gọi là chuyển động góc. Hãy tưởng tượng nó giống như chuyển động quét của gạt nước kính chắn gió quanh một điểm tựa. Và điều đó yêu cầu một mô hình hơi khác một chút.

Một lần nữa, chúng ta sẽ bắt đầu đơn giản: Hãy tưởng tượng bạn đang cầm một thanh kiếm ánh sáng nằm ngang và bạn muốn xoay nó sang phương thẳng đứng. Để xoay vũ khí, bạn cần cung cấp cho nó một gia tốc góc (α). Đúng vậy, nó giống như gia tốc thông thường (a), ngoại trừ việc nó liên quan đến chuyển động quay.

Chà, phải có thứ gì đó giống như định luật thứ hai của Newton cho các chuyển động quay, đúng không? Đúng vậy, có đấy. Chúng ta có một "lực quay" mà chúng ta gọi là mô-men xoắn (τ), và một "khối lượng quay" được gọi là mô-men quán tính (I):

τ = Iα

Mô-men quán tính (I) chính là phần chúng ta thực sự cần hiểu. Đó là thuộc tính của một vật thể "kháng cự" những thay đổi của chuyển động quay, và nó không chỉ phụ thuộc vào khối lượng của vật thể mà còn phụ thuộc vào vị trí của khối lượng đó.

Đây là một bản demo đơn giản để cảm nhận điều này. Tất cả những gì bạn cần là một cây gậy thường. Đầu tiên, cầm cây gậy ở một đầu (đúng, giống như một thanh kiếm ánh sáng) và dùng cổ tay của bạn để xoay nó qua lại nhanh nhất có thể. Bây giờ hãy cầm cây gậy ở giữa và một lần nữa xoay nó qua lại. Tôi đang sử dụng một ống PVC ở đây dưới đây:

Thử nghiệm mô-men quán tính với cây gậy

Đó là cùng một cây gậy, vì vậy chiều dài và khối lượng không đổi. Sự khác biệt duy nhất là điểm quay. Cầm ở giữa làm cho việc xoay dễ dàng hơn nhiều. Khi bạn cầm ở cuối, một phần khối lượng của cây gậy nằm xa điểm quay hơn nhiều. Vì vậy, mặc dù khối lượng không thay đổi, nhưng mô-men quán tính đã thay đổi.

Điều này có liên quan gì đến kiếm ánh sáng? Chà, nếu phần lưỡi của kiếm ánh sáng có khối lượng, nó cũng sẽ làm tăng mô-men quán tính. Nó sẽ giống như việc cầm cây gậy ở cuối (hoặc vung một thanh kiếm thật). Nó sẽ vung chậm hơn và cần nhiều công sức hơn để quẫy qua lại.

Bây giờ hãy nghĩ về các trận đấu kiếm ánh sáng trong Star Wars. Vâng, đôi khi mọi thứ diễn ra rất nhanh—nhưng nó thực sự trông giống như họ đang chặt chém bằng kiếm thật. Bạn có thể thấy rằng họ đang dùng sức vào đó. Chỉ điều đó thôi đã cho chúng ta biết những lưỡi kiếm ánh sáng này có khối lượng. Nếu không, chúng sẽ di chuyển theo một cách khác.

Tâm Khối Lượng

Nhưng khoan đã! Có thêm bằng chứng nữa. Hãy nhớ trận chiến quyết định giữa Luke và Darth Vader trong Return of the Jedi? Tại một thời điểm (2:37 trong đoạn trích này), Vader lấy thanh kiếm ánh sáng của mình và ném nó về phía Luke. Bây giờ, một khi thanh kiếm ánh sáng rời khỏi tay Darth Vader, nó sẽ xoay quanh tâm khối lượng của nó.

Nếu lưỡi kiếm không có khối lượng, thanh kiếm ánh sáng sẽ xoay quanh tâm của cán kiếm. Nếu lưỡi kiếm có một chút khối lượng, điểm quay sẽ di chuyển lên trên vào phần lưỡi kiếm, như được hiển thị ở bên phải dưới đây. Điểm chấm cho thấy tâm khối lượng trong từng trường hợp.

Sự khác biệt trong tâm khối lượng khi ném kiếm

Điều này sẽ khiến nó xoay rất khác nhau. Hãy xem lại cảnh đó: Rất rõ ràng là tâm khối lượng giống như trường hợp ở bên phải, điều này có nghĩa là lưỡi kiếm có khối lượng. Q.E.D (đã chứng minh xong), cuộc tranh luận kết thúc. Thanh kiếm ánh sáng không sử dụng ánh sáng cho phần lưỡi của nó.

Vâng, tôi biết, nó chuyển động như vậy vì nó là một đạo cụ phim với một cây gậy thật làm lưỡi kiếm, sau đó họ thêm các hiệu ứng đặc biệt phát sáng vào đó. Tôi không điên. Nhưng mọi thứ lại khớp với nhau, bạn có thấy không? Nếu lưỡi kiếm ánh sáng không có khối lượng, một trận đấu sẽ trông giống như hai người đang vung con trỏ laser. Các lưỡi kiếm sẽ di chuyển nhanh đến mức nó thậm chí không còn thú vị nữa.

Vậy chính xác thì thứ gì tạo ra phần lưỡi ánh sáng đó? Có lẽ có một cơ chế bên trong mở rộng từ cán kiếm và phát ra một trường plasma nào đó. Tôi thực sự không chắc. Nhưng việc không biết tất cả các câu trả lời chính là điều khiến khoa học viễn tưởng trở nên thú vị đến vậy.