Khái niệm về không gian và thời gian là then chốt trong việc mô tả hiện tượng tự nhiên tới mức mà, sự thay đổi của chúng dẫn theo sự thay đổi của cả cơ cấu dùng để mô tả thiên nhiên. Trong cấu trúc mới này thì không gian và thời gian được xem như bình đẳng như nhau, và chúng không được tách lìa nhau. Trong vật lý tương đối không thể nói thời gian mà bỏ qua không gian và ngược lại. Cấu trúc này luôn luôn phải được sử dụng khi có vận tốc lớn xảy ra.
Mối liên hệ mật thiết giữa không gian và thời gian thật ra cũng được biết đến trong thiên văn học, trong một quan hệ khác, trước xa thuyết tương đối. Các nhà thiên văn và thiên thể học phải làm việc với những khoảng cách cực lớn và ở đây ta đã rõ, ánh sáng phải cần thời gian để đi từ vật bị quan sát đến người quan sát. Vì ánh sáng có vận tốc giới hạn như thế mà các nhà thiên văn không bao giờ thấy vũ trụ đúng như hiện tại mà luôn luôn chỉ nhìn thấy quá khứ của nó. Ánh sáng cần tám phút để đi từ mặt trời đến trái đất và vì thế mà ta luôn luôn thấy mặt trời cách đó tám phút trước. Cũng thế ta thấy ngôi sao gần nhất nó như thế nào cách đây bốn năm và với viễn vọng kính rất mạnh, ta có thể thấy các ngân hà như thế nào cách đây hàng triệu năm.
Vận tốc có hạn của ánh sáng đối với các nhà thiên văn không hề là trở ngại mà là một thuận lợi lớn. Nó cho phép họ có thể quan sát sự hình thành của các vì sao, chùm sao và ngân hà trong mọi giai đoạn chỉ bằng cách nhìn lên không gian và nhìn lui quá khứ. Tất cả mọi loại hiện tượng đã xảy ra trong những triệu năm qua quả nhiên có thể thấy được đâu đó trong bầu trời. Vì thế nhà thiên văn biết rõ mối quan hệ giữa không gian và thời gian quan trọng như thế nào. Thuyết tương đối nói rằng mối quan hệ này phải được lưu tâm đến, không phải chỉ khi đến các khoảng cách xa, mà trong trường hợp có vận tốc lớn. Ngay trên trái đất này, sự đo lường khoảng cách cũng không thể độc lập với thời gian vì người ta phải quan tâm đến vận tốc của người quan sát, tức là phải qui về thời gian.
Như trong chương trước đã nhắc đến, sự thống nhất giữa không gian - thời gian cũng mang lại sự thống nhất nhiều khái niệm khác và khía cạnh hợp nhất này là đặc trưng lớn nhất của cấu trúc tương đối. Những khái niệm mà trong vật lý phi tương đối xem ra hoàn toàn độc lập, thì ở đây ta có thể xem chúng là những khía cạnh khác nhau của một khái niệm duy nhất. Tính cách này làm cho cấu trúc tương đối có một vẻ đẹp toán học rất trang nhã. Sau khi làm việc nhiều năm với thuyết tương đối, ta biết quý trọng sự thanh nhã này và nắm vững dạng toán học của nó. Tuy thế dạng toán học lại không giúp ta bao nhiêu về phương diện trực giác. chúng ta không thể hình dung cụ thể gì về một không-thời gian bốn chiều hay về những khái niệm tương đối khác với giác quan của ta. Khi ngiên cứu các hiện tượng tự nhiên có vận tốc cao, chúng ta sẽ thấy những khái niệm này rất khó hiểu trên bình diện trực giác lẫn ngôn ngữ bình thường.
Thí dụ trong vật lý cổ điển, người ta cho rằng các vật thể hình thanh dài lúc ở trạng thái tĩnh hay lúc vận động, chúng đều dài như nhau. Thuyết tương đối cho thấy rằng không phải như thế. Độ dài của một vật phụ thuộc nơi sự vận động của nó với người quan sát và bản thân nó cũng thay đổi với vận tốc của sự vận động đó. Vật thể ngắn lại trong chiều mà nó vận động. Một vật thể có kích thước dài nhất trong hệ qui chiếu, trong đó nó ở trạng thái tĩnh và ngắn đi với người quan sát thấy hệ đó di động. Ở những thí nghiêm của vật lý cao năng lượng, trong đó các hạt di chuyển với vận tốc hết sức cao thì sự bẹp lại do tính tương đối đã lên tới mức mà những hạt hình cầu trở thành những chiếc bánh kẹp.
Vì thế thật vô nghĩa nếu hỏi độ dài thực sự của một vật, hỏi như thế cũng vô nghĩa như hỏi độ dài thực sự của cái bóng một người. Cái bóng là hình chiếu của những điểm trong không gian ba chiều lên một mặt phẳng hai chiều và chiều dài của nó tuỳ theo góc chiếu mà ra dài ngắn. Tương tự như thế thì độ dài của một vật thể di động là hình chiếu của những điểm trong không gian bốn chiều không - thời gian lên không gian ba chiều và độ dài của nó khác nhau trong hệ qui chiếu khác nhau.
Còn nữa
Xin giới thiệu với bạn đọc cuốn "Đạo của vật lý", tác giả Fritjof Capra, do Nguyễn Tường Bách dịch. Nhà xuất bản Trẻ ấn hành năm 2001, TP HCM.