Thuyết tương đối hẹp của Einstein

Thuyết tương đối hẹp giải thích cách thức liên kết giữa không gian và thời gian đối với các vật thể chuyển động với tốc độ nhất quán trên một đường thẳng. Một trong những khía cạnh nổi tiếng nhất của nó liên quan đến các vật thể chuyển động với tốc độ ánh sáng.

Nói một cách đơn giản, khi một vật thể tiến tới tốc độ ánh sáng, khối lượng của nó trở nên vô hạn và nó không thể đi nhanh hơn ánh sáng truyền đi. Giới hạn tốc độ vũ trụ này đã là một chủ đề được thảo luận nhiều trong vật lý, và thậm chí trong khoa học viễn tưởng, khi mọi người nghĩ về cách di chuyển trên những khoảng cách rộng lớn.

Thuyết tương đối hẹp được Albert Einstein phát triển vào năm 1905, và nó là một phần cơ sở của vật lý hiện đại. Sau khi hoàn thành công việc của mình trong thuyết tương đối hẹp, Einstein đã dành một thập kỷ để cân nhắc điều gì sẽ xảy ra nếu người ta đưa ra gia tốc. Điều này đã hình thành nên cơ sở cho thuyết tương đối rộng của ông , được xuất bản vào năm 1915.

Lịch sử

Trước Einstein, các nhà thiên văn học (phần lớn) đã hiểu vũ trụ theo ba định luật chuyển động do Isaac Newton trình bày năm 1686. Ba định luật này là:

(1) Các vật thể đang chuyển động (hoặc ở trạng thái nghỉ) vẫn chuyển động (hoặc ở trạng thái dừng) trừ khi có ngoại lực tác động lên sự thay đổi.

(2) Lực bằng sự thay đổi động lượng mỗi lần thay đổi thời gian. Đối với một khối lượng không đổi, lực bằng khối lượng nhân với gia tốc.

(3) Đối với mọi hành động đều có phản ứng bình đẳng và ngược chiều.

Nhưng đã có những rạn nứt trong lý thuyết trong nhiều thập kỷ trước khi Einstein đến. Vào năm 1865, nhà vật lý Scotland James Clerk Maxwell đã chứng minh ánh sáng đó là một làn sóng với cả hai thành phần điện và từ tính, và thiết lập tốc độ ánh sáng (186.000 dặm mỗi giây).. Các nhà khoa học cho rằng ánh sáng phải được truyền qua một số phương tiện, mà họ gọi là ête. (Bây giờ chúng ta biết rằng không cần phương tiện truyền dẫn và ánh sáng trong không gian di chuyển trong chân không.)

Hai mươi năm sau, một kết quả bất ngờ đã khiến điều này bị nghi ngờ. Nhà vật lý AA Michelson và nhà hóa học Edward Morley (cả hai đều là người Mỹ vào thời điểm đó) đã tính toán chuyển động của Trái đất thông qua “ête” này ảnh hưởng như thế nào đến cách đo tốc độ ánh sáng, và nhận thấy rằng tốc độ ánh sáng là như nhau cho dù chuyển động của Trái đất là gì. Điều này dẫn đến những suy nghĩ sâu sắc hơn về hành vi của ánh sáng – và sự không phù hợp của nó với cơ học cổ điển – của nhà vật lý người Áo Ernst Mach và nhà toán học người Pháp Henri Poincare.

Einstein bắt đầu suy nghĩ về hành vi của ánh sáng khi ông mới 16 tuổi, vào năm 1895. Ông đã làm một thí nghiệm suy nghĩ, từ điển bách khoa cho biết, tại đó ông cưỡi trên một làn sóng ánh sáng và nhìn vào một làn sóng ánh sáng khác di chuyển song song với mình.

Vật lý cổ điển nên nói rằng các sóng ánh sáng Einstein đã nhìn vào sẽ có một tốc độ tương đối của không, nhưng điều này mâu thuẫn với phương trình Maxwell cho thấy ánh sáng luôn luôn có cùng một tốc độ: 186.000 dặm một giây. Một vấn đề khác với tốc độ tương đối là chúng sẽ chỉ ra rằng các định luật điện từ thay đổi tùy thuộc vào điểm thuận lợi của bạn, điều này cũng mâu thuẫn với vật lý cổ điển (vốn nói rằng các định luật vật lý đều giống nhau đối với mọi người).

Điều này dẫn đến suy nghĩ cuối cùng của Einstein về thuyết tương đối hẹp, mà ông đã chia nhỏ thành ví dụ hàng ngày về một người đứng bên cạnh một đoàn tàu đang chuyển động, so sánh các quan sát với một người bên trong đoàn tàu. Anh ta tưởng tượng đoàn tàu đang ở một điểm trên đường ray cách đều giữa hai cái cây. Nếu một tia sét đánh trúng cả hai cây cùng một lúc, do chuyển động của tàu hỏa, người trên tàu sẽ nhìn thấy tia sét đánh trúng cây này trước cây kia. Nhưng những người bên cạnh đường đua sẽ thấy các cuộc đình công đồng thời.

“Einstein kết luận rằng tính đồng thời là tương đối; các sự kiện xảy ra đồng thời đối với một người quan sát có thể không xảy ra đối với người khác,” bách khoa toàn thư nêu rõ. “Điều này dẫn anh ta đến ý tưởng phản trực giác rằng thời gian trôi chảy khác nhau tùy theo trạng thái chuyển động, và kết luận rằng khoảng cách cũng là tương đối.”

Phương trình nổi tiếng E = mc²

Công trình của Einstein đã dẫn đến một số kết quả đáng kinh ngạc, mà ngày nay thoạt nhìn vẫn có vẻ trái ngược mặc dù môn vật lý của ông thường được giới thiệu ở cấp trung học.

Một trong những phương trình nổi tiếng nhất trong toán học xuất phát từ thuyết tương đối hẹp. Phương trình – E = mc² – có nghĩa là “năng lượng bằng khối lượng nhân với bình phương tốc độ ánh sáng.” Nó cho thấy rằng năng lượng (E) và khối lượng (m) có thể hoán đổi cho nhau; chúng là những dạng khác nhau của cùng một thứ. Nếu khối lượng bằng cách nào đó được chuyển đổi hoàn toàn thành năng lượng, nó cũng cho thấy lượng năng lượng sẽ nằm bên trong khối lượng đó: khá nhiều. (Phương trình này là một trong những minh chứng cho lý do tại sao một quả bom nguyên tử lại mạnh đến vậy, một khi khối lượng của nó được chuyển thành một vụ nổ.)

Phương trình này cũng chỉ ra rằng khối lượng tăng theo tốc độ, điều này đặt ra giới hạn tốc độ một cách hiệu quả về tốc độ mà mọi thứ có thể di chuyển trong vũ trụ. Nói một cách đơn giản, tốc độ ánh sáng ( c ) là tốc độ nhanh nhất mà một vật có thể di chuyển trong chân không. Khi một vật chuyển động, khối lượng của nó cũng tăng lên. Ở gần tốc độ ánh sáng, khối lượng cao đến mức nó đạt đến vô cùng, và sẽ cần năng lượng vô hạn để di chuyển nó, do đó giới hạn tốc độ một vật thể có thể di chuyển. Lý do duy nhất mà ánh sáng di chuyển với tốc độ như vậy là do các photon, các hạt lượng tử tạo nên ánh sáng, có khối lượng bằng không.

Một tình huống đặc biệt trong vũ trụ nhỏ, được gọi là “rối lượng tử”, rất khó hiểu vì nó dường như liên quan đến các hạt lượng tử tương tác với nhau với tốc độ nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Cụ thể, việc đo đặc tính của một hạt có thể cho bạn biết ngay đặc tính của hạt khác, bất kể chúng ở khoảng cách bao xa. Người ta đã viết nhiều về hiện tượng này, điều này vẫn chưa được giải thích đầy đủ về mặt kết luận của Einstein.

Một kết luận kỳ lạ khác về công trình của Einstein đến từ nhận thức rằng thời gian di chuyển tương đối so với người quan sát. Một vật đang chuyển động trải qua thời gian giãn ra, nghĩa là thời gian chuyển động chậm hơn khi một vật đang chuyển động, hơn là khi một vật đứng yên. Do đó, một người di chuyển già đi chậm hơn một người đang nghỉ ngơi. Vì vậy, đúng như vậy, khi phi hành gia Scott Kelly dành gần một năm trên Trạm Vũ trụ Quốc tế trong giai đoạn 2015-16, anh trai phi hành gia sinh đôi của anh ta là Mark Kelly già nhanh hơn Scott một chút .

Điều này trở nên cực kỳ rõ ràng ở tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Hãy tưởng tượng một đứa trẻ 15 tuổi du hành với tốc độ 99,5% tốc độ ánh sáng trong 5 năm (từ quan điểm của phi hành gia). Theo NASA, khi cậu bé 15 tuổi quay trở lại Trái đất, cậu chỉ mới 20 tuổi . Tuy nhiên, bạn cùng lớp của ông sẽ 65 tuổi.

Mặc dù sự giãn nở thời gian này nghe có vẻ rất lý thuyết, nhưng nó cũng có những ứng dụng thực tế. Nếu bạn có bộ thu Vệ tinh Định vị Toàn cầu (GPS) trong ô tô của mình, bộ thu sẽ cố gắng tìm tín hiệu từ ít nhất ba vệ tinh để điều phối vị trí của bạn. Các vệ tinh GPS gửi ra các tín hiệu vô tuyến theo thời gian mà người nhận lắng nghe, xác định vị trí của nó (hay nói đúng hơn là ba lần) vị trí của nó dựa trên thời gian di chuyển của tín hiệu. Thách thức là, đồng hồ nguyên tử trên GPS đang di chuyển và do đó sẽ chạy nhanh hơn đồng hồ nguyên tử trên Trái đất, tạo ra các vấn đề về thời gian. Vì vậy, các kỹ sư cần phải làm cho đồng hồ trên GPS hoạt động chậm hơn , theo Richard Pogge, một nhà thiên văn học tại Đại học Bang Ohio.

Đồng hồ trong không gian hoạt động nhanh hơn, theo Physics Central , bởi vì các vệ tinh GPS ở trên Trái đất và chịu lực hấp dẫn yếu hơn. Vì vậy, mặc dù các vệ tinh GPS đang di chuyển và chậm lại bảy micro giây mỗi ngày do chuyển động của chúng, kết quả của lực hấp dẫn yếu hơn khiến đồng hồ hoạt động nhanh hơn đồng hồ trên mặt đất khoảng 45 micro giây. Cộng cả hai lại với nhau dẫn đến đồng hồ vệ tinh GPS tích tắc nhanh hơn đồng hồ trên mặt đất, khoảng 38 micro giây mỗi ngày.

Thuyết tương đối hẹp và cơ học lượng tử

Khi kiến ​​thức về vật lý của chúng ta ngày càng nâng cao, các nhà khoa học đã rơi vào những tình huống phản trực giác hơn. Một người đang cố gắng dung hòa thuyết tương đối rộng – mô tả tốt những gì đang xảy ra với các vật thể lớn – với cơ học lượng tử, được sử dụng tốt nhất cho những thứ rất nhỏ (chẳng hạn như phân rã nguyên tử uranium). Hai trường, mô tả xuất sắc các trường riêng lẻ của chúng, không tương thích với nhau – điều này khiến Einstein và các thế hệ nhà khoa học sau ông thất vọng.

“Thuyết tương đối đưa ra những câu trả lời vô lý khi bạn cố gắng thu nhỏ nó xuống kích thước lượng tử, cuối cùng giảm xuống giá trị vô hạn trong mô tả của nó về lực hấp dẫn. Tương tự như vậy, cơ học lượng tử gặp rắc rối nghiêm trọng khi bạn thổi nó lên kích thước vũ trụ”, một bài báo trên The Guardian chỉ ra vào năm 2015. 

“Trường lượng tử mang một lượng năng lượng nhất định, ngay cả trong không gian dường như trống rỗng, và lượng năng lượng càng lớn khi trường càng lớn. Theo Einstein, năng lượng và khối lượng là tương đương (đó là thông điệp của E = mc ² ), vì vậy năng lượng chồng chất giống hệt như chồng chất khối lượng. Tăng lên đủ lớn, và lượng năng lượng trong trường lượng tử trở nên lớn đến mức nó tạo ra một lỗ đen khiến vũ trụ tự thu gọn lại. Rất tiếc. “

Có một số ý tưởng để khắc phục điều này (nằm ngoài phạm vi của bài viết này), nhưng một cách tiếp cận là tưởng tượng một lý thuyết lượng tử về lực hấp dẫn sẽ có một hạt không khối lượng (gọi là graviton) để tạo ra lực. Nhưng như nhà vật lý Dave Goldberg đã chỉ ra trong io9 vào năm 2013, có những vấn đề với điều đó. Ở quy mô nhỏ nhất, các hạt hấp dẫn sẽ có mật độ năng lượng vô hạn, tạo ra một trường trọng lực mạnh không thể tưởng tượng được. Nghiên cứu thêm sẽ được yêu cầu để xem liệu điều này có khả thi hay không.

Nguồn tham khảo:

• https://www.space.com/36273-theory-special-relativity.html