Thuyết tương đối

- Lý thuyết tương đối Chủ đề tháng 7 năm 2005 Thuyết Tương Đối THUYẾT TƯƠNG ĐỐI Chủ đề tháng 7 năm 2005.
- Lý thuyết tương đối.
- 41.2 Thuyết Tương Đối hẹp của Albert Einstein.
- 61.3 Hệ thức Lorentz và sự biến đổi của không gian và thời gian trong chuyển động..
- 81.4 Thuyết Tương Đối rộng của Albert Einstein (1915).
- Ứng dụng của lí thuyết tương đối Einstein.
- Lý thuyết tương đối 1.1 Có gì hạn chế trong cơ học cổ điển Newton.
- Trước khi tìm hiểu về thuyết tương đối, chúng ta hãy thử xem lại đôi chút về các luận điểm cơ bản về không gian và thời gian trong cơ học cổ điển Newton và suy xét xem có điểm gì chưa đạt yêu cầu trong các luận điểm này khi suy xét kĩ hơn về bản chất của không gian, thời gian và của vũ trụ..
- Newton được coi là một trong những nhà vật lí vĩ đại nhất mọi thời đại, người đã tiếp tục xây dựng thành công các ý tưởng của Galilei về không gian và về chuyển động.
- Ngày nay, chúng ta thường gọi toàn bộ nền cơ học cổ điển (trước Einstein) là cơ học cổ điển Newton để nhắc đến công lao của ông.
- Cơ học cổ điển của Newton được xây dưngk lấy cơ sở chính từ hình học Euclite và các lí thuyết chuyển động của Galilei.
- Nội dung của các sáng tạo vĩ đại của Newton được chúng ta biết đến chủ yếu qua định luật vận vật hấp dẫn (mọi vật luôn hấp dẫn lẫn nhau một lực hút tỉ lệ với khối lượng 2 vật và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng) và 3 định luật cơ học mang tên Newton.
- Cái chúng ta cần nhắc đến ở đây không phải nội dung của các định luật này cũng như biểu tức hay các ứng dụng của nó trong thực tế.
- Vấn đề mấu chốt của cơ học cổ điển mà lí thuyết tương đối vĩ đại sau này đã cải biến và tổng quát hóa là quan niệm về không gian và thời gian.
- Trong cơ học cổ điển Newton, không gian và thời gian được định nghĩa theo cách của nguyên lí tương đối Galilei.
- Theo đó mọi chuyển động đều có tính tương đói, phụ thuộc hệ qui chiếu.
- Có nghĩa là nếu A chuyển động trên mặt đường thì với B đang đúng tại chỗ, A là chuyển động nhưng với một đối tượng C cũng chuyển động trên một con đường đó nhưng có cùng vận tốc và hướng chuyển đọng với A thì A vẫn chỉ là đối tượng đứng yên và B cùng con đường lại là đối tượng chuyển động.
- Tức là nếu hệ qui chiếu A chuyển động so với hệ qui chiếu B và tại hệ A, có 2 biến cố xảy r đồng thời, tức là được xác định tại cùng một giá trị của đồng hồ của hệ A thì với hệ B cũng thế, người quan sát tại hệ B cũng sẽ thấy đồng hồ của mình đo được 2 biến cố này đồng thời.
- Vậy là vũ trụ tràn ngập bởi Ete, mọi chuyển động của chúng ta đều là chuyển động trong Ete.
- Thật vậy, nếu như quả thật tràn ngập không gian của chúng ta là một chất Ete nào đó thì lí do nào mà ta lại không thể cảm nhận thấy ta đang chuyển động trong nó.
- Lẽ nào Ete chuyển động cũng chiều với tất cả chúng ta ở khắp mọi nơi? Lẽ nào lại có một loại vất chất thần diệu mà không hề có ma sát để ta không thể cảm nhận được nó và nó lại không hề cản trở chuyển động của Trái Đất? Với Newton, chân lí bao giờ cũng đn giản và dễ hiểu, chính ông là người đầu tiên phản đối lí thuyết này.
- Đây là bài báo công bố các nghiên cứu của Einstein về lí thuyết tương đối hẹp, đánh dấu sự ra đời của vật lí tương đối tính..
- Toàn bộ nội dung của lí thuyết tương đối hẹp có thể tóm gọn trong 2 ý chính sau: 1- Các định luật vật lí là như nhau với mọi người quan sát chuyển động trong các hệ qui chiếu quán tính khác nhau..
- 2 biến cố không thể xảy ra đồng thời ở cả 2 hệ qui chiếu chuyển động so với nhau, nếu nó đồng thời ở hệ này thì không thể là đồng thời ở hệ kia và ngược lại.
- Dưới đây chúng ta sẽ xét đến tính tương đối của không - thời gian trong thuyết tương đối hẹp.
- Bây giờ giả sử tiếp là ở thời điểm t1 (hình vẽ), B chuyển động qua A sao cho đường nối A-B vuông góc với đườngh chuyển động của B.
- Đúng tại thời điểm này, trên một đường thẳng song song với đường chuyển động của B nằm gần đó, có 2 biến cố xảy ra.
- Ta hãy tạm gọi là 2 biến cố đồng thời dưới cái nhìn của chúng ta.
- Vậy là qua một ví dụ đơn giản, ta dễ dàng khẳng đinh kết luận của Einstein về tính tương đối của thời gian.
- 2 biến cố không thể cùng xảy ra đồng thời tại 2 hệ qui chiếu có vận tốc khác nhau.
- Thường ngày, cơ học cổ điển Newton và các tính chất về sự đồng thời của nó thực chất vẫn đúng với thực tế do các vận tốc chúng ta gặp thường ngày quá nhỏ so với vận tốc ánh sáng.
- Như vậy có thể coi lí thuyết tương đối hẹp là một sự tổng quát hóa đến mức chính xác của cơ học cổ điển Newton, thoát khỏi nhưng bất lực của các lí thuyết này ở thang vĩ mô..
- 1.3 Hệ thức Lorentz và sự biến đổi của không gian và thời gian trong chuyển động.
- Một trong những hệ quả quan trọng của lí thuyết tương đối hẹp là sự biến đổi của không gian và thời gian trong chuyển động, mà cụ thể là sự co ngắn của độ dài, gia tăng khối lượng và sự kéo dài của thời gian.
- Với vận tốc ánh sáng là c, vận tốc chuyển động tương đối của 2 hệ qui chiếu (hệ có vật được quan sát và hệ qui chiếu của người quan sát) so với nhau là v.
- Hệ thức Lorentz cho biết nếu bạn đứng trong một hệ qui chiếu A bất kì và quan sát một vật trong một hệ qui chiếu B đang chuyển động so với bạn với vận tốc là c thì khi bạn quan sát vật thể đó, bạn sẽ thấy khối lượng m, độ dài l (khối lượng và độ dài của vật đo được khi vật đứng im so với bạn) biến đổi tới một giá trị khác m' và l' như sau: m'=m/ l'=l..
- Gọi khoảng thời gian đo được giữa 2 sự kiện bất kì tại hệ qui chiếu B vật chuyển động là t - đây là khoảng thời gian giữa 2 sự kiện tại hệ qui chiếu B do một người đứng tại hệ đó (cùng chuyển động với hệ B) đo được, thế thì tại hệ A, bạn (người quan sát) sẽ đo được khoảng thời gian giữa 2 sự kiện này là t': t'=t.
- Tức là bạn sẽ thấy khoảng thời gian giữa 2 sự kiện tại hệ B chuyển động so với bạn dài hơn khoảng thời gian đo được nếu bạn đứng trên hệ qui chiếu B (khi bạn đứng trên hệ qui chiếu B thì vật xét đến ở trên là đứng yên so với bạn).
- Như vậy lí thuyết tương đối hẹp còn cho phép đưa ra một kết luận nhỏ nữa: khối lượng, độ dài và giá trị đo được của các khoảng thời gian cũng chỉ có tính tương đối, nó phụ thuộc vào vận tốc chuyển động.
- Kết luận nhỏ trên có thể coi là một hệ quả của tính tương đối của không gian và thời gian.
- 1.4 Thuyết Tương Đối rộng của Albert Einstein (1915).
- Tiếp tục nghiên cứu về tính tương đối của chuyển động cũng như của không gian và thời gian, Einstein để ý đến sự bẻ cong của tia sáng khi nó đi qua gần những thiên thể lớn như Mặt Trời hay các ngôi sao.
- Việc bẻ cong ánh sáng của các ngôi sao trên đường chúng truyền đến chúng ta có thể làm tăng góc nhìn của chúng ta với nó, hiện tượng này gọi là thấu kính hấp dẫn.
- Lí thuyết tương đối rộng cùng với hệ quả quan trọng nhất của nó là nguyên lí tương đương ra đời năm 1916 khẳng định rằng: "Không có một thí nghiệm vật lí nào cho phép phân biệt sự gia tốc một cáh thích hợp với sự tồn tại của hiện tượng hấp dẫn".
- Khi Trái Đất chuyển động quanh Mặt Trời, các tia sáng từ các thiên hà, các ngôi sao ở xa khi nđén vứi chúng ta nếu đi qua gần nhiều ngôi sao khác, trong đó có cả Mặt Trời sẽ bị bẻ cong đường đi, không còn truyền theo đường thằng nữa, không phải do hấp dẫn mạnh đến mức có thể hút được ánh sáng vào trong Mặt Trời, đơn giản là vì hạt ánh sáng (photon) không hề có khối lượng và do đó giá trị lực hấp dẫn tính theo công thức của Newton mang giá trị 0.
- Nếu tàu chuyển động đều thì đường đi của hạt nước đơn giản là đường thẳng vắt chéo, độ nghiêng của nó tuỳ thuộc vận tốc của con tàu.
- Còn nếu tàu chuyển động có gia tốc, bạn sẽ thấy đường đi của các hạt mưa này không thằng mà có nhiều đoạn gấp khúc, uốn lượn.
- Vậy thì chúng ta có thể tưởng tượng một ví dụ nhỏ như sau: Bạn hãy tưởng tượng rằng không gian của chúng ta (3 chiều) là một cái màng bằng cao su (hay thực ra thì vật liệu gì cũng được), chúng ta đã thu gọn không gian thành 2 chiều.
- Các viên bi của chúng ta không thể tiếp tục chạy thẳng vì đường đi của chúng đã bị "ấn" lõm xuống và gấp khúc trên không gian màng cao su.
- Ở đây ta có thể giả định rằng ánh sáng của chúng ta là những viên bi đó, chúng bị bẻ cong đường đi không phải do lực hấp dẫn Newton mà là do sự uốn cong của không gian trong phảmj vi trường hấp dẫn (khái niệm truờng hấp dẫn này xuất hiện trong vật lí từ khi thuyết tương đối rộng ra đời).
- Tại chân trời sự cố của các lỗ đen, độ cong của không gian là vô hạn, có nghĩa là nếu chúng ta quay lại với thí dụ về màng cao su ở trên thì khi đặt một lỗ đen vào không gian - màng cao su đó thì màng sẽ không chỉ đơn giản là bị lõm mà sẽ xuất hiện một.
- Vậy là tôi đã nói sơ qua một cách khá đầy đủ về lí thuyết tương đối hẹp và tương đối rộng của Einstein cũng như các hệ quả cơ bản suy ra từ chúng.
- Vậy tại sao người ta lại có thể suy ra điều đó? Chúng ta sẽ giải quyết vấn đề này trước khi phân tích xem liệu những điều đó có đúng hay không.
- Chúng ta lại nhắc đến phép biến đổi Lorenzt đã nói ở trên, theo đó với.
- Bây giờ chúng ta sẽ áp dụng bài toán trên để tìm nghịch lí cho 2 anh em sinh đôi trên.
- Ta cứ tạm nói theo ngôn ngữ thông thường là người A đang chuyển động còn người B thì đứng yên.
- Hệ A là hệ tại đó người A (người bay lên vũ trụ) là đứng yên vì hệ này luôn chuyển động cùng với anh ta.
- Tại hệ A người B là đối tượng chuyển động.
- Còn hệ B là hệ tại đó người B (ở lại Trái Đất) đứng yên còn người A lại là đối tượng chuyển động.
- Nếu như đặt vấn đề tôi đang nói tới ở đây vào một nhà đạo diễn chuyên nghiệp các bộ phim viễn tương hay một hoạ sĩ truyện tranh có học qua vật lí tương đối tính, hẳn một kết luận đuợc đưa ra ngay tức khắc là khi quay về chắc chắn người A sẽ rất trẻ so với người B vì đơn giản là theo phép biến đổi Lorentz nói trên thì thời gian của người A sẽ trôi chậm hơn trong hệ qui chiếu của người B.
- Điều này không phải không có lí khi xét quá trình chuyển động.
- Có điều những người đưa ra kết luận này đã quên mất rằng chuyển động luôn chỉ có tính tương đối mà thôi.
- Khi đó với ông ta, hệ qui chiếu B và do đó cả người B là đối tượng chuyển động với cùng vận tốc mà ông ta từng thấy người A chuyển động khi đứng tại hệ qui chiếu B.
- Hẳn các bạn cũng đã thấy được điều gì xảy ra rồi phải không? Chúng ta không thể kết luận đơn giản là ai già trước ai hay ai se nặng hơn ai được.
- Vậy chúng ta đã có thể đi đến kết luận chưa? Bản thân tôi đã có kết luận của mình.
- Ngay bây giờ chúng ta sẽ cùng làm rõ xem liệu nghịch lí còn tồn tại ở vấn đề nào nữa trong nội dung này.
- Nhìn chung, phần đầu tác giả có nói tới những vấn đề tương đối như tôi đã nhắc tới ở trên.
- Vì sự gia tốc này mà hệ qui chiếu của người này bị thay đổi, anh ta rơi vào nhiều hệ qui chiếu khác nhau và do đó tính tương đối với người kia bị xáo trộn.
- Tác giả đã sai lầm khi nói điều này vì ngay cả trong trường hợp gia tốc thì 2 hệ qui chiếu của 2 người trên vẫn được coi là tương đối với nhau và là xác định với từng đối tượng tương ứng.
- Chúng ta nên chú ý là kể từ khi thuyết tương đối rộng ra đời thì chúng ta biết rằng điều này là hoàn toàn đúng vì lí thuyết tương đối rộng cho phép áp dụng tính tương đối chuyển động cho cả các hệ qui chiếu phi quán tính.
- Trong một chương khác (xin lỗi tôi không muốn nêu tên cuốn sách đó cũng như tác giả của nó ở đây), tác giả lại đề cập đến vấn đề liệu chúng ta có thể đi đến một hành tinh khác trong chớp mắt được không.
- Giả sử chúng ta bay với vận tốc rất lớn, rất gần với vận tốc ánh sáng.
- Vận tốc đó cho phép một người tại hệ qui chiếu Trái Đất (coi là đứng yên) thấy chúng ta đang ngắn lại đến 20 lần, có nghĩa là thời gian của chúng ta sẽ trôi chậm hơn 20 lần trong hệ qui chiếu Trái Đất .
- Giả sử theo công thức đơn giản chúng ta đều biết của cơ học cổ điển thì ta cấn mất đến 20 năm để đến hành tinh nọ.
- Với nhà đạo diễn phim viễn tưởng nói trên thì hẳn ông ta sẽ cho rằng giờ đây chỉ mất 1 năm vì thời gian của chúng ta khi này đã trôi chậm hơn 20 lần.
- Với những lí giải trên thì điều đó là không hể vì thực chất sự dài thời gian này không áp dụng được cho hệ qui chiếu của bản thân chúng ta.
- Vậy thì có gì chung giữa cái sai lầm của nhà đạo diễn và cách nói của tác giả cuốn sách này không? Hoàn toàn không! Ở đây tác giả đã tìm ra một giải pháp tình thế rất tuyệt vời như sau: Giả sử chúng ta đang bay đi trong không gian với vận tốc nói trên.
- Tại hệ qui chiếu của người quan sát tại Trái Đất (coi là đứng yên) thì chúng ta sẽ trẻ lâu hơn 20 lần, có nghĩa là 20 năm của họ mới là 1 năm của chúng ta.
- Và như thế chúng ta sẽ đến được hành tinh nọ khi mới già thêm một tuổi còn người thân ở Trái Đất khi đó đã thêm những 20 năm.
- Tuy nhiên tại hệ qui chiếu của chúng ta (hệ qui chiếu chuyển động so với Trái Đất) thì chúng ta không hề trẻ lâu hơn những người ở lại mà ngược lại, chúng ta sẽ thấy họ trẻ lâu hơn ta rất rất nhiều (20 lần.
- Thế nhưng cuối cùng khi đến hành tinh nọ chúng ta vẫn cứ già thêm đúng 1 tuổi không hơn.
- Tại sao vậy? Tác giả đã chỉ ra rằng đó là vì khi ta chuyển động như thế thì con đường phía trước ta lại là đối tượng chuyển động so với ta và chiều dài ta cần vượt qua lại trùng với chiều dài theo phương chuyển động của nó nên với ta nó sẽ ngắn lại trong khi thời gian của ta thì không đổi, do đó với vận tốc đã có, ta có thể không trẻ lâu hơn nhưng ta sẽ vượt qua một con đường ngắn hơn với rất ít thời gian.
- Điều này quả là một giải pháp tuyệt vời và không hề mâu thuẫn với tính tương đối chuyển đông mà tôi đã nhắc tới ở trên.
- Vậy thì khi đến hành tinh nọ, chúng ta mới già thêm một tuổi.
- Lúc đó thì theo những gì đã nói, nếu chúng ta đã qua một năm thì ở Trái Đất thực chất cũng chỉ là 1 năm mà thôi.
- Thế thì những người ở Trái Đất sẽ thấy gì? Quãng đường 20 năm đã được vượt qua chỉ bằng 1 năm ư? Vậy là các định luật Newton bị vi phạm? Và như vậy là tốc độ của chúng ta thực chất đã vượt cả tốc độ ánh sáng hay sao? Vậy thì nghịch lí ở chỗ nào.
- Cái đáng nói ở đây là theo cách diễn tả của tác giả thì điểm A sẽ là cố định khi ông ta bắt đầu chuyển động còn điểm B sẽ chạy gần lại A và do đó con đường sẽ ngắn lại để dễ dàng vượt qua hơn.
- Thật vậy, trong trường hợp đang xét thì điểm A không còn là điểm xuất phát của tác giả nữa mà sẽ là một điểm cách xa ông ta một đoạn nào đó mà chúng ta không thể diễn tả được vì hiện nay ngôn ngữ vật lí đã có không cho phép điều đó." Trong sách "Lược sử thời gian" (A Brief History of time) của Stephane Hawking, có một đoạn nói về sự sai khác của các quá trình lão hoá, trong đó có nói rằng: "Một tiên đoán khác của thuyết tương đối tổng quát là thời gian phải có vẻ chạy chậm hơn gần một vật thể lớn như trái đất.
- người ta không thể căn cứ vào thuyết tương đối hẹp để xác định xem ai già hơn ai vì lí thuyết tương đối hẹp không cho phép bất cứ ai được quyền đặt Trái đất của chúng ta vào vị trí trung tâm của vũ trụ, coi như chúng ta là một hệ qui chiếu tuyệt đối.
- Để xác định sự già hay trẻ này thì cần xét đến lí thuyết tương đối rộng mà theo đó có sự tương đương hoàn toàn giữa hấp dẫn và sự gia tốc một cách thích hợp.
- Với sự ra đời của lí thuyết tương đối tổng quát năm 1915, Albert Einstein đưa ra phương trình trường mô tả lại vũ trụ mà trong đó là mối liên hệ chặt chẽ giữa khoảng cách, hấp dẫn và các yếu tố không gian được biểu diễn bằng các tensor.
- Phương trình này cho những diễn tả chính xác về không gian và thời gian trong thuyết tương đối rộng và cho phép các tiên đoán về tương lai vũ trụ.
- Các quan sát các vụ nổ này được lặp lại rất nhiều lần, tất cả các vụ nổ đều diễn ra ở cách rất xa chúng ta.
- Vũ trụ rõ ràng đang giãn nở rất nhanh, những quan sát đó cùng với mật độ đã tính được, có lẽ đã là những bằng chứng khá vững chắc cho kết luận rằng vũ trụ của chúng ta sẽ có một tương lai "mở", nó sẽ giãn nở vĩnh viễn trong tương lai với mật độ vật chất giảm dần.
- nửa thế kỉ sau khi bị chính tác giả, người sáng tạo ra mình chối bỏ, hằng số vũ trụ học đã trở lại và đóng vai trò quyết định cho tương lai vũ trụ, phương trình trường mô tả vũ trụ với sự có mặt của hằng số này miêu tả một cách chính xác về vũ trụ chúng ta đã biết qua các lí thuyết vũ trụ học và những khám phá của Saul Perlmutter.
- Hằng số vũ trụ học Einstein 4.
- Ứng dụng của lí thuyết tương đối Einstein Như trên đã nói, lí thuyết tương đối rộng với sự tiên đoán của nó về sự lệch của ánh sáng do trường hấp dẫn được ứng dụng trong việc sử dụng các thấu kính hấp dẫn nhân tạo, phóng đại hình ảnh các thiên hà ở rất xa.
- Một ứng dụng quan trọng nữa của thuyết tương đối về sự sai khác về hệ qui chiếu không thể thiếu trong ngành hàng không và hàng không vũ trụ hiện nay là hệ thống Navstar Hệ thống này sử dụng các vệ tinh định vị để xác định chính xác vị trí của các máy bay hàng không, các vệ tinh viễn thám của con người.
- Khác với nhiều người nghĩ, lí thuyết tương đối của Einstein và toàn bộ vật lí tương dối tính ra đời đầu thế kỉ 20 không hề chỉ đơn giản là một lí thuyết đẹp đẽ mô tả vũ trụ và đáp ứng các nghiên cứu về vũ trụ xa xôi, nó hoàn toàn gần gũi và cần thiết trong cuộc sống hiện đại của nhân loại.
- Ngày nay, chúng ta có 2 ngành vật lí cơ bản mũi nhọn dựa tren cơ sở chính là 2 lí thuyết ra đời vào đầu thế kỉ 20 : Tương Đối và Lượng Tử