Đây là một học thuyết vật lý cao cấp, rất hàn lâm, khó tiếp cận với đại chúng, nhất là các bạn học sinh, sinh viên không chuyên sâu về vật lý. Bản thân tôi sau 30 phút tra google, đọc wiki, xem youtube xong cũng phải chạy đi nhặt lại não mấy lần, chính vì vậy tôi quyết định viết bài này để giúp tất cả mọi người đều có thể tiếp cận được học thuyết quan trọng nhất thế kỉ 20 này.
1. Tại sao lại là tương đối mà không phải tuyệt đối.Hãy xét một ví dụ:nếu bạn đang lái chiếc oto di chuyển trên đường với vận tốc 60km/h, thì bạn có thể nói rằng vận tốc của bạn so với trái đất là VẬN TỐC THỰC TUYỆT ĐỐI được không? Không hề, vì đó chỉ là vận tốc trên sự quan sát của bạn mà thôi, giả sử khi bạn di chuyển tôi đang ở mặt trăng nhìn xuống bạn, thì vận tốc của bạn sẽ phải tính cả vận tốc quay của trái đất quanh trục nữa, chắc chắn khác 60 km/h. Hoặc một chiếc UFO ở ngoài hệ mặt trời đang theo dõi bạn, họ cũng sẽ phải tính thêm cả vận tốc quay của trái đất trong hệ mặt trời.Đó chính là sự tương đối trong vũ trụ này, kể cả không gian, thời gian và khối lượng.….Chỉ cần thay đổi người quan sát hay hệ quy chiếu là hệ thống cần đo sẽ không còn tuyệt đối nữa. Tiên Đề 1: Nguyên lí tương đối Định nghĩa: Các định luật vật lý là bất biến trong mọi hệ quy chiếu quán tính. Giải thích: Các định luật vật lý là như nhau đối với mọi vật đang đứng yên hoặc chuyển động ĐỀU. Ví dụ: Nếu bạn đứng yên, hay đang ở trong một chiếc oto di chuyển 100 km/h ( cửa kính đóng kín ), hoặc trên máy bay với vận tốc 1000 km/h,thì khi bạn thả 1 đồng xu xuống, nó đều rơi theo phương thẳng đứng.Mọi định luật vật lý tác động lên đồng xu trong 3 trường hợp là như nhau.
Tiên đề 2: Nguyên lý bất biến của vận tốc ánh sáng trong chân không Định nghĩa: Tốc độ ánh sáng trong chân không là như nhau đối với mọi quan sát viên, bất kể chuyển động của nguồn phát ánh sáng như thế nào. Giải thích: trong vũ trụ, tốc độ ánh sáng trong chân không là lớn nhất,không thể vượt qua. Đối với mọi người quan sát, tốc độ ánh sáng luôn bằng 299.792.458 m/s.Ngoài ra tốc độ ánh sáng không thay đổi cho dù nguồn phát sáng di chuyển hay đứng im.
Ví dụ: Chúng ta xét tiếp trước xe oto ở trên, mặc dù vận tốc của oto là tương đối tuỳ vào người quan sát, nhưng trong vũ trụ ánh sáng là trường hợp đặc biệt, tốc độ ánh sáng là tuyệt đối. Nếu bạn tăng tốc xe lên vận tốc 1000 km/h, rồi bật đèn pha thì tốc độ ánh sáng chiếu từ đèn cũng chỉ đạt tốc độ cố định bằng ~300 tr m/s.Cho dù thằng Alien ở ngoài hệ mặt trời quan sát bạn thì nó cũng chỉ thấy tốc độ ánh sáng như vậy. Riêng với ánh sáng thì công thức cộng vận tốc: ( tốc độ xe + tốc độ ánh sáng) của Newton đã không còn áp dụng được nữa. 3- Các hệ quả nổi bật của thuyết tương đối hẹp: Để hiểu rõ hơn sự tương đối ở đây là gì, ta sẽ phải chia ra 2 hệ quy chiếu khác nhau để so sánh: người di chuyển và người quan sát. Khi tốc độ di chuyển càng cao thì người quan sát sẽ thấy độ dài của vật co ngắn lại theo chiều chuyển động ( bản thân vật không nhận thấy điều này ) Ví dụ: một con tàu vũ trụ dài 100m đạt vận tốc bằng gần bằng tốc độ ánh sáng thì trong lúc di chuyển người quan sát sẽ thấy độ dài của tàu co lại chỉ còn khoảng 20m. 2.Khoảng cách cũng tương đối: Khi tốc độ di chuyển càng cao thì người di chuyển thấy khoảng cách càng co ngắn lại. Ví dụ: ta cần di chuyển quãng đường dài 1000 km, nếu có một con tàu vũ trụ bay với vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng thì bản thân ta sẽ thấy quãng đường bị co ngắn lại chỉ còn vài trăm mét (người quan sát bên ngoài vẫn thấy quãng đường dài 1000km không đổi) 3.Khối lượng cũng tương đối: Một vật chuyển động càng gần tốc độ ánh sáng thì người quan sát thấy khối lượng của nó càng tăng. (trên cảm nhận của nó thì khối lượng không đổi) Ví dụ: trong máy gia tốc hạt khi các hạt electron đạt vận tốc tiệm cận tốc độ ánh sáng thì các nhà khoa học đo được khối lượng của nó tăng 2000 lần so với khi electron ở trạng thái nghỉ. Khối lượng vật khi di chuyển tiệm cận tốc độ ánh sáng là khối lượng tương đối, khác hoàn toàn với khối lượng nghỉ (đứng yên) của vật. Khối lượng nghỉ của vật không thay đổi dù di chuyển với tốc độ cao. 4.Thời gian cũng tương đối: Một người di chuyển càng nhanh thì thời gian của người đó càng trôi chậm lại so với người quan sát đứng yên. Ví dụ: Trường và Ngọc cùng 30 tuổi, Trường lên phi thuyền di chuyển với tốc độ gần bằng vận tốc ánh sáng để đến hành tinh cách trái đất 20 năm ánh sáng, khi trở về Trường mới 31 tuổi, còn Ngọc đã 70. Đối với Trường, thời gian du hành trôi qua chỉ như cái chớp mắt, hay nói cách khác, Trường đã du hành thời gian đến tương lai của Ngọc.
5.Vận tốc ánh sáng là tuyệt đối: Chỉ có photon (và các hạt không có khối lượng) đạt được tốc độ cao nhất trong vũ trụ - tốc độ ánh sáng, còn tất cả các vật có khối lượng khi tiệm cận tốc độ ánh sáng thì động lượng sẽ tăng vô hạn, và năng lượng cung cấp để di chuyển cũng tăng đến vô hạn, điều này bất khả thi trong vật lý. Ngày nay, sau hơn 100 năm ra đời, thuyết tương đối hẹp đã được chứng minh bằng lý thuyết và thực nghiệm, tất cả các tiên đề,hệ quả.Và thuyết tương đối hẹp cũng được ứng dụng trong thực tế ở rất nhiều lĩnh vực, đơn cử là hệ thống định vị toàn cầu GPS mà các bạn đang dùng trong điện thoại cũng liên quan đến sự giãn nở thời gian của thuyết tương đối.
Mọi người có thắc mắc gì xin vui lòng comment tôi sẽ cố gắng giải đáp trong khả năng của mình.Xin cảm ơn ! Dưới đây là chuyên mục 5 phút hiểu Vật Lý Lượng Tử. Nguồn: Trường Vũ biên soạn Để hiểu được lý thuyết này ta cần quay lại khoảng cuối thế kỉ XIX, khi đó, các nhà khoa học vẫn tin là họ đã gần đạt đến sự mô tả đầy đủ về vũ trụ. Như ta đã biết âm thanh truyền đi được là do sự dao động của các phân tử khí trong bầu khí quyển, ra khỏi khí quyển thì còn rất ít không khí nên ta không thể nghe thấy bất cứ điều gì. Hiểu nôm na là muốn âm thanh truyền đi được thì phải có môi trường truyền âm, ở đây là chất rắn lỏng khí, nếu không có môi trường truyền âm thì âm thanh không truyền đi được. Newton từng giải thích về quang phổ của ánh sáng không đơn sắc khi đi qua một lăng kính bị tách thành cồng vồng bằng cách coi ánh sáng truyền đi dưới dạng sóng. Cũng chính vì vậy mà cách nhà khoa học cuối TK XIX hình dung rằng không gian được lấp đầy bằng một môi trường liên tục gọi là "Ete". Theo đó sóng vô tuyến các loại cũng như ánh sáng sẽ truyền trong môi trường đó giống như sóng âm là sóng áp suất trong không khí vậy. Và vì thế nên các nhà khoa học chỉ việc ngồi nhà coi siêu nhân và chờ đợi các phép đo tiên tiến để kiểm chứng sự đàn hồi cũng như sự tồn tại của ete mà thôi. (rõ sướng nhỉ :v ) Cũng vào cuối thế kỉ đó các ý tưởng về ete bắt đầu chia rẽ. Theo lý thuyết ete thì ánh sáng truyền trong ete với một tốc độ không đổi, theo đó nếu bạn chuyển động ngược chiều với ánh sáng thì bạn sẽ thấy vận tốc ánh sáng nhanh hơn so với bình thường và tương tự sẽ chậm hơn khi bạn chuyển động cùng chiều với vận tốc ánh sáng. Tuy nhiên đã có rất nhiều thí nghiệm được thực hiện để kiểm chứng nhận định trên nhưng rõ ràng nhất vẫn là thí nghiệm Michelson-Morley bằng việc sử dụng giao thoa kế.  Điểm mấu chốt trong thí nghiệm này là ta phát một nguồn sáng ra và so sáng vận tốc của hai chùm tia sáng vuông góc với nhau khi nhận tại máy thu. Do Trái Đất quay quanh trục nên thiết bị sẽ chuyển động trong ete và theo đó hai chùm sáng sẽ di chuyển hai hướng khác nhau trong ete và ta sẽ thu được kết quả là một chùm sáng tới máy thu trước và một chùng sáng tới sau. Nhưng kết quả thí nghiệm lại thu hai chùm sáng cùng một lúc. Thuyết ete đã lung lay. Nhưng với niềm tin về ete có tồn tại nên hai nhà khoa học George Fitzgerald và Hendrik Lorentz đã gợi ý là các vật thể chuyển động trong ete sẽ co lại và đồng hồ sẽ chạy chậm đi. Chính điều đó khiến ta đo ánh sáng với cùng một tốc độ, không phụ thuộc nó chuyển động như thế nào so với ete. Đây như một sự cứu vãn cho lý thuyết ete đang hấp hối. Khi đó, một nhân viên vô danh ở Sở sáng chế lại Thuỵ sĩ tên Einstein đã công bố 5 bài báo khoa học thay đổi hoàn toàn nền vật lý lý thuyết đương thời và chỉ ra những ngộ nhận của giới khoa học đương thời. Một trong những ngộ nhận sai lầm thời bấy giờ chính là tính đồng thời. Tức là thời gian tuyệt đối. Chẳng hạn một người đứng giữa hai tia sét, khoảng cách đến 2 tia sét đó là như nhau, chính vì vậy NẾU hai tia sét cùng đánh một lúc thì người đó sẽ nhìn thấy ánh sáng của hai tia sét đến cùng một lúc. Nhưng các nhà khoa học lại ngộ nhận rằng 2 sự kiện, ở đây là 2 tia sét, vì nó xảy ra đồng thời cho nên mọi người quan sát dù ở bất cứ đâu đều quan sát thấy 2 tia sét cùng một lúc. Tia chớp được truyền đi với vận tốc ánh sáng (299.792.458m/s) hay khoảng 300.000km/s. Đây là một vận tốc vô cùng lớn nhưng vẫn hữu hạn. Như vậy một người mà khoảng cách đến hai tia sét khác nhau đủ lớn sẽ nhận thấy hai tia sét xuất hiện không đồng thời. Điều này nghĩa là tính đồng thời đã mất đi tính khách quan của nó. Đây là nhận thức chìa khoá để Einstein đi tới kết luận rằng không có thời gian tuyệt đối mà chỉ thời gia riêng của các hệ quy chiếu, của tôi, của bạn. Mặt khác thuyết điện từ của Maxwell không cho phép vận tốc ánh sáng lớn hơn c (c=300.000km/s). Theo đó vận tốc ánh sáng là như nhau đối với mọi người quan sát dù cho họ có chuyển động với tốc độ nào đi chăng nữa. Chính vì vậy định lý cộng vận tốc của Newton bị lung lay dữ dội. Nếu như trước kia chiếc ô tô chuyển động với vận tốc v và bật đèn pha với vận tốc c thì tốc độ ánh sáng sẽ là c+v. Điều này là sai lầm sau khi thuyết tương đối hẹp của Einstein ra đời năm 1905. Khi đó vận tốc ánh sáng vẫn luôn là c với mọi hệ quy chiếu. Vì vậy ông đã đề xuất rằng : các định luật khoa học phải là như nhau đối với mọi người quan sát chuyển động tự do, cụ thể là họ phải đo được vận tốc ánh sáng như nhau cho dù họ chuyển động với vận tốc như thế nào. Tốc độ ánh sáng không phụ thuộc vào chuyển động của họ và như nhau theo mọi hướng". Tóm lại, thuyết tương đối hẹp phát triển từ hai tiên đề, một tiên đề về nguyên lý tương đối và một tiên đề về vận tốc ánh sáng: 1. Nguyên lý tương đối. Tất cả các hiện tượng vật lý, về cơ học cũng như điện động học, vẫn không thay đối trong tất cả các hệ quy chiếu chuyển động đều (gọi là hệ quy chiếu quán tính). 2. Nguyên lý bất biến của vận tốc truyền ánh sáng trong chân không. Vận tốc ánh sáng có cùng độ lớn c trong tất cả các hệ quy chiếu, miễn là các hệ thống này chuyển động tương đối đều với nhau. Chữ 'tương đối' ngụ ý rằng chuyển động tương đối mới là quan trọng. Khi Einstein công bố các bài báo về lý thuyết của ông thì ông đang 26 tuổi, đang sống ẩn dật và kiếm sống qua ngày tại Sở công nhận quyền sáng chế tại Bern, Thuỵ Sĩ, làm việc 6 ngày một tuần với đồng lương 600$ một năm, trong khi phải nuôi vợ và một con. Công việc ấy là sự cứu cánh của một người bạn giúp đỡ khi ông không tìm được việc làm. 5 bài báo của ông được công bố trong Niên giám Vật lý Đức đã gây nên một cuộc cách mạng trong nền vật lý lý thuyết toàn thế giới. Năm 1905 được gọi là năm thần kì. (Einstein kì ghê, cuộc sống bấp bên rồi mang trong mình đam mê khoa học mà lấy vợ sớm quá, haizz, khổ vợ con) Từ thuyết tương đối hẹp đã dẫn đến một số hệ quá đáng kể như sau: 1. Một vật chuyển động càng gần bằng tốc độ ánh sáng thì khối lượng của nó càng tăng. Tỉ như các hạt electron trong các máy gia tốc hạt lớn trên thế giới khi được gia tốc đến 99,99% vận tốc ánh sáng thì có khối lượng tăng gấp 2000 lần khi nó ở trạng thái nghỉ. 2. Càng chuyển động càng nhanh thì vật chuyển động sẽ càng co lại theo chiều chuyển động. Hiểu nôm na là 1 con tàu vũ trụ dài 1000m thì khi di chuyển gần bằng tốc độ ánh sáng thì nó sẽ còn chiều dài vài trăm thôi. 3. Năng lượng và khối lượng là như nhau và liên hệ với nhau theo công thức vĩ đại E=mc^2. Minh chứng hùng hồn nhất đó là 2 quả bom nguyên tử ném xuống Hiroshima và Nagasaki. Chỉ với một lượng nhỏ Urani phân rã tạo thành một nguồn năng lượng phóng xạ khổng lồ. 4. Vận tốc ánh sáng là nhanh nhất và ta không gì nhanh hơn vận tốc ánh sáng. Theo hệ quả 1 thì khi ta gia tốc cho một vật lên càng cao thì khối lượng của nó cũng sẽ tăng theo, điều đó đòi hỏi một lượng năng lượng lớn hơn để duy trì vận tốc ấy, cứ như vậy thì muốn gia tốc một vật có khối lượng tới vận tốc ánh sáng là điều không thể bởi vì ta cần một lượng năng lượng vô hạn, điều này là vô lý. Chỉ có hạt photon là hạt cấu thành ánh sáng được cho là có khối lượng không mới có thể đạt vận tốc ấy. 5. Một người di chuyển càng nhanh thì thời gian của người đó sẽ chậm lại. Điều này được trình bày trong nghịch lý sinh đôi. Rằng 2 anh em sinh đôi một người ở lại Trái Đất một người thực hiện một chuyến du hành ngoài vũ trụ, giả sử tàu đạt vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng thì thời gian của người đi sẽ trôi rất chậm. Vì vậy khi trở về Trái đất, người ở lại trở nên già nua hoặc có thể không còn sống như người đi thì chỉ thay đổi chút ít. Một thí dụ cụ thể cho sự co lại của thời gian là sự chuyển động của hạt Muon, một loại hạt cơ bản trong vũ trụ, nó chuyển động với vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng. Loại hạt này có tuổi thọ rất thấp, cho nên theo lý thuyết nó sẽ phân rã hết trước khi chạm tới mặt đất. Nhưng theo thuyết tương đối thì do nó di chuyển gần bằng vận tốc ánh sáng nên thời gian của nó bị co lại, nó 'sống' lâu hơn và kịp đến mặt đất trước khi phân rã hết. Các nhà khoa học đã kiểm chứng điều này là đúng vì tìm thấy các hạt Muon trên bề mặt Trái Đất. Thuyết tương đối hẹp còn đưa ra một hệ quả rất quan trọng đó là đưa đến nghiệm âm đối với năng lương (do c^2). Điều này tưởng chừng như vô lý nhưng từ khi thuyết lượng tử ra đời thì nó đã được chấp nhận. Buộc lòng các nhà khoa học phải nghiên cứu về loại năng lượng âm này cũng như sự chuyển dịch từ năng lương dương sang âm, bằng chứng là hiện nay các nhà khoa học đã có thể tạo ra phản vật chất, positron, phản proton, phản neutron,...Về mặt lý thuyết mỗi loại hạt sẽ có một phản hạt của nó. Thuyết tương đối Hẹp là một công trình vĩ đại. p/s: ôi mình định viết thuyết tương đối rộng luôn nhưng mẹ réo rồi, ngồi máy 4 tiếng rồi mà. :v đành hẹn mọi người dịp khác nha, có lẽ khi mình thi xong vậy. Bài viết còn nhiều lỗi, cách hành văn,... Dù sao cũng chỉ là lần thứ 3 mình viết bài. Hy vọng mọi người quan tâm và giúp đỡ, góp ý. Bài viết có tham khảo trong các tài liệu khoa học, sách,... nhưng tự viết là chính. (Rút kinh nghiệm). https://www.facebook.com/nguyentuan.698741253 https://www.youtube.com/watch?v=GM_RusGg54I 31 |
