Tổng quan
Vật lý học thế kỉ XIX
Cuối thế kỉ XIX, các nhà vật lý tin rằng họ đã nắm vững kiến thức về vật lý, với các định luật chuyển động và định luật vạn vật hấp dẫn của Newton, thuyết điện từ của Maxwell, cùng các định luật nhiệt động lực học Những thành tựu này đã giúp giải thích hầu hết các hiện tượng tự nhiên, dẫn đến việc vật lý trở nên kém hấp dẫn trong mắt cộng đồng khoa học thời bấy giờ.
Đầu thế kỷ XX, vật lý đối mặt với những thách thức mới như bức xạ vật đen tuyệt đối, hiện tượng quang điện và tán xạ Compton, khiến cho vật lý cổ điển không thể giải thích được Sự khủng hoảng này báo hiệu một cuộc cách mạng khoa học sắp diễn ra Năm 1900, Plank đưa ra những ý tưởng đầu tiên dẫn đến cơ học lượng tử, và năm 1905, Einstein thiết lập thuyết tương đối đặc biệt Những phát kiến của Plank và Einstein đã có ảnh hưởng sâu sắc đến hiểu biết của chúng ta về tự nhiên, mở ra những bước phát triển đột phá trong các lĩnh vực nguyên tử, hạt nhân và chế tạo vật liệu trong vài thập kỷ tiếp theo.
Mặc dù vật lý hiện đại đã đạt được nhiều thành tựu quan trọng trong công nghệ-kỹ thuật, nhưng hành trình khám phá vẫn chưa dừng lại Những phát hiện mới trong tương lai sẽ tiếp tục giúp chúng ta hiểu sâu hơn về thế giới tự nhiên đầy huyền bí xung quanh Con người luôn khao khát tìm hiểu và chạm tay vào bản chất của thế giới huyền bí ấy.
Albert Einstein
Albert Einstein (1879-1955) là một trong những nhà vật lý vĩ đại nhất mọi thời đại, sinh ra tại ULM, Đức Thời thơ ấu, ông không cảm thấy hạnh phúc với môi trường học tập ở Đức và hoàn tất việc học của mình tại Thụy Sĩ khi mới 16 tuổi Do điểm số không cao, ông gặp khó khăn trong việc tìm kiếm công việc phù hợp và cuối cùng phải chấp nhận vị trí tại phòng cấp bằng sáng chế ở Berne.
Bảng điểm tốt nghiệp của Einstein Einstein và công thức nổi tiếng của thuyết tương đối đặc biệt
Trong suốt thời gian nghiên cứu vật lý lý thuyết, vào năm 1905, ông đã công bố bốn bài báo khoa học, trong đó một bài giúp ông giành giải thưởng Nobel năm 1921 về hiện tượng quang điện Một bài báo khác liên quan đến chuyển động Brownian, mô tả chuyển động không đều của các hạt nhỏ trong chất lỏng đặc, trong khi hai bài còn lại đóng góp vào thuyết tương đối đặc biệt Đến năm 1915, ông tiếp tục công bố thuyết tương đối tổng quát, lý thuyết giải thích hấp dẫn và cấu trúc không thời gian, với tiên đoán quan trọng rằng lực hấp dẫn mạnh của các vật siêu nặng có thể bẻ cong đường truyền của tia sáng, điều này đã được xác nhận qua thí nghiệm.
Einstein đã có nhiều đóng góp quan trọng cho sự phát triển của vật lý hiện đại, bao gồm khái niệm lượng tử ánh sáng và ý tưởng về phát xạ kích thích, dẫn đến sự phát minh ra laser 40 năm sau Tuy nhiên, ông luôn bác bỏ cơ học lượng tử và có cái nhìn xác định về các sự kiện ở thang đo nguyên tử, nổi tiếng với câu nói “Thượng đế không chơi trò xúc xắc” Để phản bác quan điểm của Einstein, Niels Bohr, một trong những người sáng lập cơ học lượng tử, đã tuyên bố “đừng nói thượng đế làm điều gì”.
Năm 1933, Einstein rời khỏi Đức và sống phần còn lại của cuộc đời tại viện nghiên cứu vật lý Princeton Tại đây, ông nỗ lực xây dựng lý thuyết thống nhất giữa trường điện từ và trường hấp dẫn, nhưng không đạt được thành công trước khi qua đời.
Tính tương đối
1.3.1 Tính tương đối trong đời sống
Cuộc sống của chúng ta trở nên ý nghĩa hơn khi mỗi tối, gia đình quây quần bên bàn ăn, nơi có nhiều món ăn với những cảm nhận khác nhau Một món ăn có thể ngon với người này nhưng chỉ tàm tạm với người khác, cho thấy sự tương đối trong vị giác Tương tự, khi cả nhà cùng xem một bộ phim, ba mẹ có thể cảm thấy bộ phim hay và ý nghĩa, trong khi con cái lại không thấy hấp dẫn Điều này cho thấy rằng trong cuộc sống, rất ít khi mọi người đạt được sự đồng thuận tuyệt đối, mà hầu hết mọi thứ đều mang tính tương đối.
1.3.2 Tính tương đối của vị trí
Các khái niệm trái - phải, trên - dưới, trước - sau là tương đối Trong một hàng ngang, ba bạn An, Bình và Sen có vị trí rõ ràng: An đứng trước Bình, trong khi Bình lại đứng trước Sen.
1.3.3 Tính tương đối của chuyển động
Chuyển động là một khái niệm tương đối, phụ thuộc vào quan điểm của người quan sát Khi bạn và người bạn thân cùng lái mô tô phân khối lớn, người đứng bên đường cho rằng bạn đang di chuyển ra xa, trong khi người bạn của bạn lại khẳng định bạn đang đứng yên so với anh ta Điều này cho thấy rằng cả hai đều đúng trong bối cảnh của riêng họ, minh chứng cho tính chất tương đối của chuyển động.
1.3.4 Hệ qui chiếu Để xác định các chuyển động và loại bỏ tính tương đối của các chuyển động của vật này so với vật kia, chúng ta buộc phải gắn vật với một hệ qui chiếu
Hệ qui chiếu bao gồm một vật mốc gắn với hệ tọa độ không gian và một mốc thời gian kết hợp với đồng hồ để đo các quá trình Các hệ qui chiếu chuyển động tương đối với nhau, và chúng ta không thể loại bỏ tính tương đối của chuyển động, vì đây là bản chất tự nhiên của nó, luôn tồn tại trong quá trình chuyển động.
Thuyết tương đối đặc biệt
Sự ra đời thuyết tương đối đặc biệt
Sóng ánh sáng và các bức xạ điện từ khác di chuyển trong chân không với vận tốc c = 3.10^8 m/s Vận tốc ánh sáng được coi là giới hạn tối đa cho sự di chuyển của hạt, sóng và tín hiệu thông tin, có nghĩa là không có tín hiệu nào có thể truyền đi nhanh hơn vận tốc ánh sáng.
Hầu hết trải nghiệm trong cuộc sống hàng ngày diễn ra với vận tốc thấp hơn nhiều so với ánh sáng, nơi mà cơ học Newton thành công trong việc mô tả các hiện tượng thông thường Cơ học Newton khẳng định không gian và thời gian là tuyệt đối và độc lập với chuyển động của vật Tuy nhiên, lý thuyết này bộc lộ sai sót khi áp dụng cho các vật chuyển động với vận tốc gần ánh sáng Thí nghiệm cho thấy, khi gia tốc electron đến vận tốc 0.99c bằng cách sử dụng hiệu điện thế lớn, cơ học Newton dự đoán vận tốc sẽ vượt quá giới hạn ánh sáng, điều này mâu thuẫn với thực tế Thực nghiệm chỉ ra rằng vận tốc của electron và các hạt trong vũ trụ luôn bị giới hạn bởi vận tốc ánh sáng, cho thấy rõ ràng rằng cơ học Newton có những hạn chế khi đối mặt với các hiện tượng ở vận tốc cao.
Vận tốc giới hạn của electron
Một trong những thách thức lớn mà vật lý cổ điển không thể giải quyết là môi trường truyền sóng của ánh sáng Ánh sáng, với bản chất là sóng điện từ, khác biệt so với các loại sóng như sóng âm hay sóng cơ, vốn cần môi trường để lan truyền Trong khi sóng âm không thể truyền trong chân không, sóng ánh sáng lại có khả năng truyền đi mà không cần môi trường, điều này đặt ra nhiều câu hỏi cho các nhà khoa học trong việc hiểu rõ bản chất của ánh sáng.
Trong lịch sử vật lý học, các nhà khoa học đã tin rằng tồn tại một môi trường gọi là ether để sóng ánh sáng có thể lan truyền Tuy nhiên, cuộc truy tìm ether đã không mang lại kết quả như mong đợi, khi không có bằng chứng nào chứng minh sự tồn tại của nó Điều này đã gây ra nhiều thách thức và đau đầu cho các nhà vật lý trong việc hiểu rõ hơn về bản chất của ánh sáng và không gian.
Albert Einstein, khi còn trẻ, đã có một cái nhìn độc đáo về ánh sáng và vận tốc Ông từng tự hỏi rằng nếu đuổi theo một tia sáng với tốc độ ánh sáng, liệu có thể quan sát tia sáng như một trường điện từ tĩnh không? Mặc dù điều này không thể xảy ra theo thực nghiệm hoặc các phương trình của Maxwell, ông cảm nhận rằng mọi thứ phải tuân theo những quy luật giống như khi người quan sát đứng yên Điều này dẫn đến câu hỏi về việc xác định chuyển động với vận tốc lớn Từ những suy nghĩ này, vào năm 1905, ở tuổi 25, Einstein đã công bố thuyết tương đối đặc biệt.
Thuyết tương đối ra đời từ nhu cầu giải quyết những mâu thuẫn trong lý thuyết cũ, mang đến một hướng đi mới Điểm mạnh của lý thuyết này là sự đơn giản và khả năng giải quyết những vấn đề phức tạp thông qua việc chấp nhận một số tiên đề nhất định.
Albert Einstein là một trong những nhà khoa học vĩ đại nhất thế kỷ XX, và thuyết tương đối của ông được coi là thành công nổi bật nhất Thuyết tương đối cho phép chúng ta dự đoán chính xác các chuyển động từ vận tốc nghỉ đến gần bằng vận tốc ánh sáng Trong khi cơ học Newton đã được chấp nhận trong suốt 200 năm, thuyết tương đối không chỉ bác bỏ mà còn kế thừa và mở rộng nó bằng cách bổ sung các tiên đề mới Do đó, cơ học Newton trở thành một phần trong thuyết tương đối đặc biệt, dẫn đến sự phát triển của cơ học tương đối tính sau này.
2 2 Hai tiên đề của thuyết tương đối đặc biệt
1 Các định luật vật lý là như nhau trong tất cả các hệ qui chiếu chuyển động đều so với hệ qui chiếu khác Nghĩa là định luật cơ bản như ∑ có cùng dạng toán học cho bất cứ vật chuyển động với vận tốc không đổi so với mốc
2 Vận tốc của ánh sáng trong chân không luôn đo được là 3.10 8 m/s và vận tốc đo được độc lập với vận tốc của người quan sát hay vận tốc của nguồn sáng Nghĩa là vận tốc của ánh sáng là như nhau đối với những người quan sát chuyển động với vận tốc khác nhau
Thuyết tương đối đặc biệt, mặc dù được xây dựng trên lý thuyết, lại có nhiều ứng dụng thực tiễn quan trọng như trong thiết kế máy gia tốc, hệ thống định vị toàn cầu GPS và màn hình TV cao áp Nếu thiết kế các thiết bị này theo cơ học Newton, chúng sẽ không thể hoạt động hiệu quả.
Hệ thống định vị GPS
2.2.1 Nguyên lí tương đối (THE PRINCIPLE OF RELATIVITY) Để mô tả các sự kiện vật lý, cần phải thiết lập hệ thống hệ qui chiếu Ví dụ, một người đang đứng yên trong phòng thí nghiệm Từ những nghiên cứu các định luật của Newton trong hệ qui chiếu quán tính, chúng ta nhận thấy hệ qui chiếu quán tính là hệ qui chiếu trong đó vật không chịu tác dụng của lực nào, chuyển động trên đường thẳng với vận tốc không đổi (An inertial frame is one in which an object subjected to no forces moves in a straight line at constant) Tên “hệ quán tính” bởi vì vật quan sát từ hệ qui chiếu tuân theo định luật I Newton (định luật quán tính) Hơn thế nữa, bất kì hệ qui chiếu chuyển động với vận tốc không đổi so với hệ qui chiếu quán tính khác cũng phải là hệ qui chiếu quán tính Chú ý rằng, không có hệ qui chiếu quán tính nào được ưu tiên hơn hệ qui chiếu quán tính khác
Theo nguyên lý tương đối Newton, các định luật cơ học phải giống nhau trong mọi hệ quy chiếu quán tính Khi thực hiện thí nghiệm trong phòng thí nghiệm hay trên một chiếc xe chuyển động với vận tốc không đổi, các định luật Newton vẫn có thể áp dụng cho cả hai người quan sát Ví dụ, vật ném lên sẽ quay trở lại tay người ném trong cả hai trường hợp Mặc dù những thí nghiệm có thể được quan sát khác nhau, nhưng các giá trị về vị trí và vận tốc của vật vẫn tuân theo các định luật Newton và nguyên lý bảo toàn động lượng, bảo toàn năng lượng Điều này cho thấy không có thí nghiệm nào có thể phát hiện sự khác biệt về bản chất giữa hai hệ quán tính, chỉ có thể xác định chuyển động tương đối giữa chúng Quan điểm về chuyển động tuyệt đối qua không gian là vô nghĩa, và một nguyên tắc triết học vững chắc trong khoa học hiện đại là tất cả người quan sát đều bình đẳng, với các định luật tự nhiên có cùng dạng thức toán học cho mọi người quan sát Tính bất biến của các định luật vật lý được thể hiện qua việc chúng có cùng dạng toán học đối với những người quan sát ở các chuyển động và vị trí khác nhau.
2.2.1.1 Phép biến đổi Galileo Để thể hiện sự tương đương về phép đo trong các hệ qui chiếu khác nhau ta cần cơ sở toán học cho phép biến đổi từ hệ qui chiếu quán tính này sang hệ qui chiếu quán tính khác, được gọi là phép biến đổi Trong tương đối Newton đó là phép biến đổi Galileo, có thể được phát biểu khác đi như sau:
Xét hai hệ quán tính S và S’ như hình 1.2
Hệ S’ chuyển động với vận tốc không đổi v trên trục xx’, với v là vận tốc của S’ so với S Khi t=t’=0, đồng hồ trong hai hệ S và S’ đồng thời và gốc tọa độ trùng nhau Giả sử có một sự kiện xảy ra tại điểm P, như hiện tượng bóng đèn flash Người quan sát trong hệ S ghi nhận sự kiện với tọa độ không-thời gian (x,y,z,t), trong khi người quan sát trong hệ S’ sử dụng (x’, y’, z’, t’) để mô tả cùng sự kiện Các hệ tọa độ này liên hệ với nhau thông qua các phương trình.
Phép biến đổi Galileo đề cập đến các phương trình trong cơ học cổ điển, trong đó trục tọa độ thứ tư, "thời gian", được giả thuyết là giống nhau ở cả hai hệ quán tính Điều này có nghĩa là tất cả đồng hồ đều chạy như nhau, bất kể vận tốc, dẫn đến thời gian xảy ra sự kiện trong hệ S cũng tương đương với thời gian trong hệ S’ Khoảng thời gian giữa hai sự kiện liên tiếp được coi là giống nhau đối với tất cả những người quan sát Mặc dù giả thuyết này có vẻ rõ ràng, nhưng nó lại mang nhiều ý nghĩa quan trọng trong việc hiểu về chuyển động và thời gian.
Hệ quả của thuyết tương đối đặc biệt
2.4.1 Tính đồng thời và tương đối của thời gian (Simultaneity the relativity of time)
Cơ học Newton khẳng định rằng "thời gian là như nhau đối với tất cả người quan sát" và coi thời gian là tuyệt đối, trôi chảy đều đặn từ quá khứ đến tương lai mà không bị ảnh hưởng bởi các tác động bên ngoài Ngược lại, trong thuyết tương đối hẹp, Einstein đã bác bỏ quan điểm thời gian tuyệt đối, cho rằng khoảng thời gian phụ thuộc vào hệ quy chiếu mà thời gian được đo.
Einstein đã thiết lập một thí nghiệm tưởng tượng để minh họa quan điểm của mình về chuyển động Trong thí nghiệm, một thùng xe di chuyển với vận tốc không đổi, và hai tia sét đánh vào hai đầu của thùng xe, được ghi nhận tại các điểm A’ và B’ trên thùng xe, cùng với các điểm A và B trên mặt đất Người quan sát O’ trên thùng xe đứng ở trung điểm A’B’, trong khi người quan sát trên mặt đất đứng ở trung điểm AB Cả hai người quan sát sẽ ghi nhận tín hiệu ánh sáng từ các tia sét.
Hai tín hiệu ánh sáng đến người quan sát tại O cùng một thời gian, cho thấy ánh sáng di chuyển với cùng vận tốc trên đoạn đường bằng nhau Người quan sát O kết luận rằng sự kiện tại A và B là đồng thời Ngược lại, người quan sát O’ di chuyển trước khi nhận tín hiệu ánh sáng từ A’ và B’, dẫn đến tín hiệu từ B’ đến O’ đến trước tín hiệu từ A’ đến O’ Theo lý thuyết của Einstein, người quan sát O’ cũng nhận thấy ánh sáng truyền với cùng vận tốc như người quan sát O.
Kết luận từ nghiên cứu cho thấy ánh sáng đến đầu thùng xe trước khi đến cuối thùng xe Thí nghiệm tưởng tượng này chứng minh rõ ràng rằng hai sự kiện diễn ra đồng thời với hệ quy chiếu O nhưng không đồng thời với hệ quy chiếu O’.
Hai sự kiện có thể xảy ra đồng thời trong một hệ quy chiếu nhưng lại không đồng thời trong một hệ quy chiếu khác đang chuyển động so với hệ đầu tiên Điều này cho thấy rằng khái niệm đồng thời không phải là tuyệt đối, mà phụ thuộc vào trạng thái chuyển động của người quan sát.
Cả hai người quan sát đều đúng trong bối cảnh nguyên lý tương đối Điều này có thể khiến bạn ngạc nhiên, nhưng thực tế cho thấy rằng sự khác biệt trong quan điểm của họ không làm mất đi tính chính xác của mỗi người.
Trong các hệ quy chiếu quán tính, không có sự ưu tiên nào giữa các quan sát viên, điều này dẫn đến việc hai người có thể đưa ra những kết luận khác nhau nhưng vẫn đúng trong hệ quy chiếu của họ Khái niệm đồng thời không phải là tuyệt đối, và các quan sát viên trong các hệ quy chiếu khác nhau sẽ đo được thời gian và khoảng cách khác nhau bằng đồng hồ và thước đo riêng của họ Tuy nhiên, họ sẽ đồng thuận rằng hình thức của các định luật vật lý là giống nhau, bởi vì các định luật này phải nhất quán đối với tất cả các quan sát viên trong chuyển động đều.
Sự thay đổi về thời gian và không gian đảm bảo rằng các định luật vật lý luôn giữ nguyên giá trị đối với mọi người quan sát chuyển động đều.
2.4 2 Sự giãn thời gian (Time dilation)
Trong hệ qui chiếu quán tính khác nhau, thời gian giữa hai sự kiện sẽ được đo khác nhau Ví dụ, khi một chiếc xe di chuyển sang phải với vận tốc v, gương cố định trên trần xe sẽ phản chiếu ánh sáng từ nguồn laser Người quan sát O’ đứng yên, cách gương một khoảng d, sẽ ghi nhận thời gian t’ giữa hai sự kiện: khi xung ánh sáng laser được phát ra (sự kiện 1) và khi nó trở lại nguồn (sự kiện 2) Thời gian này được đo bằng đồng hồ C’ của O’.
25 c, khoảng thời gian kể từ khi xung ánh sáng được phát đi và thu lại có thể được xác định theo biểu thức:
Thời gian t’ được đo bởi người quan sát O’ khi đứng yên trong hệ quy chiếu Đối với người quan sát O trong hệ quy chiếu thứ hai, gương và nguồn laser di chuyển sang phải với vận tốc v, dẫn đến sự khác biệt trong cách nhận diện hai sự kiện Trước khi ánh sáng đến gương, gương đã di chuyển một đoạn vt/2, với t là khoảng thời gian ánh sáng từ O’ đến gương và trở lại So sánh hai hình 1.10a và 1.10b cho thấy ánh sáng trong trường hợp b truyền xa hơn so với trường hợp a Lưu ý rằng người quan sát không nhận thức được sự chuyển động của mình, mỗi người đều đứng yên trong hệ quy chiếu riêng của họ.
Theo tiên đề hai của thuyết tương đối đặc biệt, cả hai người quan sát đều phải đo được vận tốc ánh sáng là c Đối với người quan sát O, ánh sáng truyền xa hơn, dẫn đến khoảng thời gian t mà O đo được dài hơn khoảng thời gian t’ mà người quan sát O’ đo Để xác định mối quan hệ giữa t và t’, ta áp dụng định lý Pythagorean.
Bởi vì t’-/c, chúng ta có
Khi > 1, khoảng thời gian t mà người quan sát chuyển động đo được sẽ dài hơn khoảng thời gian t’ mà người quan sát đứng yên đo được Hiện tượng này được gọi là sự giãn thời gian.
Khoảng thời gian riêng t’ trong phương trình 1.8 được ký hiệu là t p, đại diện cho khoảng thời gian giữa hai sự kiện được đo bởi một người quan sát tại cùng một điểm trong không gian Trong bối cảnh này, người quan sát O’ là người thực hiện việc đo lường thời gian riêng.
Nghĩa là, thời gian riêng luôn luôn là thời gian đo bởi người quan sát chuyển động với đồng hồ riêng
Thời gian giữa hai tiếng tích của đồng hồ chuyển động dài hơn thời gian giữa hai tiếng tích của đồng hồ đứng yên, cụ thể là (2d/c) so với 2d/c.
Đồng hồ chuyển động chậm hơn so với đồng hồ đứng yên, điều này đúng với các đồng hồ cơ học thông thường cũng như các quá trình vật lý, phản ứng hóa học và quá trình sinh lý Tất cả những hiện tượng này sẽ diễn ra chậm lại khi được quan sát trong hệ quy chiếu chuyển động Ví dụ, nhịp tim của nhà du hành vũ trụ trong không gian sẽ phù hợp với đồng hồ bên trong tàu vũ trụ, nhưng khi so sánh với đồng hồ khác, nó sẽ chạy chậm hơn Tuy nhiên, nhà du hành không nhận thấy bất kỳ sự khác biệt nào hay sự chậm lại của các quá trình trong hệ quy chiếu của tàu vũ trụ đang chuyển động.