Albert Einstein được xem như là một trong những nhà bác học vĩ đại nhất mọi thời đại. Tên của ông đồng nghĩa với thiên tài (genius). Hai công trình khoa học quan trong nhất của Einstein là thuyết tương đối hẹp (special relativity) và thuyết tương đối rộng (general relativity). Vậy thuyết tương đối hẹp là gì? Nó được tạo ra như thế nào? Các hệ quả của nó là gì? Ứng dụng của nó là gì? trả lời những câu hỏi này sẽ là mục tiêu của bài viết này.
Đầu tiên nói về bối cảnh, thuyết tương đối hẹp được Einstein đề xuất lần đầu tiên trong một bài báo ông viết vào năm 1905 đăng trên tạp chí vật lý Annalen der Physik . Lúc này ông 26 tuổi và đang là nhân viên ở văn phòng phụ trách đăng ký bản quyền ở Zurich, Thụy Sĩ. Cùng trong năm này, ông còn viết 3 bài báo quan trọng ở các lĩnh vực khác bao gồm 1) phân tích chuyển động của phân tử, 2) giải thích hiệu ứng quang điện (photoelectric effect), và 3) mối liên hệ giữa khối lượng và năng lượng (E=mc^2). Ông được trao giải thưởng Nobel vật lý năm 1921 do đóng góp trong việc giải thích hiệu ứng quang điện (photoelectronic effect). Năm 1905 vì vậy được gọi là Annus mirabilis , có nghĩa là năm kỳ diệu của Einstein.
Thuyết tương đối hẹp ra đời để giải thích sự không đồng nhất giữa cơ học cổ điển của Newton và thuyết điện từ phát triển bởi Maxwell liên quan đến vận tốc của ánh sáng. Theo Newton, vận tốc của mọi vật là tương đối phụ thuộc theo hệ quy chiếu, ví dụ nếu bạn ngồi trên tàu đang di chuyển với vận tốc là 60km/h thì vận tốc của bạn so với côt mốc bên đường là 60km/h, nhưng so với người ngồi cạnh thì sẽ là 0km/h. Tuy nhiên, Maxwell đã chứng minh rằng ánh sáng là một loại sóng điện từ (electromagnetic wave), và có vận tốc không đổi 3x10^8 (km/h) trong chân không. Điều này dẫn đến việc nếu bạn ngồi trên tàu và chiếu đèn cùng hướng di chuyển với một chuyến tàu đang di chuyển với vận tốc 10^8 (km/h) thì một người đứng ở cạnh đường ray vẫn sẽ đo được vận tốc ánh sáng từ đèn của bạn là 3x10^8 (km/h) chứ không phải là 4x10^8(km/h).
Để giải thích cho sự không đồng nhất này, Einstein đã sử dụng kết quả của Maxwell và đặt ra tiên đề: "Vận tốc ánh sáng là cố định và không phụ thuộc vào hệ quy chiếu". Đây chính là một trong hai tiên đề của thuyết tương đối hẹp. Tiên đề còn lại là: "Các định luật vật lý là như nhau trong mọi hệ quy chiếu quán tính".
Nếu vận tốc ánh sáng là không đổi thì so với một người ngồi trên tàu, thời gian của một người đứng ở bên đường sẽ trôi nhanh hơn. Lý do là bởi vì người đứng bên đường sẽ thấy ánh sáng đi được một quãng đường xa hơn so với người ở trên tàu. Vì thời gian bằng quãng đường chia cho vận tốc nên thời gian người đứng ở bên đường trải qua sẽ dài hơn. Do vậy, thời gian không còn là tuyệt đối mà chỉ là tương đối và phụ thuộc vào vận tốc.
AB = c x t với c là vận tốc của ánh sáng
BC = v x t với v là vận tốc di chuyển của tàu
AC = c x t' với t' là thời gian của một người đứng trên tàu.
Vì ABC là tam giác vuông, sử dụng định lý Pythago và một số bước biến đổi ta thu được kết quả liên hệ giữa t và t' như công thức ở trên. Vì vận tốc di chuyển của tàu (v) nhỏ hơn vận tốc ánh sáng (c), ta suy ra được là t' nhỏ hơn t. Nói cách khác, thời gian đối với người di chuyển thì trôi chậm hơn so với người đứng yên. Trong cuộc sống của con người, v thường rất nhỏ so với c nên sự khác biêt là gần như không đáng kể. Đối với các vật di chuyển nhanh, sự khác biệt có thể là rất đáng kể. Có một điểm thú vị là nếu di chuyển với vận tốc ánh sáng (v=c) thì thời gian sẽ ngừng trôi (t' = 0).
Tương tự như thời gian, không gian (độ dài) cũng có tính tương đối và phụ thuộc vào vận tốc di chuyển: "độ dài của một vật khi di chuyển thì ngắn hơn độ dài của cùng vật đó khi đứng yên". Và khi di chuyển với vận tốc ánh sáng, thì độ dài sẽ bằng 0.
Dù nổi tiếng nhưng thuyết tương đối hẹp của Einstein không có nhiều ứng dụng trong thực tiễn cuộc sống vì chúng ta di chuyển với vận tốc rất nhỏ so với vận tốc ánh sáng, nên thời gian giữa các hệ quy chiếu có thể xem là giống nhau mà ko gây ra nhiều vấn đề. Đây cũng là một lý do cho việc ông không được trao giải Nobel cho thuyết tương đối hẹp. Một ứng dụng có thể kể đến là việc căn chỉnh thời gian của các vệ tinh của hệ thống định vị toàn cầu GPS. Các vệ tinh này di chuyển với vận tốc hàng chục nghìn ki lô mét một giờ nên thời gian đối với các vệ tinh này sẽ chậm hơn so với người di chuyển trên mặt đất. Do vậy, việc tính toán tọa độ của người dùng phải tính đến sự chênh lêch thời gian này.
Người ta gọi 1905 là năm kỳ diệu của Estein nhưng thực ra thời gian này không thực sự tốt đẹp với ông. Bài báo về thuyết tương đối hẹp dù được xuất bản trong năm này nhưng gần như không ai trong giới khoa học để ý đến vì ông chỉ là một nhân viên văn phòng không phải là giáo sư của trường đại học. Ông chỉ thực sự được chú ý khi Max Plank, một nhà khoa học nổi tiếng đương thời, cha đẻ của cơ học lượng tử (quantum mechanic) và là chủ biên của tờ tạp chí Annalen der Physik, đọc bài báo của Einstein và nhận ra tầm quan trọng của kết quả này.
Dù không hoàn toàn bị thuyết phục bởi kết quả trong bài báo, Max Plank yêu cầu Einstein giải thích kỹ hơn về kết quả, cũng như yêu cầu ông mở rộng lý thuyết cho trường hợp hệ quy chiếu chuyển động có gia tốc (vận tốc thay đổi theo thời gian). Einstein mất 10 năm để mở rộng thuyết tương đối hẹp cho trường hợp hệ quy chiếu có gia tốc, và kết quả của nó là thuyết tương đối rộng (general relativity). Dù được gọi là thuyết tương đối rộng, nhưng general relativity lại giải quyết một vấn đề hoàn toàn khác biệt là lực trọng trường (Gravity).
Rất hay và bổ ích ạ!
ReplyDelete