Thuyết tương đối hẹp của Einstein và hệ quả
Thuyết tương đối hẹp của Einstein
Theo thuyết tương đối đầu thế kỷ thứ 20 của Einstein,
một nhà vật lý người Mỹ gốc Đức (1879-1955) thì cách tính cộng tốc độ như trên
không đúng, khi các vật thể chuyển động nhanh gần bằng vận tốc ánh sáng (tốc độ
tương đối tính). Thí dụ một con tàu vũ trụ chuyển động với tốc độ lớn bằng 75%
tốc độ ánh sáng tức là 0,75c (tốc độ ánh sáng là 300.000 km/giây thường được gọi
là "c"), tuy tốc độ này không đạt được vì ngoài khả năng kỹ thuât hiện
đại. Nếu nhà du hành vũ trụ đi trong tàu với tốc độ 0,25c thì theo lý luạn
trên, một người quan sát từ trái đất cho rằng tốc độ của nhà du hành phải là
0,75c + 0,25c = c, tức là lớn bằng vận tốc ánh sáng. Về phương diện vật lý, kết
quả này thật phi lý vì không có vật nào chuyển nhanh bằng ánh sáng. Các hạt
photon (ánh sáng) không có khối lượng và tốc độ của chúng là giới hạn tuyệt đối
cho tốc độ của các vật thể. Trong trường hợp tốc độ lớn gần bằng tốc độ
ánh sáng, ta phải dùng định luật của nhà vật lý người Hà Lan Hendrik
Lorentz (1853-1928) và "thuyết tương đối hẹp" của Einstein
để tính tốc độ. Theo định luật này thì tốc đô của nhà du hành là 0,84c , tức là
thấp hơn tốc độ ánh sáng. Như vậy, trong trường hợp tốc độ chuyển động cao xấp
xỉ tốc độ ánh sáng thì 0,75c + 0,25c không bằng 1c mà chỉ bằng 0,84c .
Những nghịch lý của thuyết tương đối:
Những hiện tượng cơ học trong trường hợp tốc độ chuyển động
tương đối tính có nhiều nghịch lý. Điển hình là "nghịch lý anh em sinh
đôi", một người là A và một người là B sinh cùng một ngày. Anh A là
một nhà du hành vũ trụ, lái một con tàu vũ trụ bay tới thám hiểm sao
Alpha Centauri, một trong những ngôi sao gần Trái đất nhất, trong chòm sao
"Bán Nhân Mã" khoảng cách là 4 năm ánh sáng. Ánh sáng phát ra từ ngôi
sao này với tốc độ 300 000 km/s phải mất 4 năm mới tới chúng ta. Tàu vũ trụ của
anh A có tốc độ tuy cực lớn nhưng không thể bằng vận tốc ánh sáng. Thí dụ
tốc độ tàu bằng 75% tốc độ ánh sáng (0,75c = 225000km/s). Với tốc độ này, tàu
phải mất 5 năm 4 tháng mới tới đích. Anh A khi tới ngôi sao quay trở về ngay. Đối
với anh B đợi ở nhà thì sau 10 năm 8 tháng mới gặp lại anh A. Nhưng theo
đồng hồ anh A mang theo, thì cuộc hành trình khứ hồi của anh với tốc độ tương đối
tính chỉ mất 7 năm. Tức là anh B ở lại trên Trái đất già hơn anh A gần 4 tuổi !
Đồng hồ anh A dường như quay chậm hơn đồng hồ anh B, cứ mỗi giờ chậm 20 phút.
Nghịch lý "anh em sinh đôi" được giải thích bằng thuyét tương đối thu
hẹp của Einstein. Khi tốc độ chuyển vận cao gần bằng tốc độ ánh sáng thì khoảng
cách và thời gian hầu như "co" lại. Tốc độ của tàu vũ trụ càng lớn
thì trên tàu, đồng hồ càng chạy chậm và thời gian đo bằng đồng hồ càng ngắn đi.
Tuy nhiên, trường hợp tàu vũ trụ di chuyển với tốc độ tương tự tốc độ ánh sáng
hãy còn trong phạm vi khoa học viễn tưởng. ốc độ trung bình của vệ tinh nhân tạo
hiện nay chỉ là 8 km/s, rất thấp so với tốc độ ánh sáng. Sau một năm, đồng hồ
trên vệ tinh chỉ chậm 0,01 giây so với đồng hồ trên mặt đất. Nếu tàu vũ trụ của
anh A bay với tốc độ 8 km/s, thì phải mất 300 000 năm mới làm xong cuộc hành
trình khứ hồi tới sao Alpha Centauri. Lúc trở lại trái đất, anh A chỉ trẻ hơn
anh B có 50 phút, sau 300 nghìn năm xa cách. Nhưng trên thực tế, lúc đó hai anh
em sinh đôi không còn sống để so sánh tuổi!
Một thí dụ cụ thể của sự thay đổi tương đối của thời
gian là những hạt cơ bản "Muon" (1) của "tia vũ
trụ". Thành phần của tia vũ trụ gồm nhiều hạt cơ bản trong đó có muon,
poto (hạt nhân nguyên tử hydrogen) và các hạt nhân khác cùng electron. Những hạt
này được tạo ra trong giải Ngân hà bởi những vụ nổ sao mới và sao siêu mới. Khi
tia vũ trụ rơi xuống khí quyển Trái đất thì những hạt muon tự nhiên phân rã rất
nhanh trong vài phần triệu giây, nên chúng chỉ tập trung ở những tầng khí
quyển ở độ cao khoảng 10 km và không tới mặt đất được. Tuy nhiên trên thực tế
các hạt muon vũ trụ vẫn phát hiện được trong phòng thí nghiệm. Bởi
vì một số muon có vận tốc lớn, gần bằng tốc độ ánh sáng. Theo thuyết
tương đối của Einstein, thời gian sống biểu kiến của những hạt muon đối với người
dùng máy đo trong phòng thí nghiệm, tăng lên như trong "nghịch
lý anh em sinh đôi". Vì vậy các hạt này có đủ thì giờ tới được mặt đất
trước khi bị phân rã.
Quỹ đạo các hành tinh được xác định bằng định luật Newton. Định
luật này, tuy dùng hơn 200 năm trong cơ học, nhưng đã được chứng
minh bởi nhà bác học Einstein năm 1905 là không chính xác trong trường hợp vật
thể chuyển động nhanh gần bằng vận tốc ánh sáng. Tuy nhiên sự tăng của khối
lượng không đáng kể trong những trường hợp tốc độ thông thường, cho nên định luật
Newton vẫn áp dụng được. Khối lượng của một tàu vũ trụ chuyển động trên không
trung với tốc độ 8 km/s chỉ tăng 3 phần 10 tỉ (0,0 000 000 003) so với khối
lượng lúc tàu đứng yên tại chỗ (khối lượng nghĩ) trước khi được phóng. Sự
gia tăng này rất nhỏ không thể đo được. Chĩ trong trường hợp tàu vũ trụ
bay với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng thì khối lượng của nó mới được tăng
đáng kể. Thí dụ tốc độ tàu bằng 75% tốc độ ánh sáng thì khối lượng tăng lên 1,5
lần so với khối lượng nghỉ. Những electron tương đối tính quan sát thấy trong
những máy gia tốc synchrotron dùng trong ngành vật lý hạt nhân có tốc
độ bằng 99,9999875 phần trăm tốc đô ánh sáng. Lúc đó khối lượng electron
tăng gấp 2000 lần so với khối lượng nghỉ của electron. Sự tăng khối lượng
của một vật có thể quy ra thành năng lượng, theo công thức rất phổ biến E
= mc² của thuyết tương đối Einstein (E là năng lượng, m là khối lượng, c
là tốc độ ánh sáng).
|
(1)
|
||||||||||||||||||||||||||||||
(Trích
bài Các hạt sơ cấp)
Nguyễn Quang Riệu
Theo http://vietsciences2.free.fr/
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét