Thuyết tương đối hẹp, được Einstein xuất bản năm 1905 và là sự khái quát hóa quan trọng của một số giả thuyết trước đó, là một trong những giả thuyết gây tiếng vang và được thảo luận nhiều nhất trong vật lý.
Thật vậy, khó có thể tưởng tượng rằng khi một vật thể chuyển động với tốc độ gần bằng ánh sáng, các quá trình vật lý bắt đầu tiến hành theo một cách hoàn toàn khác thường: chiều dài giảm, khối lượng tăng và thời gian chậm lại. Ngay sau khi xuất bản, những nỗ lực bắt đầu làm mất uy tín của lý thuyết, điều này vẫn tiếp diễn cho đến ngày nay, mặc dù hơn một trăm năm đã trôi qua. Điều này không có gì đáng ngạc nhiên, vì câu hỏi về thời gian là gì từ lâu đã khiến nhân loại lo lắng và thu hút sự chú ý của mọi người.
Thuyết tương đối là gì
Bản chất của cơ học tương đối tính (nó cũng là lý thuyết tương đối hẹp, sau đây gọi tắt là SRT) và sự khác biệt của nó so với cơ học cổ điển được thể hiện một cách sinh động qua cách dịch trực tiếp tên của nó: tiếng Latinh relativus có nghĩa là "tương đối". SRT giả định tính chắc chắn của sự giãn nở thời gian đối với một vật thể khi nó di chuyển so với người quan sát.
Sự khác biệtcủa lý thuyết này, do Albert Einstein, đề xuất từ cơ học Newton và nằm ở chỗ, tất cả các quá trình đang diễn ra chỉ có thể được coi là tương đối với nhau hoặc đối với một số người quan sát bên ngoài. Trước khi mô tả sự giãn nở thời gian tương đối tính là gì, cần phải đi sâu vào câu hỏi về sự hình thành của lý thuyết và xác định lý do tại sao công thức của nó trở nên khả thi và thậm chí là bắt buộc.
Nguồn gốc của Thuyết Tương đối
Vào cuối thế kỷ 19, các nhà khoa học hiểu rằng một số dữ liệu thực nghiệm không phù hợp với bức tranh của thế giới dựa trên cơ học cổ điển.
Những mâu thuẫn cơ bản dẫn đến nỗ lực kết hợp cơ học Newton với phương trình Maxwell mô tả chuyển động của sóng điện từ trong môi trường chân không và môi trường liên tục. Người ta đã biết rằng ánh sáng chỉ là một làn sóng như vậy, và nó nên được xem xét trong khuôn khổ của điện động lực học, nhưng việc tranh luận với hình ảnh và quan trọng nhất là cơ học kiểm tra thời gian là một vấn đề cực kỳ khó khăn.
Tuy nhiên, sự mâu thuẫn đã quá rõ ràng. Giả sử rằng một chiếc đèn lồng được cố định ở phía trước của một đoàn tàu đang chuyển động, chúng sẽ tỏa sáng về phía trước. Theo Newton, tốc độ của xe lửa và ánh sáng phát ra từ đèn lồng phải cộng lại. Các phương trình Maxwell trong tình huống giả định này chỉ đơn giản là "bị vỡ". Cần có một cách tiếp cận hoàn toàn mới.
Thuyết Tương đối Đặc biệt
Sẽ không chính xác nếu tin rằng Einstein đã phát minh ra thuyết tương đối. Trên thực tế, ông đã tìm đến các công trình và giả thuyết của các nhà khoa học đã làm việc trước ông. Tuy nhiên, tác giả đã tiếp cậnmặt khác và thay vì cơ học Newton công nhận phương trình Maxwell là "đúng tiên nghiệm".
Ngoài nguyên lý tương đối nổi tiếng (trên thực tế, do Galileo đưa ra, tuy nhiên, trong khuôn khổ của cơ học cổ điển), cách tiếp cận này đã đưa Einstein đến một tuyên bố thú vị: tốc độ ánh sáng là không đổi trong mọi khung của thẩm quyền giải quyết. Và chính kết luận này cho phép chúng ta nói về khả năng thay đổi tiêu chuẩn thời gian khi vật thể chuyển động.
Hằng số của tốc độ ánh sáng
Có vẻ như tuyên bố "tốc độ ánh sáng là không đổi" không có gì đáng ngạc nhiên. Nhưng hãy thử tưởng tượng rằng bạn đang đứng yên và nhìn ánh sáng di chuyển ra xa bạn với một tốc độ cố định. Bạn đi theo chùm tia, nhưng nó vẫn tiếp tục di chuyển ra xa bạn với cùng một tốc độ. Hơn nữa, quay đầu và bay theo hướng ngược lại với chùm tia, bạn sẽ không thay đổi tốc độ khoảng cách của bạn với nhau theo bất kỳ cách nào!
Làm thế nào điều này có thể? Ở đây bắt đầu cuộc trò chuyện về tác động tương đối tính của sự giãn nở thời gian. Hấp dẫn? Sau đó, hãy đọc tiếp!
Sự giãn nở thời gian tương đối tính theo Einstein
Khi tốc độ của một vật thể tiếp cận với tốc độ ánh sáng, thời gian bên trong của vật thể được tính để chạy chậm lại. Nếu chúng ta giả sử rằng một người chuyển động song song với tia nắng với một tốc độ tương tự, thì thời gian đối với anh ta sẽ ngừng chạy. Có một công thức cho sự giãn nở thời gian tương đối tính, phản ánh mối quan hệ của nó với tốc độ của một vật.
Tuy nhiên, khi nghiên cứu vấn đề này, cần nhớ rằng không có vật thể có khối lượng nào về mặt lý thuyết có thể đạt tới tốc độ ánh sáng.
Nghịch lý liên quan đến thuyết
Thuyết tương đối hẹp là một công trình khoa học và không dễ hiểu. Tuy nhiên, sự quan tâm của công chúng đối với câu hỏi về thời gian thường xuyên làm nảy sinh những ý kiến cho rằng ở cấp độ hàng ngày dường như là những nghịch lý khó giải quyết. Ví dụ: ví dụ sau đây khiến hầu hết những người được giới thiệu về SRT không biết gì về vật lý đều cảm thấy bối rối.
Có hai chiếc máy bay, trong đó một chiếc bay thẳng, chiếc thứ hai cất cánh và mô tả một vòng cung với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng, đuổi kịp chiếc thứ nhất. Có thể dự đoán, hóa ra thời gian của thiết bị thứ hai (bay với tốc độ gần ánh sáng) trôi qua chậm hơn so với thiết bị đầu tiên. Tuy nhiên, theo định đề SRT, hệ quy chiếu của cả hai máy bay là bằng nhau. Điều này có nghĩa là thời gian có thể trôi qua chậm hơn cho cả thiết bị này và thiết bị kia. Có vẻ như đây là một ngõ cụt. Nhưng…
Giải quyết những nghịch lý
Trên thực tế, nguồn gốc của loại nghịch lý này là do sự hiểu lầm về cơ chế của lý thuyết. Có thể giải quyết mâu thuẫn này bằng một thử nghiệm suy đoán nổi tiếng.
Chúng tôi có một nhà kho với hai cửa tạo thành lối đi qua và một cột dài hơn chiều dài của nhà kho một chút. Nếu chúng ta kéo căng cột từ cửa này sang cửa khác, chúng sẽ không thể đóng lại hoặc đơn giản là chúng sẽ làm gãy cột của chúng ta. Nếu cây sào, bay vào chuồng,sẽ có tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng, chiều dài của nó sẽ giảm (hãy nhớ: một vật chuyển động với tốc độ ánh sáng sẽ có chiều dài bằng 0), và tại thời điểm nó ở bên trong chuồng, chúng ta có thể đóng và mở cửa mà không phá vỡ đạo cụ của chúng tôi.
Mặt khác, như trong ví dụ với máy bay, đó là chuồng sẽ giảm so với cực. Nghịch lý được lặp lại, và dường như không có lối thoát - cả hai vật thể đều bị giảm chiều dài một cách đồng bộ. Tuy nhiên, hãy nhớ rằng mọi thứ chỉ là tương đối và hãy giải quyết vấn đề bằng cách thay đổi thời gian.
Tính tương đối của tính đồng thời
Khi mép trước của sào ở phía trong, phía trước cửa trước, chúng ta có thể đóng và mở nó, và tại thời điểm khi cây sào bay hoàn toàn vào nhà kho, chúng ta cũng làm như vậy với mặt sau cửa. Có vẻ như chúng ta không làm điều đó cùng một lúc, và thí nghiệm đã thất bại, nhưng ở đây điều chính hóa ra: theo thuyết tương đối hẹp, thời điểm đóng của cả hai cánh cửa nằm ở cùng một điểm trên trục thời gian.
Điều này xảy ra bởi vì các sự kiện xảy ra đồng thời trong một hệ quy chiếu sẽ không đồng thời trong một hệ quy chiếu khác. Sự giãn nở thời gian tương đối tính được biểu hiện trong mối quan hệ của các đối tượng, và chúng ta quay trở lại sự khái quát hoàn toàn hàng ngày của lý thuyết Einstein: mọi thứ đều là tương đối.
Còn một chi tiết nữa: sự bình đẳng của các hệ quy chiếu có liên quan trong SRT, khi cả hai đối tượng chuyển động đồng nhất và tuyến tính. Ngay sau khi một trong các vật thể bắt đầu tăng tốc hoặc giảm tốc, hệ quy chiếu của nó trở thành duy nhấtcó thể.
Nghịch lý song sinh
Nghịch lý nổi tiếng nhất giải thích sự giãn nở thời gian tương đối tính "một cách đơn giản" là một thí nghiệm suy nghĩ với hai anh em sinh đôi. Một trong số chúng bay đi trên một con tàu vũ trụ với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng, trong khi chiếc còn lại vẫn ở trên mặt đất. Khi trở về, anh trai phi hành gia phát hiện ra rằng anh ấy đã già đi 10 tuổi, và anh trai anh ấy, người vẫn ở nhà, đã già đi khoảng 20.
Bức tranh tổng thể hẳn đã rõ ràng cho người đọc từ những giải thích trước đây: đối với người anh em trên phi thuyền, thời gian chậm lại vì tốc độ của anh ta gần bằng tốc độ ánh sáng; chúng ta không thể chấp nhận hệ quy chiếu so với hệ quy chiếu anh em trên mặt đất, vì hệ quy chiếu sẽ trở nên phi quán tính (chỉ một hệ quy chiếu anh em bị quá tải).
Tôi muốn lưu ý một điều khác: bất kể đối thủ đạt đến mức độ nào trong cuộc tranh chấp, thực tế vẫn là: thời gian theo giá trị tuyệt đối của nó vẫn không đổi. Bất kể người anh bay trên tàu vũ trụ bao nhiêu năm, anh ta sẽ tiếp tục già đi chính xác với tốc độ thời gian trôi qua trong hệ quy chiếu của anh ta, và người anh thứ hai sẽ già đi với cùng một tốc độ - sự khác biệt sẽ chỉ được tiết lộ khi họ gặp nhau, chứ không phải trong bất kỳ trường hợp nào khác.
Sự giãn nở thời gian trọng lực
Tóm lại, cần lưu ý rằng có một kiểu giãn nở thời gian thứ hai, đã gắn liền với thuyết tương đối rộng.
Ngay cả trong thế kỷ 18, Mitchell đã tiên đoán sự tồn tại của màu đỏdịch chuyển, có nghĩa là khi một vật chuyển động giữa các khu vực có lực hấp dẫn mạnh và yếu, thời gian đối với nó sẽ thay đổi. Bất chấp nỗ lực nghiên cứu vấn đề của Laplace và Zoldner, chỉ có Einstein trình bày một công trình chính thức về chủ đề này vào năm 1911.
Hiệu ứng này thú vị không kém so với sự giãn nở thời gian tương đối tính, nhưng nó đòi hỏi một nghiên cứu riêng biệt. Và đó, như họ nói, là một câu chuyện hoàn toàn khác.
