Hỏi đáp về lý thuyết tương đối

[caothutrungky]

Hỏi đáp về lý thuyết tương đối​

Lý thuyết tương đối đã làm đảo lộn hoàn toàn vật lý của thế kỷ XX. Nó nổi tiếng là khó, nhất là các kết quả của nó rất khó chấp nhận vì trái ngược với trực giác. Tuy nhiên, các định đề của lý thuyết tương đối lại rất đơn giản và cơ sở toán học của nó lại hoàn toàn là sơ cấp. "Vật lý Ngày nay" giới thiệu với bạn đọc cách trình bày theo kiểu hỏi đáp về lý thuyết tương đối hẹp (đăng ở "La Recherche" tháng 5-2002). Ðây là cách viết phổ biến của nhà báo khoa học Elisa Brune hợp tác với nhà vật lý Philippe Mergny ở Trung tâm bồi dưỡng thường xuyên giáo viên.
1. Từ đâu nảy sinh ý tưởng về tính tương đối ?

Trong xe lửa, máy bay (lúc không rung, không xóc, không tăng), khi ta đi lại, rót nước vào cốc v.v..., thì mọi việc xảy ra dường như xe lửa máy bay đứng yên.

Galilée, ngay đầu thế kỷ XVII cũng đã đề xuất ý tưởng: chuyển động là một khái niệm tương đối. Ông nói: "Nếu ta làm các thí nghiệm cơ học trong một con tàu chuyển động đều theo đường thẳng, thì ta không thể phát hiện chuyển động của con tàu. Cũng ở thế kỷ XVII, Isaac Newton khẳng định rằng, nếu một vật không chịu một lực nào thì vật sẽ đứng yên hoặc tiếp tục chuyển động thẳng với vận tốc không đổi. Ðó là nguyên lý "quán tính". Nguyên lý này không áp dụng cho mọi hệ quy chiếu, vì trên vòng đu quay, trong một chiếc xe đang quay hay hãm lại, thì các vật bị lệch hướng. Do đó, ta gọi "hệ quán tính" là mọi hệ quy chiếu trong đó nguyên lý quán tính được nghiệm đúng. Vậy Trái Ðất có phải là một hệ quán tính không? Không ! Vì nó đang quay, nhưng nó quay chậm (1 vòng/ngày) đến mức ta coi nó như một hệ quán tính trong đời sống hàng ngày. Vậy liệu có tồn tại một hệ quán tính hoàn toàn không ? Newton cho rằng có ! Ông nêu lên định đề về sự tồn tại của một "không gian tuyệt đối" đứng yên. Các hệ chuyển động thẳng, đều (vận tốc không đổi) so với nó, cũng là hệ quán tính. Các định luật cơ học đều được nghiệm đúng trong đó. Newton cũng cho rằng thời gian là tuyệt đối và trôi chảy đều đặn tại mọi điểm trong không gian. Theo Newton, thì không một thí nghiệm cơ học nào có thể cho phép phát hiện một hệ quán tính đang chuyển động hay đứng yên so với không gian tuyệt đối. Ðó là "nguyên lý tương đối Galilée".

2. Chuyển động của ánh sáng phải chăng là chuyển động tương đối ?

Galilée cho rằng ánh sáng chuyển động với vận tốc hữu hạn, nhưng ông thất bại trong việc đo vận tốc ánh sáng và chỉ kết luận rằng vận tốc này rất lớn. Với những kỹ thuật thích hợp ở thế kỷ XIX, người ta thu được giá trị gần 300.000 km trong một giây. Vấn đề này gần như được giải quyết, thì một vấn đề khác lại nổi lên: ánh sáng có bản chất sóng hay hạt ? Thí nghiệm của Fizeau và Foucault cho thấy ánh sáng ánh sáng bị chậm lại khi đi trong nước: như thế có nghĩa ánh sáng là sóng. Nhưng ở thời kỳ đó, người ta nói sóng là nói môi trường truyền sóng. Thật vậy, các sóng đã biết lúc đó, được lan truyền dần dần bởi sự biến dạng của môi trường xung quanh (không khí, nước...). Vậy môi trường nào cho phép ánh sáng từ Mặt Trời và các vì sao truyền tới Trái Ðất? Người ta gọi đó là "ête" mà không hiểu biết gì về nó cả.

Năm 1880, nhà vật lý Mỹ Michelson muốn thể hiện sự di chuyển của Trái Ðất trong ête. Trước đó, người ta cho rằng vận tốc ánh sáng không giống nhau khi đo theo chiều chuyển động của Trái Ðất và theo chiều ngược lại. Thật vậy, Trái Ðất, trên quỹ đạo của mình, sẽ rượt đuổi ánh sáng theo một chiều và dời xa nó theo chiều ngược lại. Vậy là, ta phải tìm được một độ chênh lệch 30km/giây khi so sánh hai vận tốc đo đó. Thiết bị do Michelson sáng chế có lẽ có thể phát hiện sự sai khác đó. Nhưng thật bất ngờ: không hề có bất kỳ một sự biến đổi nào trong vận tốc ánh sáng. Mọi việc xảy ra dường như Trái Ðất bao giờ cũng đứng yên trong môi trường ête. Trong suốt 25 năm ròng, các nhà vật lý bền bỉ đi tìm hiểu kết quả gây rối rắm đó.

3. Ý TƯỞNG của Einstein là gì ?

Mãi đến năm 1905, Einstein, ngoài giờ làm việc tại văn phòng cấp bằng chứng nhận sáng chế Thụy Sĩ ở Berne, đã viết 4 bài báo gây dư luận sóng gió trong giới khoa học khi gửi đăng trên tạp chí khoa học Ðức "Annalen der Physik". Trong bài thứ tư, ông đã trình bày nội dung mà ngày nay ta gọi là lý thuyết tương đối hẹp. Xuất phát từ "những thử nghiệm không thành công nhằm phát hiện chuyển động của Trái Ðất trong ête", Einstein đưa ra gợi ý là "không tồn tại sự bất động tuyệt đối". Sau đó, ông nêu ra hai định đề cơ bản để xây dựng lý thuyết của mình:

1) Các định luật vật lý là như nhau trong mọi hệ quy chiếu quán tính. Do vậy, ta không thể nhận thấy trạng thái chuyển động của một hệ quán tính bằng cách tiến hành các thí nghiệm trong hệ đó vì các kết quả thí nghiệm bao giờ cũng tương đương nhau. Ðây là nguyên lý tương đối tính. Nó gợi lại nguyên lý tương đối của Galilée, nhưng được áp dụng rộng rãi hơn cho tất cả các hiện tượng vật lý.

2) Vận tốc ánh sáng trong chân không, không phụ thuộc chuyển động của nguồn sáng.

Bất kỳ phép đo nào được tiến hành trong bất cứ hệ quy chiếu quán tính nào, bao giờ cũng cho cùng một giá trị vận tốc (ánh sáng trong chân không) ký hiệu là c. Các phép đo hiện đại cho ta c 299.793km/giây.

Kết quả khó hiểu của thí nghiệm Michelson thuộc về nguyên tắc. Einstein đã chứng tỏ rằng chính quan niệm của chúng ta về không gian và thời gian là nguyên nhân gây ra sự khó hiểu này.

Nếu ta cố gắng duy trì hai nguyên lý của lý thuyết tương đối hẹp trong mọi lập luận, thì tuyệt nhiên không có một mâu thuẫn toán học nào. Trái lại, các khái niệm như thời gian, chiều dài, tính đồng thời đều phải được định nghĩa lại hoàn toàn. Không gian tuyệt đối và thời gian tuyệt đối của Newton không tồn tại, vì Einstein đã chứng minh rằng hai khái niệm đó không có bất kỳ một thực tế vật lý nào.

4. Trong các định đề của Einstein có điều gì là nghịch lý ?

Cả hai hệ quả đầu tiên của các định đề Einstein đều trái ngược với trực giác:

1) Không thể di chuyển nhanh hơn ánh sáng

Hãy tưởng tượng bạn đang ở một con tàu vũ trụ phát ra một tia sáng hướng về phía trước. Bạn thấy tia sáng này dời xa bạn với vận tốc c. Một người ngồi trên một con tàu vũ trụ khác nhìn thấy bạn đi qua. Người này đo vận tốc tia sáng và cũng thu được giá trị c. Anh ta kết luận: tàu của bạn đi chậm hơn ánh sáng.

2) Tính đồng thời cũng tương đối

Bạn vẫn ngồi trong con tàu vũ trụ của mình và thắp sáng một bóng đèn ở chính trung tâm buồng lái. Vì ánh sáng chuyển động với cùng vận tốc như nhau theo khắp mọi hướng, nên bạn thấy ánh sáng đồng thời đập tới các vách trong buồng lái một cách hết sức chính xác. Nhưng người quan sát bên ngoài lại không đồng tình với bạn; vì con tàu của bạn tiến về phía trước nên quãng đường ánh sáng đi tới vách sau ngắn hơn so với quãng đường ánh sáng đi tới vách trước; vậy ánh sáng tới vách sau nhanh hơn. Kết luận: hai biến cố đồng thời trong hệ này, sẽ không đồng thời trong hệ khác.

Theo Einstein, từ "đồng thời" không có ý nghĩa tuyệt đối. Trước khi sử dụng từ này, bao giờ ta cũng phải xác định rõ là ta đang ở trong hệ quy chiếu nào ? (trong ví dụ trên là con tàu vũ trụ nào?).

Ta nhấn mạnh vào nghịch lý: Tính không thay đổi của vận tốc ánh sáng hàm ý là sau một giây, các sóng sáng đã cách xa mỗi người quan sát 299.793km, trong khi các người quan sát lại không ở cùng một chỗ ! Chỉ có một lời giải thích khả dĩ là: các số đo thời gian và không gian đã bị chuyển động làm sai lệch.

5. Tại sao nói thời gian giãn dài ra ?

Ta hình dung một đồng hồ lý tưởng chạy hoàn toàn đều đặn. Ví dụ có một đồng hồ ánh sáng: hai gương phẳng đặt đối diện nhau. Có một xung ánh sáng gửi tới một gương được phản xạ lại trên gương kia, và cứ thế tiếp tục phản xạ qua lại giữa hai gương. Các tiếng đập đều đặn, tiếng tích tắc lý tưởng cho ta số đo thời gian.

Ta đưa hai đồng hồ ánh sáng giống hệt nhau lên hai con tàu vũ trụ chuyển động thẳng đều đối với nhau. Ta đặt hai đồng hồ sao cho các gương song song với chiều chuyển động. Giả sử bạn ở trên con tàu 1, còn tôi ở trên con tàu 2, và xét theo quan điểm của bạn, ở thời điểm tôi đi qua bạn, thì ánh sáng đều phát ra từ gương dưới của cả hai đồng hồ. Một lúc sau, bạn thấy cả hai chùm sóng đều đi qua cùng một khoảng cách.

Ðối với bạn, thì ánh sáng của đồng hồ bạn đã tới được gương hai, trong khi ánh sáng của đồng hồ tôi chưa tới được gương 2 của nó, vì lúc đó con tàu của tôi đã đến phía trước và đối với bạn, dường như tiếng gõ tic-tac chậm lại: thời gian của một hệ mà người ta thấy đang chuyển động dường như trôi chảy chậm hơn thời gian của hệ mà người ta đang ở đó.

Qua nhận xét trên, ta thấy quan niệm về thời gian của chúng ta đã bị đảo lộn. Chưa hết ! Nếu ta lại lập luận như trên, nhưng là tôi quan sát đồng hồ của bạn và con tàu của bạn chạy xa con tàu của tôi, thì tôi cũng sẽ có cảm giác là đồng hồ của bạn chạy chậm lại.

ỞGIỚI HẠN, NẾU chúng ta quan sát một con tàu chuyển động với vận tốc dần tới vận tốc ánh sáng, thì ta thấy đồng hồ trên tàu đó sẽ tiến tới sự ngừng chạy, trong khi chính những hành khách trên con tàu đó lại nhìn thấy đồng hồ của chúng ta cũng có khuynh hướng dừng lại. Còn nếu ta xem đồng hồ trên tàu của chính mình thì thấy thời gian có vẻ vẫn trôi chảy như thường lệ, không có gì khác lạ.

(còn nữa)

Theo Vật Lý Sư Phạm