Giải thích thuyết tương đối – Thuyết tương đối hẹp cho rằng không gian và thời gian có mối liên hệ chặt chẽ với nhau, thuyết tương đối rộng thừa nhận sự tồn tại của lực hấp dẫn.
Khi lý thuyết tương đối xuất hiện vào đầu những năm 1900, nó đã phá hủy hàng thế kỷ của khoa học và mang lại cho các nhà vật lý một hiểu biết mới về không gian và thời gian. Isaac Newton coi không gian và thời gian là cố định, nhưng trong bức tranh mới được cung cấp bởi thuyết tương đối hẹp và thuyết tương đối rộng, chúng linh hoạt và dễ uốn.
Ai đã nghĩ ra thuyết tương đối?
Albert Einstein. Ông đã xuất bản phần đầu tiên của thuyết tương đối – thuyết tương đối hẹp – trên tạp chí vật lý Đức Annalen der Physik vào năm 1905 và hoàn thành lý thuyết tương đối rộng chỉ sau một thập kỷ làm việc vất vả. Ông đã trình bày lý thuyết thứ hai trong một loạt các bài giảng ở Berlin vào cuối năm 1915 và được xuất bản trên tạp chí Annalen vào năm 1916.
Thuyết tương đối hẹp là gì?
Lý thuyết dựa trên hai khái niệm chính.
Thứ nhất, thế giới tự nhiên không cho phép các hệ quy chiếu “đặc quyền”. Miễn là một vật chuyển động trên một đường thẳng với tốc độ không đổi (nghĩa là không có gia tốc), thì với mọi người các định luật vật lý là giống nhau. Nó giống như khi bạn nhìn ra cửa sổ xe lửa và thấy một đoàn tàu kế cận dường như đang di chuyển – nhưng nó đang di chuyển hay là bạn? Khó có thể nói được. Einstein nhận ra rằng nếu chuyển động là hoàn toàn đồng đều thì không thể phân biệt được – và xác định đây là nguyên lý trung tâm của vật lý.
Thứ hai, ánh sáng truyền đi với tốc độ không thay đổi là 186.000 dặm một giây. Bất kể một người quan sát đang di chuyển với tốc độ như thế nào hoặc một vật phát sáng đang chuyển động với tốc độ như thế nào, phép đo tốc độ ánh sáng luôn cho kết quả giống nhau.
Bắt đầu từ hai định đề này, Einstein đã chỉ ra rằng không gian và thời gian gắn liền với nhau theo những cách mà các nhà khoa học trước đây chưa từng nhận ra. Thông qua một loạt các thí nghiệm tư duy, Einstein đã chứng minh rằng hệ quả của thuyết tương đối hẹp thường phản trực giác – thậm chí là đáng kinh ngạc.
Ví dụ: nếu bạn đang phóng to trong một tên lửa và vượt qua một người bạn trong một tên lửa giống hệt nhưng di chuyển chậm hơn, bạn sẽ thấy rằng đồng hồ của người bạn đó chạy chậm hơn đồng hồ của bạn (các nhà vật lý gọi đây là “sự giãn nở thời gian”).
Hơn nữa, tên lửa của người bạn sẽ có vẻ ngắn hơn tên lửa của bạn. Nếu tên lửa của bạn tăng tốc, khối lượng của bạn và của tên lửa sẽ tăng lên. Bạn càng đi nhanh, mọi thứ càng trở nên nặng hơn và tên lửa của bạn sẽ chống lại nỗ lực làm cho nó đi nhanh hơn. Einstein đã chỉ ra rằng không có vật gì có khối lượng có thể đạt tới tốc độ ánh sáng.
Một hệ quả khác của thuyết tương đối hẹp là vật chất và năng lượng có thể hoán đổi cho nhau thông qua phương trình nổi tiếng E = mc² (trong đó E là viết tắt của năng lượng, m là khối lượng và c² là tốc độ ánh sáng nhân với chính nó). Bởi vì tốc độ ánh sáng là một con số lớn như vậy, ngay cả một lượng nhỏ khối lượng cũng tương đương – và có thể được chuyển đổi thành – một lượng năng lượng rất lớn. Đó là lý do tại sao bom nguyên tử và bom khinh khí lại mạnh đến vậy.
Một hệ quả khác của thuyết tương đối hẹp là vật chất và năng lượng có thể hoán đổi cho nhau thông qua phương trình nổi tiếng E = mc² (trong đó E là viết tắt của năng lượng, m là khối lượng và c² là tốc độ ánh sáng nhân với chính nó). Bởi vì tốc độ ánh sáng là một con số lớn như vậy, ngay cả một lượng nhỏ khối lượng cũng tương đương – và có thể được chuyển đổi thành – một lượng năng lượng rất lớn. Đó là lý do tại sao bom nguyên tử và bom khinh khí lại mạnh đến vậy.
Thuyết tương đối rộng là gì?
Về cơ bản, đó là một lý thuyết về lực hấp dẫn. Ý tưởng cơ bản là thay vì là một lực vô hình thu hút các vật thể vào nhau, lực hấp dẫn là một lực làm cong hoặc vênh của không gian. Một vật thể càng lớn, nó càng làm cong không gian xung quanh nó.
Ví dụ, mặt trời đủ lớn để làm cong không gian trên khắp hệ mặt trời của chúng ta – giống như cách một quả bóng nặng đặt trên tấm cao su làm cong tấm này. Kết quả là, Trái đất và các hành tinh khác chuyển động theo những đường cong (quỹ đạo) xung quanh nó.
Sự cong vênh này cũng ảnh hưởng đến các phép đo thời gian. Chúng ta có xu hướng nghĩ thời gian trôi đi với tốc độ ổn định. Nhưng cũng giống như lực hấp dẫn có thể kéo dài hoặc làm cong không gian, nó cũng có thể làm giãn nở thời gian. Nếu bạn của bạn leo lên đỉnh núi, bạn sẽ thấy đồng hồ của anh ấy tích tắc nhanh hơn đồng hồ của bạn; một người bạn khác, ở dưới cùng của một thung lũng, sẽ có đồng hồ tích tắc chậm hơn, vì sự khác biệt về độ mạnh của trọng lực ở mỗi nơi. Các thí nghiệm sau đó đã chứng minh rằng điều này thực sự xảy ra.
Thuyết tương đối trông như thế nào?
Thuyết tương đối hẹp cuối cùng là một tập hợp các phương trình liên hệ cách nhìn của mọi thứ trong một hệ quy chiếu với cách chúng nhìn trong một hệ quy chiếu khác – sự kéo dài của thời gian và không gian, và sự gia tăng khối lượng. Các phương trình không liên quan gì phức tạp hơn toán học phổ thông.
Thuyết tương đối rộng phức tạp hơn. “Phương trình trường” của nó mô tả mối quan hệ giữa khối lượng và độ cong của không gian và sự giãn nở của thời gian, và thường được giảng dạy trong các khóa học vật lý đại học ở trình độ sau đại học.
Kiểm định thuyết tương đối rộng và hẹp
Trong thế kỷ qua, nhiều thí nghiệm đã xác nhận tính đúng đắn của cả thuyết tương đối hẹp và thuyết tương đối rộng. Trong thử nghiệm lớn đầu tiên của thuyết tương đối rộng, các nhà thiên văn học vào năm 1919 đã đo độ lệch của ánh sáng từ các ngôi sao ở xa khi ánh sáng của ngôi sao đi ngang qua mặt trời của chúng ta, chứng minh rằng lực hấp dẫn trên thực tế làm sai lệch hoặc làm cong không gian.
