Thuyết tương đối là gì?

Thuyết tương đối là gì? Lý thuyết uốn cong của Einstein đã giải thích:
Làm sao những ý tưởng của chúng ta về không gian và thời gian
đã thay đổi.

Khi lý thuyết tương đối xuất hiện vào đầu những năm 1900, nó đã nâng cao lên hàng thế kỷ của khoa học và mang đến cho các nhà vật lý một sự hiểu biết mới về không gian và thời gian. Isaac Newton thấy không gian và thời gian là cố định, nhưng trong bức tranh mới được cung cấp bởi thuyết tương đối đặc biệt và thuyết tương đối rộng, chúng rất lỏng và dễ uốn.

Ai đã đưa ra lý thuyết tương đối?

Albert Einstein. Ông đã xuất bản phần đầu của lý thuyết – thuyết tương đối đặc biệt – trong 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 khó khăn. Ông đã trình bày lý thuyết sau này trong một loạt các bài giảng ở Berlin vào cuối năm 1915 và được xuất bản ở Annalen năm 1916.

Thuyết tương đối đặc biệt là gì?

Lý thuyết dựa trên hai khái niệm chính.
Thứ nhất:
Trong thế giới tự nhiên không có khung tham chiếu ưu tiên. Khi một vật thể đang chuyển động trên một đường thẳng với tốc độ không đổi (nghĩa là không có gia tốc), các định luật vật lý đều như nhau đối với mọi người. Nó giống như khi bạn nhìn ra cửa sổ xe lửa và thấy một đoàn tàu bên hông dường như di chuyển – nhưng nó đang di chuyển, hay bạn? Thật khó nói. Einstein nhận ra rằng nếu chuyển động hoàn toàn đều thì theo nghĩa đen là không thể nói – và xác định đây là một nguyên tắc trung tâm của vật lý.
Thứ hai:
Ánh sáng di chuyển với tốc độ không thay đổi của 186.000 dặm một giây. Cho dù người quan sát đang di chuyển nhanh như thế nào hoặc một vật phát sáng đang di chuyển nhanh như thế nào, các phép đo tốc độ ánh sáng luôn mang lại kết quả tương tự.

Bắt đầu từ hai định đề này, Einstein đã chỉ ra rằng không gian và thời gian đan xen theo những cách mà các nhà khoa học chưa từng nhận ra trước đây. Thông qua một loạt các thí nghiệm chỉ bằng tư tưởng, Einstein đã chứng minh rằng hệ quả của thuyết tương đối đặc biệt thường phản trực giác – thậm chí gây sửng sốt.

Ví dụ, nếu bạn  đang ở trong một hoả tiển và vượt qua một người bạn trong một hoả tiền khác giống hệt nhưng di chuyển chậm hơn, thì bạn sẽ thấy rằng đồng hồ bạn của bạn đang chậm hơn so với bạn (các nhà vật lý gọi đây là “sự giãn nở thời gian”).

Còn gì nữa, hoả tiễn của người bạn sẽ xuất hiện ngắn hơn hoả tiển bạn. Nếu hoả tiễn bạn tăng tốc, khối lượng bạn và hoả tiễn bạn sẽ tăng lên. Bạn càng đi nhanh, mọi thứ càng trở nên nặng nề và hoả tiễn bạn sẽ chống lại mọi nỗ lực bạn làm cho hoả tiễn đi nhanh hơn. Einstein đã chỉ ra rằng không có gì có khối lượng có thể đạt tới tốc độ ánh sáng.

Một hệ quả khác của thuyết tương đối đặc biệt 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 cho khối lượng và c² tốc độ ánh sáng nhân với chính nó). Bởi vì tốc độ ánh sáng là một con số lớn như vậy, thậm chí một khối lượng nhỏ sẽ
tương đương với – và có thể được chuyển đổi thành – một lượng năng lượng rất lớn. Đó là lý do tại sao bom nguyên tử và hydro rất mạnh.

Thuyết tương đối rộng là gì?

Về cơ bản, nó là một lý thuyết về trọng lực. Ý tưởng cơ bản là thay vì là một lực vô hình thu hút các vật thể với nhau, trọng lực là một đường cong hoặc cong vênh của không gian. Một vật thể càng nặng nó càng làm cong không gian xung quanh nó.

Ví dụ, mặt trời đủ lớn để làm cong không gian trên hệ mặt trời của chúng ta – giống như cách một quả bóng nặng nằm trên một tấm cao su làm cong tấm cao su đó. Kết quả là Trái đất và các hành tinh khác di chuyển 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 về thời gian như tích tắc ở mức ổn định. Nhưng giống như trọng lực có thể kéo dài hoặc làm cong không gian, nó cũng có thể làm giãn thời gian. Nếu bạn của bạn leo lên đỉnh núi, bạn sẽ thấy đồng hồ của anh ấy chạy nhanh hơn so với của bạn; một người bạn khác, ở dưới cùng của một thung lũng, sẽ có một chiếc đồng hồ tích tắc chậm hơn, đó là vì sự khác biệt về sức 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 là gì?

Thuyết tương đối đặc biệt cuối cùng là một tập hợp các phương trình liên quan đến cách nhìn mọi thứ trong một khung tham chiếu từ một khung tham chiếu khác – cho thấy sự giản nở
thời gian không gian, và tăng khối lượng. Các phương trình liên quan đến không có gì phức tạp hơn toán học trung học.

Thuyết tương đối rộng thì phức tạp hơn. Gồm các phương trình trường mô tả mối quan hệ giữa khối lượng độ cong của không gian và sự giãn nở của thời gian, thường được dạy trong các khóa học vật lý đại học cấp sau bậc cử nhân.

Các thử nghiệm của thuyết tương đối đặc biệt và tổng quát

Trong thế kỷ qua, nhiều thí nghiệm đã xác nhận sự chính xác
của thuyết tương đối đặc biệt và tổng quát. Trong thử nghiệm lớn đầu tiên về thuyết tương đối rộng, các nhà thiên văn học năm 1919 đã đo độ lệch của ánh sáng từ các ngôi sao xa xôi khi ánh sáng sao qua mặt trời, chứng minh rằng trên thực tế, lực hấp dẫn làm biến dạng hoặc làm cong không gian.

Năm 1971, các nhà khoa học đã thử nghiệm cả hai phần của lý thuyết Einstein bằng cách đặt đồng hồ nguyên tử được đồng bộ hóa chính xác trong máy bay và bay vòng quanh thế giới. Kiểm tra đồng hồ sau khi máy bay hạ cánh cho thấy đồng hồ trên máy bay đang chạy chậm hơn một chút (chưa đến một phần triệu giây) so với đồng hồ trên mặt đất.

Sự chênh lệch xuất phát từ tốc độ của các máy bay (hiệu ứng thuyết tương đối đặc biệt) và khoảng cách lớn hơn của chúng so với tâm của trường hấp dẫn Trái đất (hiệu ứng thuyết tương đối tổng quát).

Năm 2016, việc phát hiện ra sóng hấp dẫn – những gợn sóng li ti
trong kết cấu của không thời gian – là một xác nhận khác về thuyết tương đối rộng.

Thuyết tương đối trong thực tiễn

Trong khi những ý tưởng đằng sau thuyết tương đối có vẻ bí truyền, thì lý thuyết này đã có tác động rất lớn đến thế giới hiện đại.

Các nhà máy điện hạt nhân và vũ khí hạt nhân, chẳng hạn, sẽ không thể phát hiện nếu không có kiến ​​thức rằng vật chất có thể biến thành năng lượng. Và mạng lưới vệ tinh GPS (hệ thống định vị toàn cầu) cần dùng đến các hiệu ứng tinh tế của cả thuyết tương đối đặc biệt và tổng quát; nếu không, những kết quả sẽ sai đi vài dặm.

Dan Falk
NBCNEWS

Bài đọc thêm:

Thuyết Tương Đối