Nêu tầm quan trọng của thuyết tương đối ứng dụng của nó trong khoa học và đời sống

Thuyết tương đối miêu tả cấu trúc của không gian và thời gian trong một thực thể thống nhất là không thời gian cũng như giải thích bản chất của lực hấp dẫn là do sự uốn cong của không thời gian bởi vật chất và năng lượng. Nó có ý nghĩa vô cùng quan trọng trong những dự án nghiên cứu khoa học và khám phá vũ trụ của con người. Trong bài học hôm nay, Toploigiai sẽ cùng bạn đến với câu hỏi nêu tầm quan trọng của thuyết tương đối ứng dụng của nó trong khoa học và đời sống để tìm hiểu rõ hơn.

1. Khái niệm thuyết tương đối

Thuyết tương đối miêu tả cấu trúc của không gian và thời gian trong một thực thể thống nhất là không thời gian cũng như giải thích bản chất của lực hấp dẫn là do sự uốn cong của không thời gian bởi vật chất và năng lượng. Thuyết tương đối gồm hai lý thuyết vật lý do Albert Einstein phát triển, với thuyết tương đối đặc biệt công bố vào năm 1905 và thuyết tương đối tổng quát công bố vào cuối năm 1915 và đầu năm 1916. Thuyết tương đối hẹp miêu tả hành xử của không gian và thời gian và những hiện tượng liên quan từ những quan sát viên chuyển động đều tương đối với nhau. Thuyết tương đối rộng tổng quát các hệ quy chiếu quán tính sang hệ quy chiếu chuyển động có gia tốc và bao gồm lực hấp dẫn giữa các khối lượng với nhau.

>>> Tham khảo: Ý nghĩa của thuyết tương đối?

2. Tầm quan trọng của thuyết tương đối

Thuyết tương đối làm nên cuộc cách mạng về sự hiểu biết không gian và thời gian cũng như những hiện tượng liên quan mà vượt xa khỏi những ý tưởng và quan sát trực giác. Những hiện tượng này đã được miêu tả bằng những phương trình toán học chính xác và xác nhận đúng đắn bằng thực nghiệm. Khi được phát minh, thuyết tương đối chứa đựng lý thuyết cơ học cổ điển của Isaac Newton có từ hơn 200 năm trước như là một trường hợp giới hạn của nó.Và do đó, thuyết tương đối cũng thỏa mãn nguyên lý tương ứng.

Mô hình chuẩn của vật lý hạt mô tả bằng lý thuyết trường lượng tử, lý thuyết thống nhất giữa thuyết tương đối hẹp và cơ học lượng tử. Với thuyết tương đối, ngành vũ trụ học và vật lý thiên văn đã tiên đoán và quan sát thấy những hiện tượng thiên văn học kỳ lạ bao gồm sao neutron, lỗ đen, sóng hấp dẫn, thấu kính hấp dẫn...

Thuyết tương đối tổng quát cùng với vật lý lượng tử là hai trụ cột chính yếu của vật lý hiện đại. Hiện nay, các nhà vật lý đang nỗ lực thống nhất hai lý thuyết này trong một thuyết gọi là Lý thuyết vạn vật (Theory of Everything). Mặc dù có nhiều bước tiến với những mô hình khác nhau, song nỗ lực thống nhất hai lý thuyết vẫn là một trong những thử thách lớn nhất của ngành nghiên cứu vật lý cơ bản.

3. Ứng dụng của nó trong khoa học và đời sống

a. Hệ thống định vị toàn cầu

Để hệ thống dẫn đường GPS trong xe hơi của bạn hoạt động đúng, các vệ tinh phải xét đến các hiệu ứng tương đối tính. Đây là bởi vì mặc dù các vệ tinh không chuyển động gần bằng tốc độ ánh sáng, nhưng chúng vẫn chuyển động khá nhanh. Các vệ tinh còn gửi tín hiệu đến các trạm thu mặt đất. Các trạm này (và đơn vị GPS trong xe bạn) đều đang chịu gia tốc trọng trường cao hơn so với vệ tinh trên quỹ đạo.

Để có độ chuẩn xác như thế, các vệ tinh sử dụng các đồng hồ chính xác đến vài phần tỉ của một giây (nano giây). Vì mỗi vệ tinh ở cách Trái đất khoảng 20.300 km và chuyển động khoảng 10.000 km/h, nên có sự dãn nở thời gian tương đối tính chừng 4 micro giây mỗi ngày. Tính luôn các hiệu ứng hấp dẫn thì con số đó vào khoảng 7 micro giây. Tức là 7.000 nano giây.

b. Nam châm điện

Từ tính là một tác động của tính tương đối. Nếu bạn sử dụng điện, bạn có thể hiểu tại sao máy phát điện nhờ tính chất tương đối.

Nếu bạn lấy một cuộn dây và đưa nó qua một từ trường, bạn sẽ tạo ra một dòng điện. Các phần tử tích điện trong dây bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi của từ trường, buộc một số phần tử tích điện chuyển động và tạo ra dòng điện.

Thomas Moore, Giáo sư vật lý học tại trường Đại học Pomona (Mỹ), sử dụng nguyên lý của thuyết tương đối để giải thích tại sao định luật Faraday, cho rằng sự thay đổi từ trường tạo ra dòng điện, là hoàn toàn chính xác.

Nam châm điện cũng hoạt động thông qua tính chất tương đối. Khi một dòng điện trực tiếp di chuyển qua cuộn dây, các điện tử di chuyển qua vật liệu. Ban đầu, cuộn dây là vật liệu mang phần tử điện trung tính. Nhưng khi bạn đưa nó cạnh một cuộn dây chứa dòng điện trực tiếp, các cuộn dây sẽ hút hoặc đẩy nhau, tùy thuộc vào hướng dòng điện chuyển động.

Trong trường hợp các dòng điện đang di chuyển cùng chiều, các điện tử trong cuộn dây đầu tiên sẽ thấy các điện tử trong cuộn dây thứ hai đứng im vì hai dòng điện cùng sức mạnh. Trong khi đó, dòng điện di chuyển ngược chiều sẽ hút nhau, bởi vì điện tử ở cuộn dây thứ nhất coi các điện tử ở cuộn dây thứ hai đông đúc hơn, tạo ra phản ứng dây chuyền.

c. Màu của vàng và vàng không dễ bị ăn mòn

Đa số kim loại có ánh kim bởi vì các electron trong các nguyên tử nhảy từ các mức năng lượng, hay các “orbital”, khác nhau. Một số photon đi tới bị hấp thu và phát xạ trở lại, mặc dù ở một bước sóng dài hơn. Tuy nhiên, đa phần ánh sáng nhìn thấy chỉ bị phản xạ.

Hiệu ứng tương đối tính trên các electron của vàng còn là một nguyên do khiến kim loại này không bị ăn mòn hoặc phản ứng với bất kì chất gì khác một cách dễ dàng.

Vàng có duy nhất một electron trong lớp vỏ ngoài cùng của nó, nhưng nó vẫn không hoạt tính như calcium hoặc lithium. Thay vậy, các electron trong vàng, vốn “nặng hơn” khối lượng thật của chúng, đều bị giữ gần hạt nhân hơn. Điều này có nghĩa là electron ngoài cùng không có khả năng phản ứng hóa học.

d. Thủy ngân là chất lỏng

Tương tự như vàng, thủy ngân cũng là một nguyên tử nặng, với các electron được giữ gần hạt nhân do tốc độ và sự tăng khối lượng của chúng. Đối với thủy ngân, liên kết giữa các nguyên tử của nó là yếu, cho nên thủy ngân nóng chảy ở nhiệt độ thấp hơn và thường ở dạng lỏng như khi ta nhìn thấy nó.

e. Ti vi cũ của bạn

Chỉ vài năm trước đây thôi, đa số ti vi và màn hình máy vi tính đều có đèn hình tia cathode. Đèn hình tia cathode hoạt động bằng cách dùng một nam châm mạnh bắn các electron vào một bề mặt phủ phosphor. Mỗi electron tạo ra một điểm sáng khi nó đi tới mặt sau của màn hình. Các electron được bắn ra để tạo nên hình ảnh chuyển động nhanh bằng 30% tốc độ ánh sáng. Các hiệu ứng tương đối tính có thể để ý thấy, và khi các nhà sản xuất tạo hình cho các nam châm, họ phải xét đến các hiệu ứng đó nếu muốn ti vi có chất lượng cao.

>>> Tham khảo: Các phát minh khoa học có ý nghĩa như thế nào đối với các cuộc cách mạng công nghiệp?

--------------------------------------

Vậy là trên đây Toploigiai đã cùng bạn tìm hiểu về nêu tầm quan trọng của thuyết tương đối ứng dụng của nó trong khoa học và đời sống. Chúc các bạn học tập thật tốt!