Ý nghĩa của thuyết tương đối?

Câu hỏi: Ý nghĩa của thuyết tương đối?

Trả lời:

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 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.

Cùng Top lời giải tìm hiểu thêm về thuyết tương đối nhé!

1. Thuyết tương đối hẹp

Định luật 1 của Newton đã nêu rằng: “Nếu một vật có lực tác động vào bằng 0 thì sẽ đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều mãi mãi”. Vậy, nếu biết một vật đó có hợp lực tác dụng bằng 0 thì có thể kết luận nó đang đứng yên hay chuyển động một cách tuyệt đối hay không? Ban đầu, các nhà khoa học dự định sẽ dùng công cụ “ánh sáng” để so sánh. Người ta giả thiết ánh sáng di chuyển trong một môi trường đồng nhất là Éther, và trong môi trường này, vận tốc ánh sáng luôn là một hằng số. Nếu một vật chuyển động cùng hướng với tia sáng sẽ đo được vận tốc của tia sáng nhỏ hơn, còn nếu chuyển động ngược hướng thì đo được vận tốc lớn hơn theo công thức tương đối của Galileo. Nhưng thí nghiệm của Michelson và Morley đã chứng tỏ rằng nếu như có sự hiện diện của Éther thì Trái đất phải có vận tốc bằng 0 so với chất nền này, nghĩa là Trái đất không di chuyển, còn các hành tinh khác chuyển động xung quanh Trái đất (theo như Thuyết địa tâm). Thí nghiệm này đã thất bại (theo mục đích của nó), nhưng nó đã gợi ra ở Einstein những ý tưởng mới.

Ông giải thích rằng thí nghiệm thất bại chẳng vì thật ra chẳng hề có môi trường Éther gì cả. Và để giải quyết bài toán về chuyển động đều, ông đã đề ra hai tiên đề, làm cơ sở hình thành Thuyết tương đối hẹp là:

- Mọi định luật Vật lý đều xảy ra như nhau đối với mọi hệ quy chiếu quán tính

- Tốc độ ánh sáng trong chân không là một đại lượng không đổi trong tất cả các hệ qui chiếu quán tính

(Hệ quy chiếu quán tính ở đây được hiểu là hệ quy chiếu gắn với một vật có hợp lực tác dụng bằng 0).

Hai tiên đề này đã khẳng định là không thể bằng một hệ quy chiếu tuyệt đối nào có thể phát hiện được một vật là đang chuyển động đều hay đứng yên một cách tuyệt đối.

Từ đó, Einstein đã xây dựng một công thức tính vận tốc tương đối giữa các hệ quy chiếu khác nhau là v' = (v + V)/(1 + vV/c²), với công thức này thì công thức tính vận tốc tương đối của Galileo chỉ đúng trong trường hợp các vận tốc v và V là khá nhỏ so với vận tốc ánh sáng c. Cũng với hai tiên đề này, Einstein đã chứng tỏ rằng không gian, thời gian đều mang tính tương đối và ông ghép không gian và thời gian vào nhau để tạo ra không-thời gian 4 chiều. Trong những trường hợp khác nhau, độ dài của không gian và của thời gian có thể khác nhau, nó phụ thuộc vào vận tốc của một vật đối với người quan sát.

2. Thuyết tương đối rộng

Đã có một số các nhà khoa học đóng góp vào sự phát triển của thuyết tương đối hẹp và cuối cùng với các bài báo Einstein công bố vào năm 1905 đưa đến lý thuyết hoàn thiện đồng thời ông cũng mở ra sự phát triển mới cần thiết của thuyết tương đối rộng. Thuyết tương đối rộng hầu như do một mình Einstein phát triển khi ông nghiên cứu những ý nghĩa vật lý cơ bản và mối liên hệ giữa hình học và vật lý.

Sự phát triển này bắt đầu từ năm 1907, với “ý tưởng hạnh phúc nhất trong đời” của Einstein, đó là nguyên lý tương đương về sự tương đương giữa khối lượng hấp dẫn và khối lượng quán tính. Từ nguyên lý này có thể suy ra được hiệu ứng dịch chuyển đỏ do hấp dẫn và đường đi của ánh sáng bị lệch trong trường hấp dẫn cũng như độ trễ thời gian của tia sáng, hay độ trễ Shapiro. Năm 1911, ông đã có thể tính được sơ bộ độ lệch tia sáng là bao nhiêu. Trong thời gian này ông cũng đề xuất rằng có thể đo được độ lệch rất nhỏ này từ các ngôi sao ở xa khi ánh sáng đi gần Mặt Trời. Tuy vậy, giá trị tính toán lúc đầu của ông chỉ bằng một nửa giá trị đúng của độ lệch.

Trong quá trình nghiên cứu, Einstein nhận ra cách biểu diễn không thời gian bằng không gian Minkowski có vai trò rất quan trọng đối với lý thuyết mới. Lúc này ông cũng nhận thức rõ ràng rằng hình học Euclid không còn phù hợp khi tính tới ảnh hưởng của lực hấp dẫn. Năm 1913, ông bắt đầu sử dụng hình học phi Euclid được phát triển trong thế kỷ XIX cho lý thuyết của mình với sự trợ giúp từ người bạn và là nhà toán học Marcel Grossmann, nhưng vẫn chưa đạt được kết quả mong muốn, tức là miêu tả được mọi định luật của tự nhiên trong mọi hệ quy chiếu. Ông cuối cùng vượt qua được vấn đề này vào tháng 11 năm 1915 sau nhiều lần thất bại, và Einstein đi đến được dạng đúng của phương trình trường hấp dẫn. Hầu như đồng thời với ông, nhà toán học David Hilbert cũng tìm ra được phương trình trường nhờ phương pháp biến phân. Dựa vào kết quả này, Einstein đã tính đúng ra sự dịch chuyển của điểm cận nhật của Sao Thủy, và giá trị độ lệch của tia sáng bằng 2 lần giá trị ông tìm ra vào năm 1911. Năm 1919, giá trị này đã được xác nhận trong lần nhật thực toàn phần và đưa đến sự thành công của lý thuyết tương đối tổng quát cũng như gây sự chú ý đối với thế giới.

Sau đó, nhiều nhà vật lý đã tìm ra các nghiệm chính xác của phương trình trường cũng như giới thiệu các kỹ thuật nghiên cứu mới, đưa đến nhiều mô hình vũ trụ học và kết quả kì lạ như sự tồn tại của lỗ đen.