Chương 1: Cơ bản về Tương Đối
Giới thiệu về Khái niệm Không gian và Thời gian
Ở trung tâm của lý thuyết đặc biệt của Tường Đối của Einstein nằm các khái niệm cơ bản về không gian và thời gian. Trong suốt nhiều thế kỷ, các nhà vật lý học và triết học đã gặp khó khăn trong việc hiểu về bản chất của những thực thể này. Lâu nay, đã có giả thuyết rằng không gian và thời gian là tuyệt đối và phổ quát - rằng chúng tồn tại độc lập với bất kỳ quan sát viên hay khung tham chiếu nào.
Tuy nhiên, công trình đột phá của Einstein vào đầu thế kỷ 20 đã hoàn toàn thay đổi quan điểm này. Lý thuyết đặc biệt về Tường Đối của ông đã chỉ ra rằng không gian và thời gian có liên hệ chặt chẽ và các quan sát viên khác nhau có thể không đồng ý về độ dài của các vật thể và thời điểm của các sự kiện, tùy thuộc vào tương đối chuyển động của chúng.
Để hiểu thêm về cách mà Einstein đạt được kết luận cách mạng này, chúng ta phải trước tiên xem xét những nguyên tắc cơ bản và giả định đứng sau lý thuyết đặc biệt về Tường Đối. Quan trọng trong lý thuyết là hai giả định chính:
- Các luật vật lý là như nhau trong tất cả các khung tham chiếu tích lũy.
- Tốc độ ánh sáng trong chân không là không đổi và độc lập với chuyển động của nguồn sáng hoặc quan sát viên.
Hãy khám phá từng giả định này chi tiết hơn.
Nguyên tắc Tường Đối
Giả định đầu tiên, được biết đến với tên gọi nguyên tắc Tường Đối, nói rằng các luật vật lý giống nhau trong tất cả các khung tham chiếu tích lũy. Một khung tham chiếu tích lũy là khung tham chiếu di chuyển với vận tốc không đổi - tức là, nó không gia tăng hoặc quay.
Điều này có nghĩa là bất kỳ thí nghiệm vật lý nào thực hiện trong một khung tham chiếu tích lũy sẽ cho ra kết quả chính xác như khi thực hiện trong một khung tham chiếu tích lũy khác. Không có khung tham chiếu "ưu tiên" hoặc "đặc biệt". Dù bạn đứng yên trên Trái Đất, di chuyển với vận tốc không đổi trên một chiếc ô tô, hay lao vút trong không gian trên một tên lửa, các luật căn bản của tự nhiên - như luật chuyển động của Newton hoặc phương trình điện từ của Maxwell - sẽ là như nhau.
Giả định này có ý nghĩa sâu sắc. Nó cho chúng ta biết rằng không có trạng thái tuyệt đối của nghỉ hoặc chuyển động trong vũ trụ. Chuyển động chỉ có thể được xác định so với các vật thể khác. Nếu bạn nhìn thấy một quả bóng di chuyển với vận tốc 10 m/s, câu nói này chỉ có ý nghĩa liên quan đến khung tham chiếu của bạn. Đối với một quan sát viên di chuyển cùng quả bóng với cùng vận tốc, quả bóng sẽ trông giống như đứng yên. Không có góc nhìn nào "đúng" hơn góc nhìn khác.
Nguyên tắc Tường Đối đã được Galileo nêu ra ở một dạng hạn chế hơn cách đây nhiều thế kỷ. Ông đã nhận thấy rằng một người ở dưới buồng lái trên một chiếc tàu đang di chuyển sẽ không thể nhận biết được chuyển động của con tàu. Bất kỳ thí nghiệm cơ học nào thực hiện trên con tàu đều cho thấy kết quả giống như khi con tàu đang ở yên. Einstein mở rộng nguyên tắc này để bao gồm toàn bộ vật lý, không chỉ cơ học.
Tốc độ Ánh sáng Không đổi
Giả định khóa thứ hai của tường đối đặc biệt liên quan đến tốc độ ánh sáng. Einstein khẳng định rằng tốc độ của ánh sáng trong chân không luôn được đo với cùng một giá trị (khoảng 300.000 km/s), bất kể chuyển động của nguồn sáng hoặc quan sát viên đo ánh sáng.
Giả định này khá khó hiểu và dường như trái ngược với kinh nghiệm hàng ngày. Nếu bạn đang trong một chiếc ô tô di chuyển với vận tốc 50 km/h và bật đèn pha, bạn có thể mong đợi ánh sáng từ đèn pha sẽ di chuyển với tốc độ 300.000 km/s cộng thêm 50 km/h, tổng cộng đạt 300.050 km/h so với mặt đất. Nhưng theo Einstein, điều này không đúng. Ánh sáng vẫn sẽ được đo là di chuyển với chính xác 300.000 km/s, bất kể quan sát viên đang trong chiếc xe di chuyển hay đứng bên lề đường.
Sự thực kỳ lạ này đã được gợi ý từ các kết quả không rõ ràng của các thí nghiệm vào cuối thế kỷ 19, khi cố gắng phát hiện chuyển động của Trái Đất qua một "không gian mờ" giả định mà được cho là lan toả trong không gian. Thử nghiệm Michelson-Morley là một trong những thí nghiệm nổi tiếng nhất trong số đó.
Einstein đã đưa bằng chứng kinh nghiệm này đến kết luận hợp lý nhất - tốc độ ánh sáng phải là một hằng số phổ quát. Nhưng làm thế nào để đồng nhất điều này với nguyên tắc Tường Đối? Nếu các luật vật lý là như nhau trong tất cả các khung tham chiếu và tốc độ ánh sáng là một trong những luật đó, làm thế nào các quan sát viên trong các trạng thái chuyển động khác nhau có thể đo cùng một tốc độ ánh sáng?
Câu trả lời, như chúng ta sẽ thấy, đòi hỏi việc đại tu hoàn toàn quan niệm về không gian và thời gian.
Khung tham chiếu và Hệ tọa độ
Để khám phá sâu hơn các ý nghĩa của những giả định của Einstein, chúng ta cần một khung pháp toán chính xác để mô tả vị trí và chuyển động của các đối tượng. Điều này được cung cấp bởi khái niệm về một khung tham chiếu.
Một khung tham chiếu về cơ bản là một hệ tọa độ mà chúng ta sử dụng để chỉ định vị trí của một đối tượng hoặc sự kiện. Nó bao gồm một điểm gốc và một bộ trục (thường ký hiệu là x, y và z) để xác định hướng trong không gian. Chúng ta có thể tưởng tượng một khung tham chiếu như lưới đo mét và đồng hồ đồng bộ mà lấp đầy toàn bộ không gian và cho phép chúng ta đo vị trí và thời gian.
Trong vật lý trước Tường Đối, đã được cho rằng tồn tại một khung tham chiếu tuyệt đối duy nhất, thường được coi là đứng yên so với các vì sao xa. Vị trí và thời gian được đo trong khung tham chiếu này được coi là vị trí và thời gian "thực sự". Bất kỳ khung tham chiếu nào khác di chuyển so với khung tham chiếu tuyệt đối sẽ ghi lại các vị trí và thời gian khác nhau, nhưng chúng được xem là các giá trị nhân tạo hoặc bị méo.
Tuy nhiên, nguyên tắc Tường Đối loại bỏ khái niệm về một khung tham chiếu tuyệt đối. Nếu các luật vật lý là như nhau trong tất cả các khung tham chiếu tích lũy, thì không có khung tham chiếu cụ thể nào được chọn là "đứng yên". Một quan sát viên trong bất kỳ khung tham chiếu tích lũy nào cũng có thể xem mình đứng yên, với các khung tham chiếu khác di chuyển so với họ. Các sự kiện xảy ra cùng một nơi và thời gian trong một khung tham chiếu có thể xảy ra ở các nơi và thời gian khác nhau trong một khung tham chiếu khác. Nhiệm vụ của thuyết tương đối là cung cấp một tập hợp các biến đổi toán học liên quan tọa độ được chỉ định cho các sự kiện trong một khung tham chiếu này với các tọa độ được chỉ định trong một khung tham chiếu di chuyển khác. Các biến đổi này được biết đến là biến đổi Lorentz, và chúng ta sẽ tìm hiểu chi tiết về chúng trong các chương sau.
Sự tương đối của đồng thời
Một trong những hệ quả đáng ngạc nhiên nhất của các giả thuyết về tương đối đặc biệt là tính tương đối của đồng thời. Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta có khái niệm trực quan về các sự kiện xảy ra "cùng một lúc". Nếu hai viên pháo cùng nổ cùng một lúc trong khung tham chiếu của bạn, bạn sẽ thấy và nghe chúng cùng một lúc.
Tuy nhiên, trong khung tương đối, câu hỏi về việc liệu hai sự kiện cách xa không gian có diễn ra cùng một thời điểm không phải là tuyệt đối. Những người quan sát ở các trạng thái chuyển động khác nhau có thể không đồng ý về việc liệu các sự kiện xảy ra cùng một lúc hay không.
Hãy xem xét một người quan sát đứng trên một nền tảng đường sắt, ở giữa hai điểm A và B. Hãy tưởng tượng rằng sét đánh hai điểm này cùng một lúc từ quan điểm của người quan sát này. Ánh sáng từ các cú đánh đến người quan sát cùng một lúc, xác nhận tính đồng thời của chúng.
Bây giờ hãy xem xét một người quan sát thứ hai trên một chuyến tàu di chuyển nhanh qua ga. Theo quan điểm của họ, họ đang di chuyển về phía ánh sáng từ B và ra xa ánh sáng từ A. Kết quả là, họ sẽ thấy ánh sáng từ B trước ánh sáng từ A, dẫn đến kết luận rằng sét đánh B trước khi sét đánh A. Hai người quan sát không đồng ý về thời gian diễn ra các sự kiện.
Điều này không chỉ là một ảo giác quang học hay một trò lừa thị giác. Trong khung tương đối, cả hai quan điểm đều có giá trị như nhau. Tính đồng thời là tương đối và phụ thuộc vào trạng thái chuyển động của người quan sát.
Ý tưởng gây choáng này là một trong những phát hiện quan trọng của Einstein. Nó cho thấy thời gian không phải là tuyệt đối, mà liên quan chặt chẽ với không gian và bị ảnh hưởng bởi chuyển động. Tính đồng thời tương đối sẽ dẫn đến hiện tượng kỳ lạ hơn, như giãn thời gian và co lại độ dài, mà chúng ta sẽ tìm hiểu trong chương sau.
Kết luận
Lý thuyết đặc biệt về tương đối đã làm cách biệt hiểu biết của chúng ta về không gian và thời gian. Bằng cách giả định tính phổ cập của luật vật lý và tốc độ ánh sáng không đổi, Einstein đã cho thấy rằng các khái niệm hàng ngày của chúng ta về không gian và thời gian tuyệt đối cần phải được thay thế bằng một mô hình tinh vi hơn, trong đó hai khái niệm này liên kết chặt chẽ với nhau.
Các khái niệm được giới thiệu trong chương này - nguyên lý tương đối, tốc độ ánh sáng không đổi, khung tham chiếu và tính đồng thời tương đối - tạo nên nền tảng cho toàn bộ cấu trúc của tương đối đặc biệt. Trong các chương tiếp theo, chúng ta sẽ thấy những ý tưởng này dẫn đến những kết luận gây ngạc nhiên về bản chất của thời gian, hành vi của vật thể di động và quy định của khối lượng và năng lượng.
Trong khi những hệ quả của tương đối có vẻ lạ lẫm và trái với lý thuyết, việc nhớ rằng thuyết này dựa trên bằng chứng kinh nghiệm vững chắc là rất quan trọng. Vô số thí nghiệm trong thế kỷ qua đã xác nhận những dự đoán của nó với độ chính xác đáng kinh ngạc. Đó là một minh chứng cho sức mạnh của lý thuyết hợp lý để lật đổ những giả định lâu đời và tiếp cận những sự thật sâu sắc hơn về bản chất của thực tại.
Khi chúng ta tiếp tục hành trình qua lý thuyết đặc biệt về tương đối, chúng ta nên giữ tâm trí mở và tò mò. Thế giới mà Einstein mô tả là một nơi kỳ lạ và kỳ diệu, tràn đầy bất ngờ và nghịch lý. Bằng cách đối diện với những ý tưởng này, chúng ta không chỉ có được sự hiểu biết sâu sắc về vũ trụ vật lý, mà còn mở rộng tầm nhìn trí tuệ của chúng ta và thách thức bản thân suy nghĩ theo cách mới và sâu sắc hơn.