Thuyết tương đối là gì? Những hệ quả nổi bật của thuyết tương đối

1. Kiến thức tổng quan về thuyết tương đối

1.1. Thuyết tương đối là gì?

Thuyết tương đối là những lý thuyết miêu tả cấu trúc của không gian và thời gian trong một thực thể thống nhất được gọi là không thời gian do Albert Einstein tìm ra. Đồng thời, học thuyết này cũng lý giải được bản chất của lực hấp dẫn là do sự uốn cong của không thời gian khi vật chất và năng lượng tác động.

1.2. Phân loại thuyết tương đối

Albert Einstein đã phát triển hai học thuyết chính của thuyết tương đối là thuyết tương đối hẹp và thuyết tương đối rộng. Hai học thuyết này cũng được công bố vào hai thời điểm khác nhau.

1.2.1. Thuyết tương đối rộng

Thuyết tương đối rộng sẽ được hiểu là tổng quát các hệ quy chiếu quán tính sang hệ quy chiếu chuyển động, các vật thể sẽ có gia tốc và bao gồm lực hấp dẫn giữa các khối lượng với nhau. Thuyết tương đối rộng dường như do một mình Albert Einstein phát triển nên dựa trên những nguyên lý vật lý cơ bản từ trước cộng thêm mối liên hệ sâu sắc giữa hình học và vật lý.

1.2.2. Thuyết tương đối hẹp

Trong khi đó, thuyết tương đối hẹp miêu tả việc hành xử của không gian và thời gian và những hiện tượng liên quan từ những người quan sát sẽ thấy chuyển động đều tương đối với nhau. Học thuyết này đều dựa trên nguyên lý tương đối và nguyên lý vận tốc ánh sáng bất biến trong chân không.

Sau khi công bố học thuyết tương đối hẹp, Einstein đã xoá bỏ học thuyết về hệ quy chiếu quán tính của Ete và hoàn toàn thay thế vào những học thuyết động lực học của Lorentz và Poincaré. Sau đó, một mô hình toán học đã được hoàn thiện dựa vào thuyết tương đối học này.

1.3. Tại sao cần hiểu biết về thuyết tương đối?

Thuyết tương đối đã làm mọi người giải quyết được hiểu lầm về cấu trúc của không gian và thời gian để có thể giải thích một số hiện tượng lạ của thế giới xung quanh. Đồng thời, thuyết tương đối cùng với thuyết vật lý lượng tử là hai trụ cột chính cho khoa học vật lý hiện đại. Từ đó, con người có thể tính toán và nghiên cứu được những lĩnh vực lớn như thiên văn học, vật lý thiên văn và vũ trụ học. Thực sự, thuyết tương đối giúp ích được rất nhiều đối với những công việc nghiên cứu khoa học và phát minh sáng tạo.

2. Cơ sở hình thành học thuyết tương đối

2.1. Nguyên lý của sự tương đối

Nguyên lý của sự tương đối nói rằng: Các định luật vật lý là bất biến trong mọi hệ quy chiếu quán tính. Có nghĩa là các định luật vật lý là như nhau đối với mọi vật đang đứng yên hoặc chuyển động đều

Ví dụ: Nếu bạn đứng yên, hoặc bạn đang ở trong một chiếc ô tô di chuyển 100 km/h thì khi bạn thả 1 đồng xu xuống, nó đều rơi theo phương thẳng đứng. Mọi định luật vật lý tác động lên đồng xu trong cả hai trường hợp là như nhau.

2.2. Nguyên lý bất biến của ánh sáng trong chân không

Nguyên lý có nội dung là: Tốc độ ánh sáng trong chân không là như nhau đối với tất cả những ai đang quan sát, bất kể nguồn phát ánh sáng có di dời như thế nào.

Giải thích: Trong vũ trụ, tốc độ ánh sáng trong chân không là nhanh nhất, không gì có thể vượt qua. Đối với tất cả mọi người đang quan sát, tốc độ ánh sáng luôn bằng 299.792.458 m/s. Ngoài ra, tốc độ ánh sáng không thay đổi chút nào cho dù nguồn phát sáng di chuyển hay đứng im.

2.3. Nguyên lý tương đương

Sự phát triển thuyết tương đối rộng bắt đầu từ năm 1907, với "ý tưởng hạnh phúc nhất trong đời" của Einstein, đó là nguyên lý tương đương. Nguyên lý tương đương nói về về sự tương đương giữa khối lượng hấp dẫn và khối lượng quán tính. 

Từ nguyên lý tương đương này có thể suy ra được hiệu ứng dịch chuyển lực hấp dẫn và đường đi của ánh sáng đã bị lệch trong trường hấp dẫn cũng như  xuất hiện độ trễ thời gian của tia sáng. Năm 1911, ông đã có thể tính được khái quát độ lệch tia sáng.

Trong thời gian nghiên cứu, 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 với trung tâm Mặt Trời. Tuy vậy, giá trị tính toán được lúc đầu của ông cũng chỉ bằng một nửa giá trị đúng của độ lệch mà thôi.

3. Những hệ quả nổi bật của thuyết tương đối

3.1. Hệ quả rút ra được của thuyết tương đối rộng

3.1.1. Tính được điểm cận nhật của Sao Thuỷ

Học thuyết tương đối rộng của Einstein đã mô tả chính xác quỹ đạo thay đổi của sao Thuỷ không hề giống các lý thuyết của Newton. Einstein đã đưa ra kết quả chính xác về sự dịch chuyển của điểm cận nhật của Sao Thủy. Giá trị độ lệch này của tia sáng bằng 2 lần giá trị mà ông đã tìm ra vào năm 1911. Năm 1919, giá trị cuối cùng đã được xác nhận trong lần nhật thực toàn phần và dẫn đến thành công vang dội của lý thuyết tương đối tổng quát hay thuyết tương đối rộng. Mọi người trên thế giới đang dần chú ý tới học thuyết này hơn.

3.1.2. Lý giải luật hấp dẫn

Nhờ vào thuyết tương đối rộng mà người ta có thể giải thích cặn kẽ về luật hấp dẫn. Theo Einstein thì luật hấp dẫn không chỉ là một lực mà nó còn là hình học hay nó chính là hệ quả của việc vật chất kéo dài không thời gian.

3.2. Hệ quả rút ra được của thuyết tương đối hẹp

3.2.1. Độ dài có tính tương đối

Khi tốc độ di chuyển càng cao thì người quan sát bên ngoài sẽ thấy độ dài của vật bị ngắn lại theo chiều chuyển động (thực tế thì bản thân vật không nhận thấy điều này).

Ví dụ chứng minh: Khi một con tàu vũ trụ dài khoảng 100m di chuyển với vận tốc gần bằng tốc độ ánh sáng thì trong lúc di chuyển, người quan sát bên ngoài sẽ thấy độ dài của tàu co ngắn lại chỉ còn khoảng 20m.

3.2.2. Khối lượng có tính tương đối

Một vật chuyển động với vận tốc càng gần với vận tốc ánh sáng thì người quan sát bên ngoài sẽ thấy khối lượng của nó càng tăng. (nhưng theo trên cảm nhận của nó thì khối lượng không đổi). Và khối lượng nghỉ của vật hay khối lượng đứng yên sẽ không thay đổi dù di chuyển với tốc độ cao.

Ví dụ chứng minh: Khi các hạt electron trong máy gia tốc đạt vận tốc tiệm cận với tốc độ ánh sáng thì các nhà khoa học đã đo lường được khối lượng của hạt electron này tăng 2024 lần so với khi electron ở trạng thái nghỉ.

3.2.3. Khoảng cách có tính tương đối

Khi tốc độ di chuyển càng nhanh, người di chuyển sẽ cảm thấy khoảng cách giữa họ và đối phương ngắn hơn.

Ví dụ chứng minh: Khi chúng ta di chuyển quãng đường dài 1000km, nếu di chuyển bằng một con tàu vũ trụ bay với vận tốc gần bằng tốc độ tối đa của ánh sáng thì bản thân ta sẽ thấy quãng đường bị rút ngắn lại chỉ còn vài trăm mét (người quan sát bên ngoài vẫn thấy quãng đường dài 1000km này không có gì thay đổi). Nhưng nếu đi bộ thì nó vẫn dài như vậy.

3.2.4. Thời gian có tính tương đối

Một người di chuyển càng nhanh thì thời gian của người đó càng trôi chậm lại so với những người đang quan sát và đứng yên.

Ví dụ chứng minh: Thành và Ngọc cùng 20 tuổi, Thành lên phi thuyền di chuyển với tốc độ gần bằng tốc độ thực tế của ánh sáng để đến hành tinh cách trái đất 20 năm ánh sáng, khi trở về Thành mới 21 tuổi, còn Ngọc đã 60. Đối với Thành, thời gian du hành trôi qua chỉ như cái chớp mắt, hay nói cách khác, viễn tưởng hơn đó là Thành đã du hành thời gian đến tương lai của Ngọc.

3.2.5. Vận tốc ánh sáng là bất biến

Chỉ có các hạt photon (và các hạt không có khối lượng) đạt được tốc độ cao nhất trong vũ trụ - tốc độ ánh sáng. Còn lại tất cả các vật có khối lượng khi tiệm cận tốc độ ánh sáng thì động lượng sẽ tăng vô hạn, năng lượng cung cấp để di chuyển cũng tăng đến vô hạn, điều này là bất khả thi trong lý thuyết vật lý.

Khép lại phần trình bày ở đây, timviec365.vnMuốn nói với bạn rằng hầu hết mọi sự việc diễn ra đều mang tính tương đối, vì vậy bạn cần chú ý đến bản chất thực sự của chúng. Song, với bài viết trên thì bạn cũng đã nắm được phần nào thuyết tương đối là gì và nếu có câu hỏi gì thì hãy thẳng thắn đưa ra để chúng ta cùng nhau giải đáp nhé.