Chưa có sản phẩm trong giỏ hàng.
Thuyết tương đối là gì? Lý thuyết làm thay đổi vật lý hiện đại
Trong thế giới khoa học, hiếm có lý thuyết nào lại khơi gợi sự tò mò và thay đổi nhận thức của nhân loại một cách sâu sắc như Thuyết tương đối của Albert Einstein. Nó không chỉ là những phương trình phức tạp trên giấy, mà là một cuộc cách mạng thực sự trong cách chúng ta hiểu về không gian, thời gian, và chính bản chất của vũ trụ. Vậy, thuyết tương đối là gì và tại sao nó lại có tầm vóc vĩ đại đến vậy? Hãy cùng Watchstore khám phá hành trình đáng kinh ngạc này.
1. Thuyết tương đối là gì
Hiểu một cách tổng quan nhất, Thuyết tương đối là tập hợp gồm hai lý thuyết vật lý do Albert Einstein phát triển: Thuyết tương đối hẹp (công bố năm 1905) và Thuyết tương đối rộng (công bố năm 1915). Đây không phải là lý thuyết đơn lẻ mà là một bộ khung khái niệm hoàn toàn mới, thay thế cho những quan niệm về không gian và thời gian đã tồn tại suốt hơn 200 năm của Isaac Newton.
Cốt lõi của thuyết tương đối cho rằng các định luật vật lý là như nhau đối với mọi quan sát viên chuyển động đều (không gia tốc). Tốc độ ánh sáng trong chân không là một hằng số không đổi, bất kể tốc độ của nguồn sáng hay người quan sát. Từ những tiền đề tưởng chừng đơn giản này, Einstein đã mở ra những hệ quả phi thường, thách thức trực giác thông thường của chúng ta về thế giới.
2. Lịch sử hình thành và phát triển của thuyết tương đối
Sự ra đời của lý thuyết vĩ đại không phải là sự kiện diễn ra trong một sớm một chiều, mà là kết quả của quá trình lâu dài gồm những trăn trở, những thất bại và cuối cùng là khoảnh khắc thiên tài bùng nổ. Hành trình của thuyết tương đối gắn liền với cuộc đời và sự nghiệp của Albert Einstein, một trong những bộ óc vĩ đại nhất lịch sử.
2.1. Albert Einstein và bước ngoặt năm 1905
Năm 1905 được mệnh danh là “năm kỳ diệu” (Annus mirabilis) của Albert Einstein. Khi đó, ông chỉ là một chuyên viên thẩm định bằng sáng chế tại Bern, Thụy Sĩ. Trong một năm ngắn ngủi, ông đã công bố bốn công trình làm rúng động giới vật lý. Một trong số đó chính là “Về điện động lực học của các vật thể chuyển động”, nền tảng của Thuyết tương đối hẹp.
Lý thuyết này ra đời để giải quyết mâu thuẫn sâu sắc giữa cơ học Newton và lý thuyết điện từ của Maxwell. Einstein đã mạnh dạn đề xuất rằng không có cái gọi là không gian và thời gian tuyệt đối. Thay vào đó, chúng là tương đối, phụ thuộc vào hệ quy chiếu của người quan sát.
Giảm giá!
Casio 40mm Nam EFV-160D-7AVDF
2.751.200
₫
3.439.000đ
-20%
Giảm giá!
Casio 43.4mm Nữ BA-110AH-6ADR
3.593.600
₫
4.492.000đ
-20%
Giảm giá!
Citizen 42.5 mm Nam CA4610-85M
16.000.000
₫
20.000.000đ
-20%
Giảm giá!
Tissot 33mm Nữ T035.246.11.111.00
5.450.000
₫
8.000.000đ
-32%
• Đã bán 5
Giảm giá!
Seiko 41.2 Nam SSJ013J1
54.000.000
₫
60.000.000đ
-10%
2.2. Sự ra đời của thuyết tương đối rộng (1915)
Thuyết tương đối hẹp rất thành công, nhưng nó có một giới hạn: chỉ áp dụng cho các hệ quy chiếu chuyển động thẳng đều và chưa giải thích được bản chất của lực hấp dẫn. Einstein nhận ra điều này và đã dành 10 năm tiếp theo cho một cuộc đấu tranh trí tuệ căng thẳng để mở rộng lý thuyết của mình.
Vào năm 1915, ông đã thành công khi công bố Thuyết tương đối rộng. Trong lý thuyết này, Einstein đề xuất một ý tưởng mang tính cách mạng: lực hấp dẫn không phải là “lực” hút vô hình giữa các vật thể như Newton mô tả. Thay vào đó, nó là hệ quả của sự uốn cong không-thời gian do sự hiện diện của khối lượng và năng lượng. Một vật thể càng có khối lượng lớn, nó càng làm không-thời gian xung quanh nó bị cong nhiều hơn.
2.3. Những phản ứng ban đầu và sự công nhận toàn cầu
Ban đầu, những ý tưởng của Einstein bị coi là quá kỳ lạ và khó hiểu. Nhiều nhà khoa học hàng đầu thời bấy giờ đã tỏ ra hoài nghi. Tuy nhiên, bằng chứng thực nghiệm đã dần xác nhận tính đúng đắn của lý thuyết.
Sự kiện quan trọng nhất là vào năm 1919, trong một lần nhật thực toàn phần, nhà thiên văn học Arthur Eddington đã quan sát và đo đạc vị trí của các ngôi sao gần rìa Mặt Trời. Kết quả cho thấy ánh sáng từ những ngôi sao đó thực sự đã bị bẻ cong khi đi qua trường hấp dẫn của Mặt Trời, đúng như dự đoán của Thuyết tương đối rộng. Kể từ đó, danh tiếng của Einstein và lý thuyết của ông đã lan tỏa khắp toàn cầu, đưa ông trở thành biểu tượng vĩ đại nhất của khoa học hiện đại.
Xem thêm: Thiên văn học: khám phá vũ trụ bao la cho người mới
3. Phân biệt thuyết tương đối hẹp và thuyết tương đối rộng
Mặc dù chung một cái tên “Thuyết tương đối”, hai lý thuyết này giống như hai chương của cùng một cuốn sách vĩ đại, với chương đầu đặt nền móng và chương sau xây dựng nên công trình đồ sộ. Chúng giải quyết những vấn đề ở các quy mô khác nhau và có phạm vi áp dụng riêng biệt, nhưng lại thống nhất một cách hoàn hảo. Việc hiểu rõ sự khác biệt giữa chúng là chìa khóa để nắm bắt toàn bộ cuộc cách mạng của Einstein.
3.1. Thuyết tương đối hẹp
Thuyết tương đối hẹp (Special Relativity) là câu trả lời của Einstein cho thế giới của những chuyển động đều, nơi không có sự tác động của gia tốc hay lực hấp dẫn. Nó được xây dựng dựa trên hai tiên đề tưởng chừng đơn giản nhưng lại vô cùng sâu sắc. Thứ nhất, các định luật vật lý là bất biến trong mọi hệ quy chiếu quán tính. Thứ hai, và cũng là điểm mấu chốt, tốc độ ánh sáng trong chân không luôn là một hằng số vũ trụ, không thay đổi dù người quan sát hay nguồn sáng có chuyển động ra sao.
Sự bất biến của tốc độ ánh sáng đã buộc các nhà vật lý phải từ bỏ quan niệm cố hữu về một không gian và thời gian tuyệt đối. Để giữ cho tốc độ ánh sáng không đổi đối với mọi người, chính không gian và thời gian phải trở nên “co giãn”. Hệ quả trực tiếp là thời gian có thể trôi chậm lại (sự giãn nở thời gian) và không gian có thể co ngắn lại (sự co chiều dài) đối với một vật thể đang di chuyển ở tốc độ cao. Từ lý thuyết này, Einstein cũng đã rút ra phương trình mang tính biểu tượng nhất thế kỷ 20, E=mc2, cho thấy khối lượng và năng lượng thực chất là hai mặt của cùng một đồng xu, có thể chuyển hóa cho nhau.
3.2. Thuyết tương đối rộng
Thuyết tương đối rộng (General Relativity) là kiệt tác của Einstein, một sự tổng quát hóa ngoạn mục để bao hàm cả gia tốc và lực hấp dẫn. Nền tảng của nó là “nguyên lý tương đương”, ý tưởng thiên tài đến từ một thí nghiệm tưởng tượng: một người trong thang máy đóng kín không thể phân biệt được mình đang đứng yên trên Trái Đất (chịu tác dụng của trọng lực) hay đang ở trong không gian và được tăng tốc lên trên. Điều này gợi ý rằng lực hấp dẫn và gia tốc về bản chất là một.
Từ đó, Einstein đi đến kết luận rằng hấp dẫn không phải là một lực, mà là thuộc tính hình học của vũ trụ. Ông mô tả không gian và thời gian được dệt vào nhau thành một tấm vải bốn chiều gọi là không-thời gian. Sự hiện diện của khối lượng và năng lượng làm cho tấm vải này bị uốn cong.
Các vật thể, bao gồm cả hành tinh và những tia sáng, chỉ đơn giản là di chuyển theo những đường cong tự nhiên nhất trong cái không-thời gian bị uốn cong đó. Lý thuyết này không chỉ giải thích được quỹ đạo của các hành tinh một cách chính xác hơn Newton, mà còn dự đoán sự tồn tại của các hiện tượng kỳ lạ như lỗ đen, sóng hấp dẫn và sự giãn nở của vũ trụ.
Xem thêm: Tìm hiểu lực đàn hồi: Đặc điểm, công thức, ứng dụng thực tế
4. Các khái niệm then chốt trong thuyết tương đối
Để thực sự nắm bắt được bản chất của lý thuyết này, chúng ta cần làm quen với một vài khái niệm cốt lõi đã thay đổi hoàn toàn cách nhìn của chúng ta.
- Thời gian giãn nở: Đây là một trong những hệ quả đáng kinh ngạc nhất. Nó khẳng định rằng thời gian trôi qua chậm hơn đối với một đồng hồ đang chuyển động so với một đồng hồ đứng yên. Điều này có nghĩa là một phi hành gia du hành trong không gian với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng sẽ già đi chậm hơn so với người anh em song sinh của mình ở lại Trái Đất. Hiện tượng này là có thật và đã được chứng minh bằng các đồng hồ nguyên tử siêu chính xác.
- Co chiều dài: Theo thuyết tương đối, chiều dài của một vật thể sẽ bị đo thấy ngắn lại theo hướng chuyển động của nó khi quan sát từ một hệ quy chiếu khác. Vật thể càng di chuyển nhanh, nó càng có vẻ ngắn hơn. Sự co lại này chỉ đáng kể khi vật đạt tốc độ rất cao, gần với tốc độ ánh sáng.
- Tốc độ ánh sáng là hằng số: Đây là trụ cột của thuyết tương đối hẹp. Bất kể bạn đang đứng yên, hay đang di chuyển với tốc độ cực lớn về phía một nguồn sáng, bạn sẽ luôn đo được tốc độ của các tia sáng đó là c. Chính sự bất biến này của tốc độ ánh sáng đã buộc các nhà vật lý phải từ bỏ khái niệm thời gian và không gian tuyệt đối.
- Không-thời gian (Spacetime): Einstein đã hợp nhất ba chiều không gian (dài, rộng, cao) và một chiều thời gian thành thực thể duy nhất gọi là “không-thời gian”. Mọi sự kiện trong vũ trụ đều diễn ra tại một điểm cụ thể trong khối không-thời gian bốn chiều này.
- Trường hấp dẫn như là sự cong của không-thời gian: Đây là ý tưởng trung tâm của Thuyết tương đối rộng. Hãy tưởng tượng không-thời gian là một tấm bạt cao su căng phẳng. Khi bạn đặt quả bóng bowling nặng (tượng trưng cho Mặt Trời) lên đó, tấm bạt sẽ bị võng xuống. Nếu bạn lăn một viên bi nhỏ (tượng trưng cho Trái Đất) ở gần đó, nó sẽ không đi theo đường thẳng mà sẽ di chuyển theo đường cong quanh chỗ lõm do quả bóng bowling tạo ra. Đó chính là cách khối lượng “chỉ dẫn” cho không-thời gian cách để cong, và không-thời gian cong “chỉ dẫn” cho vật chất cách để di chuyển.
5. Ứng dụng thực tế của thuyết tương đối
Ứng dụng thực tế nhất chính là Hệ thống Định vị Toàn cầu (GPS). Để GPS trên điện thoại của bạn có thể xác định vị trí chính xác đến vài mét, nó phải tính đến các hiệu ứng của cả thuyết tương đối hẹp và rộng. Do các vệ tinh GPS di chuyển với tốc độ rất cao (khoảng 14,000 km/h), đồng hồ của chúng chạy chậm hơn một chút so với đồng hồ trên mặt đất (hiệu ứng tương đối hẹp).
Đồng thời, vì chúng ở trong một trường hấp dẫn yếu hơn Trái Đất, đồng hồ của chúng lại chạy nhanh hơn một chút (hiệu ứng tương đối rộng). Nếu không có những sự điều chỉnh chính xác dựa trên lý thuyết của Einstein, hệ thống GPS sẽ sai lệch tới khoảng 10km mỗi ngày và trở nên vô dụng.
Ngoài ra, công thức E=mc2 là nguyên lý cơ bản đằng sau năng lượng hạt nhân. Các máy gia tốc hạt tại CERN không thể hoạt động nếu không tính đến các hiệu ứng tương đối khi các hạt được gia tốc đến gần tốc độ ánh sáng. Lý thuyết này cũng là công cụ không thể thiếu để các nhà thiên văn học nghiên cứu về lỗ đen, sóng hấp dẫn và sự tiến hóa của vũ trụ.
Với những kiến thức chúng tôi cung cấp trên đây, hy vọng các bạn đã hiểu rõ hơn thuyết tương đối là gì. Nó không chỉ định hình lại sự hiểu biết của chúng ta về vũ trụ ở quy mô lớn nhất, mà còn len lỏi vào những công nghệ thiết yếu của đời sống hàng ngày. Thuyết tương đối là minh chứng hùng hồn cho sức mạnh của trí tò mò, tư duy đột phá và khả năng vô hạn của trí tuệ con người trong hành trình khám phá thực tại.
