ch1_4

Untitled C挨 h丑c l逢嬰ng t穎 Thuy院t t逢挨ng đ嘘i r瓜ng Màng 10 chi隠u Các siêu dây H嘘 đenSiêu h医p d磯n 11 chi隠u Các màng p Thuy院t M Trang 3 CH姶愛NG 1 L 姶 営 C S 盈 V 陰 T H U Y 蔭 T T 姶 愛 N[.]

Thuy t t ng đ i r ng

Màng 10 chi u

Các siêu dây

H đenSiêu h p d n 11 chi u

Các màng-p

CH NG 1

Einstein thi t l p hai lý thuy t c n b n c a th k hai m i:

Lý thuy t t ng đ i r ng và lý thuy t l ng t nh th nào?

V T R T R O N G M T V H T

Albert Einstein, cha đ c a thuy t t ng đ i h p và thuy t

t ng đ i r ng sinh ra Ulm, c vào n m 1879 M t n m sau đó gia đình ông chuy n đ n Munich, t i đó, cha ông – Herman và c u ông – Jacob kh i s kinh doanh v đ đi n nh ng không m y thành công Einstein không ph i là th n đ ng nh ng có

ng i cho r ng ông là m t h c sinh cá bi t ph thông thì l i là

m t s c ng đi u N m 1894 công vi c làm n c a cha ông b đ

b nên gia đình chuy n đ n Milan Gia đình quy t đ nh ông nên

l i đ hoàn thành b c h c ph thông, nh ng ông không thích ch ngh a đ c đoán c a tr ng h c nên ch sau đó m y tháng ông đoàn

t v i gia đình Ý Sau đó ông t t nghi p ph thông Zurich và

t t nghi p đ i h c tr ng Bách khoa liên bang vào n m 1900 B n tính hay tranh lu n và và ác c m v i quy n l c đã không mang cho ông m t chân giáo s tr ng Bách khoa liên bang và không m t giáo s nào c a tr ng m i ông làm tr gi ng, mà th i b y gi đó

là con đ ng bình th ng đ theo đu i s nghi p khoa h c Cu i cùng thì hai n m sau ông c ng xoay s đ c m t vi c V n phòng sáng ch Bern Ông làm vi c t i đó trong th i gian ông vi t ba bài báo, trong đó hai bài đã đ a ông tr thành nhà khoa h c hàng đ u

th gi i và b t đ u hai cu c cách m ng v t t ng làm thay đ i

hi u bi t c a chúng ta v không gian, th i gian và b n thân th c t i vào n m 1905

G n cu i th k th 19, các nhà khoa h c tin r ng h g n nh đã mô

t v tr m t cách toàn v n H cho r ng không gian đ c l p đ y

b i m t lo i v t ch t liên t c g i là Ê-te (ether) Ánh sáng và các tín hi u vô tuy n là các sóng lan truy n trong ê-te gi ng nh sóng

âm lan truy n trong không khí Và t t c các đi u c n làm cho m t

lý thuy t hoàn thi n là phép đo chính xác đ xác đ nh tính đàn h i

c a ê-te Th c ra các phép đo nh th đã đ c xây d ng hoàn ch nh

t i phòng thí nghi m Jefferson tr ng đ i h c Harvard mà không dùng đ n m t cái đinh s t nào đ tránh làm nhi u các phép đo t

tr ng y u Tuy v y nh ng ng i xây d ng h đo đã quên r ng các viên g ch nâu đ xây nên phòng thí nghi m và ph n l n các tòa nhà Harvard đ u ch a m t l ng l n s t Ngày nay các tòa nhà đó

v n đ c s d ng, nh ng h v n không ch c là n u không có các đinh s t thì sàn th vi n c a tr ng có th nâng đ đ c s c n ng

là bao nhiêu

Albert Einstein n m 1920

v i t c đ và h ng thay đ i Nh ng Michelson và Morley cho th y

r ng không có s khác bi t gi a hai chùm sáng đó Hình nh là ánh sáng truy n v i t c đ nh nhau đ i v i ng i quan sát, không ph thu c vào t c đ và h ng c a ng i chuy n đ ng (hình 1.3)

D a trên thí nghi m Michelson-Morley, m t nhà v t lý ng i Ai-len tên là George Fitzgerald và nhà v t lý ng i Hà Lan tên là Hendrik Lorentz gi thi t r ng các v t th chuy n đ ng trong ê-te s co l i

và th i gian s b ch m đi S co và s ch m l i c a đ ng h làm cho t t c m i ng i s đo đ c m t t c đ ánh sáng nh nhau không ph thu c vào vi c h chuy n đ ng nh th nào đ i v i ê-

te (George Fitzgerald và Hendrik Lorentz v n coi ê-te là m t lo i

v t ch t có th c) Tuy v y, n m 1905, Einstein đã vi t m t bài báo

Trái đ t quay t tây sang đông Ánh sáng vuông góc v i qu

đ o c a trái đ t quanh m t tr i Các tia sáng vuông góc v i nhau và đi theo chi u quay c a

trái đ t c ng không th hi n s khác nhau v v n t c

trong không gian hay không thì khái ni m ê-te không còn c n thi t

n a Thay vào đó, ông b t đ u b ng m t gi thuy t r ng các đ nh

lu t khoa h c xu t hi n nh nhau đ i v i t t c nh ng ng i quan

sát chuy n đ ng t do c bi t là h s đo đ c t c đ ánh sánh

nh nhau không ph thu c vào t c đ chuy n đ ng c a h T c đ

c a ánh sáng đ c l p v i chuy n đ ng c a ng i quan sát và nh

nhau theo t t c các h ng

Ý t ng này đòi h i ph i t b ý ngh cho r ng t n t i m t đ i l ng

ph quát đ c g i là th i gian có th đo đ c b ng t t c các đ ng

h Thay vào đó, m i ng i có m t th i gian riêng c a h Th i

gian c a hai ng i s gi ng nhau n u hai ng i đó đ ng yên t ng

đ i v i nhau, nh ng th i gian s khác nhau n u hai ng i đó chuy n

đ ng t ng đ i v i nhau

Gi thuy t này đ c kh ng đ nh b ng r t nhi u thí nghi m, trong

đó có m t thí nghi m g m hai đ ng h chính xác bay theo h ng

ng c nhau vòng quanh trái đ t và quay l i cho th y th i gian có sai

l ch chút ít Gi thuy t g i ý r ng n u ai đó mu n s ng lâu h n thì

ng i đó nên bay v h ng đông vì nh th thì t c đ c a trái đ t

s b sung vào t c đ c a máy bay Tuy v y, các b a n trên máy

bay s rút ng n cu c s ng c a b n g p nhi u l n m t ph n nh c a

giây mà b n có đ c

Bay t tây sang đông

Bay t đông sang tây

(Hình 1.4)

M t phiên b n v ngh ch lý anh

em sinh đôi (hình 1.5) đã đ c

ki m tra b ng th c nghi m t hai chi c đ ng h chính xác bay

ng c chi u nhau vòng quanh trái đ t

Khi chúng g p nhau thì đ ng h bay v h ng đông đã ghi l i

th i gian ng n h n chút ít

ng h trên phi c bay

v h ng tây ghi nh n m t kho ng th i gian lâu h n

ng i anh sinh đôi c a nó bay v h ng ng c l i

Th i gian c a các hành khách trên phi c bay v h ng đông s ng n h n th i gian

c a nh ng hành khách trên phi c bay v h ng tây

V T R T R O N G M T V H T

Gi thuy t c a Einstein cho r ng các đ nh lu t khoa h c xu t hi n

nh nhau đ i v i t t c các ng i quan sát chuy n đ ng t do là c

s c a thuy t t ng đ i G i nh v y vì nó ng ý r ng ch có chuy n

đ ng t ng đ i là quan tr ng V đ p và s đ n gi n c a gi thuy t

này đã thuy t ph c r t nhi u các nhà t t ng, tuy nhiên, v n có r t

nhi u các ý ki n trái ng c Einstein đã v t b hai khái ni m tuy t

đ i c a khoa h c th k 19: đ ng yên tuy t đ i – đ i di n là ê-te và

th i gian tuy t đ i và ph quát mà t t c các đ ng h đo đ c R t

nhi u ng i th y r ng đây là m t khái ni m không bình th ng H

h i, gi thuy t ng ý r ng t t c m i th đ u t ng đ i, r ng không

có m t tiêu chu n đ o đ c tuy t đ i? S b t r t này ti p di n trong

su t nh ng n m 20 và 30 c a th k 20 Khi Einstein đ c trao gi i

Nobel vào n m 1921 v m t công trình kém quan tr ng h n c ng

đ c ông cho ra đ i vào n m 1905 Lúc đó, thuy t t ng đ i không

đ c nh c đ n vì nó v n còn gây nhi u tranh cãi (đ n bây gi tôi

v n nh n đ c vài ba b c th hàng tu n nói r ng Einstein đã sai)

Tuy v y, hi n nay, các nhà v t lý hoàn toàn ch p nh n thuy t t ng

đ i, và các tiên đoán c a nó đã đ c ki m ch ng trong vô vàn ng

d ng

(Hình 1.6)

(Hình 1.5, trang tr c)NGH CH LÝ ANH EM SINH ÔI

c a anh ta (b) v n trên m t đ t

Vì th i gian c a (a) trong phi thuy n ch m h n th i gian c a (b) trên trái đ t Nên khi ng i (a) tr v (a2) anh ta s th y

ng i anh em c a anh ta trên trái

đ t (b2) già h n anh ta

M c dù nó có v ch ng l i c m

nh n chung c a chúng ta, r t nhi u thí nghi m ch ng minh

r ng trong k ch b n này, ng i

du hành v tr s tr h n ng i còn l i

(Hình 1.6, hình bên)

M t phi thuy n đi ngang qua trái

đ t t trái sang ph i v i v n t c

b ng b n ph n n m v n t c ánh sáng M t xung ánh sáng phát ra

t cabin và ph n x l i đ u kia (a)

Ng i trên trái đ t nhìn ánh sáng trên phi thuy n Vì phi thuy n chuy n đ ng nên hai ng i s quan sát kho ng cách mà ánh sáng đã đi đ c khi ph n x l i không b ng nhau(b)

Và v i h th i gian mà ánh sáng dùng đ truy n c ng không b ng nhau, vì theo gi thuy t c a Ein-stein, t c đ ánh sáng là nh nhau

đ i v i t t c các ng i quan sát chuy n đ ng t do

l ng và n ng l ng là t ng đ ng và đi u đó đ c t ng k t trong

m t ph ng trình n i ti ng E = mc2 (hình 1.7) Có l đây là ph ng trình v t lý duy nh t mà chúng ta có th nhìn th y nó đ c vi t trên

đ ng ph M t trong s các h qu c a ph ng trình trên là h t nhân c a nguyên t Uranium phân rã thành 2 h t nhân nh h n có

t ng kh i l ng nh h n kh i l ng c a h t nhân ban đ u, vi c này

s gi i t a m t n ng l ng vô cùng l n (hình 1.8)

Vào n m 1939, khi mà kh n ng m t cu c chi n tranh th gi i n a đang l m xu t hi n, m t nhóm các nhà khoa h c đã nh n ra t m

quan tr ng và đã thuy t ph c Einstein v t qua s l ng l c a b n

thân đ đi n tên c a ông vào m t b c th g i T ng th ng Roosevelt

nh m thúc gi c Hoa K kh i đ ng ch ng trình nghiên c u h t

nhân

Vi c này d n đ n d án Manhattan và k t qu c a nó là 2 qu bom

nguyên t đ c ném xu ng Hiroshima và Nagasaki vào n m 1945

M t s ng i đã đ t i cho Einstein v bom nguyên t b i vì ông

đã khám phá ra m i liên h gi a kh i l ng và n ng l ng; nh ng

đi u này gi ng nh là đ t i cho Newton đã gây ra các v tai n n

máy bay vì đã phát hi n ra đ nh lu t h p d n

Sau các bài báo gây ch n đ ng vào n m 1905, Einstein tr lên n i

ti n trên th gi i Nh ng đ n t n n m 1909 ông m i đ c m i vào

làm vi c t i tr ng đ i h c Zurich và do đó, ông có th t b công

vi c v n phòng sáng ch Th y S Hai n m sau, ông chuy n sang

đ i h c c Prague, nh ng ông quay tr l i Zurich vào n m 1912,

nh ng l n này ông v tr ng Bách khoa liên bang M c dù ch

B c th tiên đoán

c a Einstein g i

t ng th ng evelt n m 1939

Roos-“Trong th i gian

b n tháng qua, thông qua các công trình c a Joliot Pháp c ng nh Fermi và Szilard Hoa K , chúng ta

có th xây d ng

m t ph n ng h t nhân v i m t kh i

(Hình 1.7)

V T R T R O N G M T V H T

ngh a bài Do thái (anti-semitism) đang ph bi n châu Âu, ngay

c trong các tr ng đ i h c, nh ng ông v n là m t tài s n quý

c a tr ng đ i h c Có nhi u đ ngh làm vi c đ n t Vienna và Utrecht, nh ng ông đã ch p nh n m t v trí Vi n hàn lâm khoa

h c Prussian Berlin vì đó ông không ph i đ m nhi m công vi c

gi ng d y Ông chuy n đ n Berlin vào tháng 4 n m 1914 và sau

đó ít lâu v và hai con c a ông c ng chuy n đ n đó v i ông Cu c hôn nhân c a ông g p nhi u sóng gió, do v y, v và các con ông nhanh chóng tr l i Zurich M c d u th nh tho ng ông v n tr l i

th m h nh ng cu i cùng cu c hôn nhân c a h c ng tan v Sau

đó Einstein l y m t ng i em h tên là Elsa s ng Berlin Trong

nh ng n m chi n tranh ông đã s ng đ c thân và không có ràng bu c

v gia đình, có l chính vì th đây là th i k th ng hoa nh t c a ông

ng i ta có th g i các tín hi u nhanh h n ánh sáng (mâu thu n v i thuy t t ng đ i); đ hi u t c th i có ngh a là gì, ng i ta l i c n

đ n khái ni m th i gian tuy t đ i và ph quát, chính đi u này l i

n ng l ng 215 MeV

Neutron (n) có th kh i

đ ng m t ph n ng dây truy n

Ph ng trình Einstein gi a

n ng l ng (E), kh i l ng (m), và v n t c ánh sáng (c)

M t neutron t phân rã U-235 ban đ u s

b n phá các h t nhân khác Quá trình này

V T R T R O N G M T V H T

N m 1907, Einstein nh n ra khó kh n này khi ông còn làm vi c

v n phòng sáng ch Bern, nh ng ph i đ n khi ông Prague vào n m 1911 ông m i suy ngh v v n đ này m t cách nghiêm túc Ông nh n ra r ng có m t m i liên h m t thi t gi a gia t c và

tr ng h p d n M t ng i nào đó trong m t cái h p đóng kín nh

là trong m t cái thang máy ch ng h n không th nh n bi t đ c cái

h p đó đang đ ng yên trong tr ng h p d n c a trái đ t hay đang b gia t c b i m t tên l a trong không gian (t t nhiên lúc này là tr c

k nguyên c a Star Trek, và Einstein ngh v nh ng ng i đ ng trong thang máy h n là v nh ng con tàu v tr ) Nh ng ng i ta không th gia t c ho c r i t do lâu đ c trong cái thang máy tr c

(Hình 1.9)

M t ng i quan sát đ ng trong

m t cái h p không th nh n ra

s khác nhau khi đ ng trong m t

chi c thang máy t nh trên trái đ t

(a) ho c b gia t c b i m t tên l a

trong không gian t do (b)

N u ng i ta t t đ ng c c a tên

l a (c) c m giác s gi ng nh

trong m t chi c thang máy r i t

do xu ng đ t

N u trái đ t ph ng thì ta có th nói r ng qu táo r i xu ng đ u

Newton là do h p d n ho c Newton và b m t trái đ t b gia t c lên

trên, hai cách nói trên là t ng đ ng (hình 1.10) S t ng ng

gi a gia t c và h p d n không s còn đúng khi trái đ t là hình c u,

tuy v y- ng i m t kia trái đ t có th b gia t c theo các chi u

ng c l i nh ng v n đ ng nh ng kho ng cách không đ i v i

nhau (hình 1.11)

Nh ng khi ông quay l i Zurich vào n m 1912, ông đã có m t b c

đ t phá khi nh n ra r ng s t ng ng đó là đúng n u hình dáng c a

không th i gian b b cong ch không th ng nh ng i ta v n ngh

cho t i th i đi m đ y Ý t ng c a ông là kh i l ng và n ng l ng

Hình (1.10)

Hình (1.11)

(Hình 1.12) CONG C A KHÔNG TH I GIAN

Gia t c và h p d n ch có th

t ng đ ng v i nhau n u m t

v t th có kh i l ng l n b cong không th i gian, do đó b cong

c l trình c a các v t th xung quanh nó

gi i quy t bài toán này b ng vi c

gi thi t không gian và th i gian

b cong

đã làm cong không th i gian theo m t cách có th xác đ nh đ c Các v t th nh là qu táo ho c là hành tinh s c g ng chuy n đ ng

th ng trong không th i gian, nh ng qu đ o c a chúng s b b cong

b i m t tr ng h p d n do không th i gian b cong (hình 1.12)

V i s giúp đ c a Marcel Grossmann, Einstein nghiên c u lý thuy t không gian và m t ph ng cong do Georg Friedrich Riemann phát tri n tr c đó Tuy v y, Riemann ngh r ng ch có không gian

b b cong i u đó làm cho Einstein ngh r ng không th i gian

c ng b b cong Einstein và Grossmann đã vi t chung m t bài báo vào n m 1913, trong đó h đã đ y ý t ng mà chúng ta ngh v l c

h p d n ch là nh ng bi u hi n c a s cong c a không th i gian Tuy v y, vì m t sai l m do Einstein gây ra (Einstein c ng r t con

ng i và có th nh m l n), h không th tìm ra các ph ng trình

liên h đ cong c a không gian v i kh i l ng và n ng l ng trong

đó Einstein v n ti p t c nghiên c u v n đ này Berlin, không

b nh h ng b i các v n đ gia đình và ch y u là không b nh

h ng b i chi n tranh, cho đ n khi ông tìm th y các ph ng trình

đó vào tháng 11 n m 1915 Ông đã trao đ i các ý t ng c a ông

v i nhà toán h c David Hilbert trong chuy n th m tr ng đ i h c

Gottingen vào mùa hè n m 1915, và Hilbert c ng tìm ra các ph ng

trình t ng t m t cách đ c l p tr c Einstein vài ngày Tuy nhiên,

ngay c b n thân Hilbert c ng th a nh n, tác quy n c a lý thuy t

m i là thu c v Einstein Ý t ng liên h h p d n v i đ cong c a

không th i gian chính là c a ông ây c ng là m t l i khen cho

n c c vào th i đi m đó khi các cu c trao đ i và th o lu n khoa

h c có th di n ra mà không b nh h ng b i chi n tranh i u này

hoàn toàn trái ng c v i k nguyên c qu c xã (Nazi) 20 n m

sau đó

Lý thuy t m i v s cong c a không th i gian đ c g i là thuy t

t ng đ i r ng đ phân bi t v i lý thuy t ban đ u không có l c h p

d n đ c m i ng i bi t đ n v i cái tên là thuy t t ng đ i h p Lý

thuy t này đ c kh ng đ nh trong m t thí nghi m r t n t ng vào

n m 1919, trong m t cu c thám hi m c a các nhà khoa h c ng i

Anh v phía Tây châu Phi đã quan sát đ c đ l ch r t nh c a ánh

V T R T R O N G M T V H T

(Hình 1.13) ÁNH SÁNG B B CONG

Ánh sáng t các ngôi sao đi đ n g n m t tr i l ch h ng do kh i l ng c a m t tr i làm cong không th i gian (a) i u này làm d ch chuy n v trí bi u ki n c a ngôi sao khi nhìn t trái đ t (b) Hi n t ng này có th quan sát khi nh t th c