Tổng kết về kết quả nghiên cứu Tìm hiểu các tài liệu về Thuyết tương đối hẹp cho thấy giáo trình vật lý đại cươngnổi tiếng của Nga “Курс Обшей Физики” của tác giả Savelʹev ở những phiên
Trang 1BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC
KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG
ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU SAI SÓT Ở CÁC TÀI LIỆU VIỆT NAM
KHI VIẾT VỀ THUYẾT TƯƠNG ĐỐI
Mã số đề tài: 183.CB02
Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Thị Ngọc Nữ
Đơn vị thực hiện: khoa Khoa Học Cơ Bản
Trang 2PHẦN I THÔNG TIN CHUNG
I Thông tin tổng quát
1.1 Tên đề tài: Nghiên cứu sai sót ở các tài liệu Việt Nam khi viết về Thuyết tương đối
1.2 Mã số: 183.CB02
1.3 Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực hiện đề tài
bản – Trường Đại họcCông nghiệp TPHCM
Chủ nhiệm đề tài
dụng – Trường ĐạiHọc Bách KhoaTPHCM
Thành viên
1.4 Đơn vị chủ trì: khoa khoa Khoa Học Cơ Bản
1.5 Thời gian thực hiện:
1.5.1 Theo hợp đồng: từ tháng 01 năm 2018 đến tháng 12 năm 2018
1.5.2 Gia hạn (nếu có): đến tháng… năm…
1.5.3 Thực hiện thực tế: từ tháng 01 năm 2018 đến tháng 12 năm 2018
1.6 Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có):
(Về mục tiêu, nội dung, phương pháp, kết quả nghiên cứu và tổ chức thực hiện; Nguyên nhân; Ý kiến của Cơ quan quản lý)
1.7 Tổng kinh phí được phê duyệt của đề tài: 15 triệu đồng.
II Kết quả nghiên cứu
1 Đặt vấn đề
Mặc dù ra đời đã hơn một thế kỷ, nhưng đến nay Thuyết tương đối vẫn còn ảnh hưởngrất lớn đến khoa học Thuyết tương đối đã, đang và sẽ tiếp tục định hướng cho nhữngnghiên cứu của các nhà vật lí học, vũ trụ học và thiên văn học Với ý nghĩa to lớn của nó,những kiến thức cơ bản của thuyết tương đối đã được đưa vào hầu hết các giáo trình, bàigiảng có liên quan đến vật lí hiện đại Nói về vấn đề này, khi khảo sát phần động học tươngđối tính, các biểu thức về tính đồng thời, quan hệ nhân quả, sự co độ dài, sự chậm lại củađồng hồ chuyển động, tổng hợp vận tốc… hầu như được biểu diễn như nhau ở các tài liệutrên thế giới Thế nhưng đối với phần động lực học tương đối tính thì có sự khác biệt Chẳnghạn như công thức về khối lượng: tại Việt Nam, hầu như tất cả các giáo trình, bài giảng từbậc đại học đến cao đẳng và ngay cả các sách giáo khoa Vật Lý lớp 12 đều cùng chung quanđiểm cho rằng khối lượng phụ thuộc vào tốc độ:
Trang 31
m m
v c
với c là tốc độ ánh sáng, m là khối lượng của vật khi nó chuyển động với tốc độ v (khối
Trong khi đó các tài liệu hiện đại nổi tiếng của Nga, Mỹ thì đều không đề cập đến công thứcnày và cho rằng khối lượng là bất biến Tại sao lại có sự khác biệt như vậy? Đâu mới thật
sự là quan niệm đúng? Với ý nghĩa to lớn của Thuyết tương đối thì việc hiểu đúng về cácđại lượng vật lý trong đó là rất quan trọng, nó giúp hình thành những nền tảng ban đầu để cóđịnh hướng đúng đắn trong việc nghiên cứu các nghành vât lý hiện đại Hơn nữa, các kiếnthức được đề cập tới còn liên quan trực tiếp đến sách giáo khoa, tài liệu phổ biến kiến thứcchuẩn của quốc gia, một khi sách giáo khoa có sự sai sót thì sẽ kéo theo nhiều hệ lụy Do đóviệc làm rõ những vấn đề đã nêu là hoàn toàn cấp thiết
2 Mục tiêu
Đề tài này sẽ nghiên cứu tìm ra những sai sót của một số quan điểm được công nhận
và lưu hành rộng rãi trong các tài liệu Việt Nam về Thuyết tương đối Tìm hiểu nguyênnhân dẫn đến sai sót, trên cơ sở đó kiến nghị những vấn đề cần được chỉnh sửa hợp lí và kịpthời, góp phần hoàn thiện các giáo trình, sách giáo khoa trong nước nhằm đảm bảo chấtlượng giáo dục
3 Phương pháp nghiên cứu
Tìm kiếm, thu thập các tài liệu tham khảo về Thuyết tương đối hẹp ở những giai đoạnkhác nhau và bằng nhiều thứ tiếng khác nhau So sánh sự khác biệt được trình bày tại cáctài liệu Trên cơ sở phân tích tổng hợp các tài liệu chỉ ra những sai lệch, bất hợp lý của một
số quan điểm được trình bày ở các tài liệu Việt Nam Tìm hiểu về các bài báo do chínhEinstein viết, từ đó rút ra nguyên nhân dẫn đến sự sai lệch về kiến thức và kiến nghị nhữngvấn đề cần được chỉnh sửa
4 Tổng kết về kết quả nghiên cứu
Tìm hiểu các tài liệu về Thuyết tương đối hẹp cho thấy giáo trình vật lý đại cươngnổi tiếng của Nga “Курс Обшей Физики” của tác giả Savelʹev ở những phiên bản cũtrước năm 1989 có đưa ra khái niệm khối lượng tương đối tính với ý nghĩa: khối lượngcủa vật có tính tương đối, giá trị của nó phụ thuộc vào hệ quy chiếu, khối lượng của
Scientists and Engineers” của Serway and Jewett đều không đưa khái niệm khối lượng
điểm hiện đại của thuyết tương đối, chỉ có một khối lượng và khối lượng đó không
Trang 4thay đổi với tốc độ Tuy nhiên, một thực trạng đáng buồn là cho đến nay, ở Việt Nam hầu
như tất cả các giáo trình, bài giảng, sách giáo khoa vẫn còn giữ nguyên quan điểm cho rằngkhối lượng phụ thuộc vào tốc độ
Nghiên cứu cho thấy, khái niệm khối lượng tương đối tính hoàn toàn không có ý nghĩavật lý và không có cơ sở khoa học, nó cũng không được kiểm chứng bằng thực nghiệm nhưmột số tài liệu đã viết Einstein không hề đưa ra khái niệm khối lượng tương đối tính và ôngcũng chưa từng sử dụng nó trong thuyết tương đối Năm 1948, trong một bức thư gửi cho
Barnett, tác giả quyển sách “The Universe and Dr Einstein”, Einstein viết : “Thật là không
hay khi đưa ra khái niệm khối lượng M m 1v c2 2 của một vật chuyển động, bởi vì không thể có một sự giải thích rõ ràng về nó Tốt hơn là không đưa ra một khái niệm khối lượng nào khác với khái niệm “khối lượng nghỉ” m Thay vì đưa ra khái niệm khối lượng M thì ta nên đề cập đến biểu thức động lượng và năng lượng của một vật chuyển động” Rõ
ràng Einstein không ủng hộ việc sử dụng khái niệm khối lượng tương đối tính, ông đã nhậnthấy khái niệm này chứa nhiều bất cập
Bất cập đầu tiên là chính sự mâu thuẫn bên trong khái niệm khối lượng tương đối tính.Khối lượng của một vật là một đặc trưng cố hữu của vật, đó là thước đo về số lượng vật chấttạo thành vật thể Vậy thì nguyên nhân của sự tăng khối lượng của một vật khi tốc độchuyển động của nó tăng là gì? Lẽ nào có sự thay đổi ở cấu trúc bên trong của vật? Làm thếnào để có thể thật sự đo được sự tăng khối lượng? Giả sử nếu có một tên lửa đi ngang quabạn và có một quan sát viên ngồi trong đó nhìn vào bạn, khối lượng của bạn cũng không thểtăng lên Hay nói cách khác, bạn không thể trở thành một lỗ đen nếu bạn chuyển động vớitốc độ đủ nhanh Nếu sử dụng khái niệm khối lượng tương đối tính đối với photon sẽ dẫnđến kết luận: "khối lượng nghỉ của photon bằng không" - như chúng ta vẫn thường thấytrong sách giáo khoa và đa số các tài liệu tham khảo của Việt Nam Kết luận này chứa đầymâu thuẫn, rõ ràng photon không bao giờ tồn tại ở trạng thái nghỉ, vậy thì tại sao lại đemkhái niệm khối lượng nghỉ gán cho nó?
Tại sao dù không tồn tại một giải thích rõ ràng nhưng khái niệm khối lượng tương đốitính vẫn tồn tại? Năm 1906 Planck bắt đầu nghiên cứu động lực học tương đối tính, ông đưa
Theo cách khảo sát của Planck thì chỉ có một khối lượng đối với chất điểm chuyển động,
nó không phụ thuộc tốc độ và không phụ thuộc hướng chuyển động Biểu thức động lượng
p mv , với
p mv Bên cạnh việc
“cổ điển hóa” biểu thức động lượng tương đối tính thì công thức liên hệ giữa khối lượng
Trang 5đầu tiên về thuyết tương đối, Einstein tiếp tục cho ra đời một bài báo vô cùng quan trọng nói
lượng được kí hiệu bằng chữ E thì công thức Einstein thường được biểu thị dưới dạng:
thì năng lượng trong công thức Einstein là năng lượng nghỉ, và nếu như sử dụng các kí hiệu
bài báo và thể hiện rõ trong chính các bài viết của Einstein
Tính bất biến của khối lượng thể hiện rõ hơn khi chúng ta khảo sát trong không - thờigian 4 chiều Minkowski Khi chuyển đổi hệ quy chiếu trong không - thời gian 4 chiều, cácthành phần của vectơ - 4 được biến đổi theo phép biến đổi Lorentz Tuy nhiên, có một thuộctính của các vectơ - 4 không bị biến đổi, đó chính là độ lớn của các vectơ - 4 này Trongkhông - thời gian 4 chiều Minkowski vectơ động lượng - 4 có thể viết dưới dạng
ứng với chiều thời gian Sử dụng biểu thức động lượng và năng lượng mà Einstein đã đề cậptrong bức thư đã nói trên, ta được:
Ở đây, nếu sử dụng khái niệm khối lượng tương đối tính m thì sẽ dẫn đến kết luận
nhiều tác giả nhắc đến Một mặt tên gọi khối lượng gắn liền với độ lớn của vectơ - 4, tức làkhông phụ thuộc vào hệ quy chiếu Mặt khác nó lại được vận dụng cho một khái niệm khácbiệt rõ rệt, phụ thuộc vào hệ quy chiếu, đó là thành phần thời gian của vectơ - 4 Rõ ràng, có
sự mâu thuẩn khi sử dụng khái niệm khối lượng tương đối tính
Tổng hợp các kết quả nghiên cứu cho thấy cần phải chỉnh sửa lại một số nhận địnhkhông chính xác về Thuyết tương đối, nhưng lại rất phổ biến trong các tài liệu tham khảo tạiViệt Nam Cụ thể là:
Trang 6- Công thức Einstein phải được diễn giải chính xác và rõ ràng hơn: khối lượng của một
không đúng trong cơ học tương đối.
hệ quy chiếu
5 Đánh giá các kết quả đã đạt được và kết luận
Đề tài đã nghiên cứu tìm ra những sai sót của một số quan điểm được công nhận vàlưu hành rộng rãi trong các tài liệu Việt Nam về quan hệ giữa năng lượng và khối lượng,biểu thức động lượng, khái niệm khối lượng tương đối tính Đề tài cũng chỉ ra những bấthợp lý của quan điểm cho rằng khối lượng phụ thuộc vào tốc độ Những quan niệm này đã
ăn sâu vào nền vật lý trong nước Ý nghĩa lý luận của đề tài là giúp thay đổi một số kiếnthức cơ bản về Thuyết tương đối hẹp trong nước Ý nghĩa thực tiễn của đề tài là sẽ giúp địnhhướng đúng đắn cho các nghiên cứu liên quan đến vật lý hiện đại, giúp cho các tác giả viếtsách giáo khoa, giáo trình nhìn thấy những sai sót để chỉnh sửa kịp thời, giúp các giảng viêntruyền đạt kiến thức chính xác cho sinh viên, nhằm đảm bảo chất lượng giáo dục
Tóm lại, với các kết quả đạt được, tác giả tin rằng đề tài nghiên cứu đáp ứng được tất
cả yêu cầu đặt ra ban đầu của đề tài
6 Tóm tắt kết quả (tiếng Việt và tiếng Anh)
Tóm tắt:
Hầu hết các tài liệu tham khảo tại Việt Nam khi viết về Thuyết tương đối đều khẳngđịnh khối lượng là tương đối, giá trị của nó phụ thuộc vào tốc độ Trên cơ sở khảo sát cácbài viết của Einstein về năng lượng và khối lượng, đề tài này chỉ ra rằng công thức Einstein
đã bị hiểu sai lệch ở các tài liệu tham khảo, từ đó dẫn đến quan niệm sai lầm cho rằng khốilượng phụ thuộc vào tốc độ Đề tài cũng chỉ ra những bất hợp lí khi sử dụng khái niệm khốilượng tương đối tính trong không-thời gian bốn chiều và khi khảo sát khối lượng photon.Các giáo trình, bài giảng, sách giáo khoa cần có những chỉnh sửa hợp lí và kịp thời để phùhợp với kiến thức khoa học mới đã được cập nhật trong vật lý hiện đại
Abstract:
In most references in Vietnam, when writing about the Theory of Relativity, authorsusually assert that mass is relative, its value depends on speed This work, based on a review
of Einstein's writings on energy and mass, shows that the Einstein formula is misunderstood
in these references This leads to the erroneous conception that mass depends on speed Thework also points out the unreasonableness in the use of the concept of relativistic mass inthe four-dimensional space-time and in the photon mass examination Textbooks, lectures,and schoolbooks need to be properly modified in a timely manner in order to fit with thenew scientific knowledge that has been updated in modern physics
Trang 7III Sản phẩm đề tài, công bố và kết quả đào tạo
3.1 Kết quả nghiên cứu ( sản phẩm dạng 1,2,3)
3.2 Kết quả đào tạo
Thời gian thực hiện đề tài
(triệu đồng)
Kinh phí thực hiện
(triệu đồng)
Ghi chú
A Chi phí trực tiếp
V Kiến nghị ( về phát triển các kết quả nghiên cứu của đề tài)
Cần phải chỉnh sửa lại một số nhận định không chính xác về Thuyết tương đối, nhưng lại rấtphổ biến trong các tài liệu tham khảo, giáo trình, sách giáo khoa tại Việt Nam
Trang 8VI Phụ lục ( liệt kê minh chứng các sản phẩm nêu ở Phần III)
- Bài báo đăng trên tạp chí International Journal of Science, Environment and Technology
- Bài báo tham gia Hội nghị giảng dạy Vật lý toàn quốc lần thứ IV - năm 2018 và được chọnđăng trên Tạp chí Khoa học trường Đại học Sư phạm - Đại học Đà Nẵng
- Bài giảng về Thuyết tương đối hẹp - Động lực học tương đối tính
Tp HCM, ngày tháng năm
Trang 9PHẦN II BÁO CÁO CHI TIẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Trang 10MỤC LỤC
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI……… ……10
1.1 Lý do chọn đề tài……… 10
1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài……….10
1.3 Mục tiêu nghiên cứu……….11
1.4 Phương pháp nghiên cứu……… 11
CHƯƠNG 2 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU……… 12
2.1 Sự khác biệt về nội dung của phần động lực học tương đối tính được trình bày tại các tài liệu Việt Nam và thế giới……… 12
2.2 Sự ra đời của khái niệm khối lượng tương đối tính……….16
2.3 Những bất hợp lý khi sử dụng khái niệm khối lượng tương đối tính và nguyên nhân dẫn đến việc tồn tại sai sót………19
2.4 Khảo sát trong không – thời gian 4 chiều Minkowski……….22
CHƯƠNG 3 TRÌNH BÀY LẠI PHẦN ĐỘNG LỰC HỌC TƯƠNG ĐỐI TÍNH KHÔNG SỬ DỤNG KHÁI NIỆM KHỐI LƯỢNG TƯƠNG ĐỐI TÍNH………25
3.1 Động lượng tương đối tính……… 25
3.2 Phương trình động lực học tương đối tính……… 29
3.3 Hệ thức Einstein về khối lượng – năng lượng……….30
3.4 Liên hệ giữa động lượng và năng lượng……… 32
3.5 Phép biến đổi Lorentz đối với động lượng và năng lượng……… 33
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ……… 37
TÀI LIỆU THAM KHẢO ……….38
Trang 11CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1 Lý do chọn đề tài
Thuyết tương đối hẹp là một trong những lí thuyết khoa học nổi tiếng nhất của thế kỉ XX
Ra đời vào năm 1905 [1], Thuyết tương đối hẹp đã mở ra một chân trời khoa học mới, loại
bỏ hoàn toàn khỏi khoa học những quan niệm về không gian, thời gian tuyệt đối Trên nềntảng mở rộng Thuyết tương đối hẹp, năm 1915 Einstein công bố Thuyết tương đối tổng quát[2] Thuyết tương đối tổng quát đã trở thành cơ sở cho các nghành vật lý hiện đại, đặt nềnmóng cho lí thuyết hấp dẫn lượng tử và mở ra một hướng nghiên cứu mới: vật lý siêu vĩ mô
- là lí thuyết cơ bản để đưa ra các mô hình về sự hình thành, giãn nở của vũ trụ, dự đoán về
lỗ đen, … Thuyết tương đối tổng quát đã, đang và sẽ tiếp tục định hướng cho những nghiêncứu của các nhà vật lý học, vũ trụ học và thiên văn học Bước đầu tiên nhất để làm quen vớiThuyết tương đối là thông qua các bài giảng, giáo trình… mô tả những vấn đề cơ bản củaThuyết tương đối Nói về vấn đề này, khi khảo sát phần động học tương đối tính, các biểuthức về tính đồng thời, quan hệ nhân quả, sự co độ dài, sự chậm lại của đồng hồ chuyểnđộng, tổng hợp vận tốc… hầu như được biểu diễn như nhau ở các tài liệu trên thế giới Thếnhưng đối với phần động lực học tương đối tính thì có sự khác biệt Chẳng hạn như côngthức về khối lượng: tại Việt Nam, hầu như tất cả các giáo trình, bài giảng từ bậc đại học đếncao đẳng và ngay cả các Sách giáo khoa Vật Lý lớp 12 đều cùng chung quan điểm cho rằngkhối lượng phụ thuộc vào tốc độ Trong khi đó các tài liệu hiện đại nổi tiếng của Nga, Mỹthì đều không đề cập đến công thức này và cho rằng khối lượng là bất biến
Tại sao lại có sự khác biệt như vậy? Đâu mới thật sự là quan niệm đúng? Với ý nghĩa
to lớn của Thuyết tương đối thì việc hiểu đúng về các đại lượng vật lý trong đó là rất quantrọng, nó giúp hình thành những nền tảng ban đầu để có định hướng đúng đắn trong việcnghiên cứu các nghành vật lý hiện đại Hơn nữa, các kiến thức trong đề tài còn liên quantrực tiếp đến sách giáo khoa, tài liệu phổ biến kiến thức chuẩn của quốc gia, một khi sáchgiáo khoa có sự sai sót thì sẽ kéo theo nhiều hệ lụy Do đó việc làm rõ những vấn đề đã nêu
là thật sự cần thiết
1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học:
Đề tài này sẽ nghiên cứu tìm ra những sai sót của một số quan điểm được công nhận
và lưu hành rộng rãi trong các tài liệu Việt Nam, chỉ ra những bất hợp lý của quan điểm chorằng khối lượng phụ thuộc vào tốc độ Đề tài sẽ tìm hiểu về các bài báo do chính Einsteinviết, từ đó rút ra nguyên nhân dẫn đến sự sai lệch về kiến thức ở các tài liệu Việt Nam, trên
cơ cở đó kiến nghị những vấn đề cần được chỉnh sửa kịp thời Ý nghĩa khoa học của đề tài
là sẽ giúp điều chỉnh chính xác hơn một số kiến thức về Thuyết tương đối ở các tài liệutrong nước
Trang 12Ý nghĩa thực tiễn:
Quan niệm về khối lượng tương đối phụ thuộc vào tốc độ cùng một số quan niệm vềquan hệ giữa năng lượng và khối lượng, biểu thức động lượng đã ăn sâu vào nền vật lýtrong nước, để thay đổi được quan niệm đó cần làm một cuộc cách mạng trong cả nước, cầnphổ biến rộng rãi kiến thức này thông qua các hội nghị về vật lý Ý nghĩa thực tiễn của đềtài là sẽ giúp định hướng đúng đắn cho các nghiên cứu liên quan đến vật lý hiện đại, giúpcho các tác giả viết sách giáo khoa, giáo trình nhìn thấy những sai sót để chỉnh sửa kịp thời,giúp các giảng viên truyền đạt kiến thức chính xác cho sinh viên, nhằm đảm bảo chất lượnggiáo dục
1.3 Mục tiêu nghiên cứu
- Tìm ra nguyên nhân dẫn đến sai sót Xác định những vấn đề cần được chỉnh sửa hợp
lí và kịp thời, góp phần hoàn thiện các giáo trình, sách giáo khoa trong nước nhằmđảm bảo chất lượng giáo dục
1.4 Phương pháp nghiên cứu
- Tham khảo, phân tích tổng hợp các tài liệu về Thuyết tương đối hẹp của nước ngoàicũng như các tài liệu của Việt nam So sánh sự giống và khác nhau giữa các tài liệu ởnhững giai đoạn khác nhau và bằng nhiều thứ tiếng khác nhau, từ đó rút ra điểm khácbiệt về kiến thức giữa các tài liệu
- Trên cơ sở phân tích tổng hợp các tài liệu chỉ ra những sai lệch của các tài liệu Việtnam, chỉ ra những bất hợp lý khi sử dụng khái niệm khối lượng tương đối tính trongkhông-thời gian bốn chiều Minkowski và khi khảo sát khối lượng photon
- Tìm hiểu nguồn gốc dẫn đến công thức biểu diễn sự phụ thuộc của khối lượng vàotốc độ Dựa trên những bài báo do chính Einstein viết về Thuyết tương đối để tìm ranguyên nhân dẫn đến sai sót Trên cơ sở kết luận về nguyên nhân dẫn đến sai sót nêu
ra những vấn đề cần được chỉnh sửa trong các giáo trình, bài giảng, và đặc biệt là sáchgiáo khoa trong nước nhằm đảm bảo chất lượng giáo dục
Trang 13CHƯƠNG 2 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
2.1 Sự khác biệt về nội dung của phần động lực học tương đối tính được trình bày tại các tài liệu Việt Nam và thế giới
Thuyết tương đối hẹp là một môn cơ học tổng quát, áp dụng cho các vật chuyển độngvới vận tốc từ rất bé cho đến cỡ vận tốc ánh sáng và coi cơ học Newton như một trường hợpgiới hạn của nó Để xây dựng thuyết tương đối hẹp, Einstein đã nêu lên hai nguyên lí, đó là
nguyên lí tương đối và nguyên lí bất biến của vận tốc ánh sáng Nguyên lí tương đối
Einstein là sự mở rộng của nguyên lí tương đối Galilee và nó được phát biểu như sau: mọiđịnh luật vật lí đều có cùng một dạng như nhau trong các hệ quy chiếu quán tính Nguyên líbất biến của vận tốc ánh sáng phản ánh vận tốc truyền tương tác là hữu hạn và phát biểurằng: vận tốc ánh sáng trong chân không đều bằng nhau theo mọi phương và đối với mọi hệ
3.10
Dựa trên hai nguyên lí trên chúng ta có thể thu được các hệ quả nói lên tính tương đối củakhông gian và thời gian Tính tương đối của không gian thể hiện qua hệ quả: khi vật chuyểnđộng, kích thước của nó bị co ngắn theo phương chuyển động Tính tương đối của thời gianthể hiện qua hệ quả: đồng hồ chuyển động chạy chậm hơn đồng hồ đứng yên Nghiên cứucho thấy, các biểu thức về tính tương đối của không gian và thời gian cũng như các biểuthức về tính đồng thời, quan hệ nhân quả, tổng hợp vận tốc trong phần động học tươngđối tính được được biểu diễn như nhau ở các tài liệu từ trước đến nay trên thế giới Thế
nhưng đối với phần động lực học tương đối tính thì có sự khác biệt Giáo trình vật lý đại
cương nổi tiếng của Nga “Курс Обшей Физики” của tác giả Savelʹev ở những phiên bản cũ
có đưa ra khái niệm khối lượng tương đối tính (hình 1a) [3] Cụ thể biểu thức của khốilượng được biểu diễn như sau:
0
1
m m
v c
(1)
trong đó c là tốc độ ánh sáng, m là khối lượng của vật khi nó chuyển động với tốc độ v (khối
Công thức (1) thể hiện quan điểm: “Khối lượng của vật có tính tương đối, giá trị của nó phụthuộc vào hệ quy chiếu Khối lượng của vật tăng khi tốc độ tăng” Thế nhưng ở các lần táibản từ năm 1989 trở về sau, khái niệm khối lượng tương đối tính đã bị loại bỏ khỏi giáotrình của Savelʹev Ví dụ ở phiên bản năm 2011 Savelʹev có cho vào lời chú thích rằng ôngkhông khảo sát khối lượng tương đối tính bởi vì khái niệm này không hợp lý và chỉ làm tốinghĩa Thuyết tương đối mà thôi (hình 1b) [4] Những giáo trình hiện đại nổi tiếng của Mỹnhư “Fundamentals of physics” của Halliday et al [5] hoặc “Physics for Scientists andEngineers” của Serway and Jewett [6] đều không đưa công thức (1) vào chương thuyếttương đối (hình 2) Theo quan điểm được trình bày trong những giáo trình nổi tiếng này thì
Trang 14chỉ có một khối lượng và khối lượng đó không thay đổi với tốc độ Còn ở Viêt Nam thì sao?
Thực trạng là cho đến nay, ở Việt Nam hầu như tất cả các giáo trình, bài giảng từ bậc đạihọc đến cao đẳng [7-16], và ngay cả các Sách giáo khoa Vật Lý lớp 12 (hình 3 và hình 4)
[17,18] vẫn còn giữ nguyên quan điểm cho rằng khối lượng phụ thuộc vào tốc độ! Khái
niệm này cũng còn tồn tại ở những tài liệu được viết bằng một số ngôn ngữ khác như tiếng
trang wikipedia của những ngôn ngữ nói trên (ví dụ như trên hình 5) Tại sao lại có sựkhông thống nhất như vậy? Tại sao khái niệm khối lượng tương đối tính bị loại bỏ khỏi cácgiáo trình của Savelʹev, Serway, Halliday? Công thức (1) đã xuất hiện từ khi nào? Einstein
có đưa ra công thức này hay không? Nó có được kiểm chứng bằng thực nghiệm hay không?Việc sử dụng nó có gì là bất hợp lý hay không? Chúng ta sẽ cùng tìm hiểu ở những mụctiếp theo
Hình 1 a: Trang 223 giáo trình Курс Обшей Физики” tập 3 phiên bản 1970 của tác
giả Savelʹev đưa ra khái niệm khối lượng tương đối tính.
Hình 1 b: Trang 222 giáo trình Курс Обшей Физики” tập 1 phiên bản 2011 của tác
giả Savelʹev đã loại bỏ khái niệm khối lượng tương đối tính.
Trang 15Hình 2: Trang 1215 giáo trình Physics for Scientists and Engineers with Modern
Physics của Serway và Jewett cho rằng khối lượng là bất biến.
Hình 3: Trang 257 sách giáo khoa Vật lý lớp 12 nâng cao cho rằng khối lượng phụ
thuộc vào tốc độ.
Trang 16Hình 4: Trang 179 sách giáo khoa Vật lý lớp 12 cho rằng khối lượng phụ thuộc vào
tốc độ.
Hình 5: Quan niệm khối lượng phụ thuộc vào tốc độ còn tồn tại trên một số phiên bản
ngôn ngữ khác của trang wikipedia.
Trang 172.2 Sự ra đời của khái niệm khối lượng tương đối tính
Khối lượng là một khái niệm khá quen thuộc với chúng ta Khối lượng m của một vật
là một đặc trưng cố hữu của vật, m là thước đo về số lượng vật chất tạo thành vật thể Trong
cơ học cổ điển, khối lượng được hiểu một cách phổ thông là sức nặng của vật Vật có khốilượng lớn có sức nặng lớn hơn và cần có lực lớn hơn để làm thay đổi chuyển động của nó.Nói cách khác, khối lượng là đại lượng đặc trưng cho mức quán tính của vật Mối liên hệgiữa quán tính với khối lượng đã được Newton phát biểu trong định luật 2 Newton
Năm 1881, Thomson (người đã có công phát hiện ra electron) nhận ra rằng làm chocác hạt mang điện chuyển động khó hơn so với các hạt không mang điện và khối lượng củahạt mang điện có vẻ như tăng lên một lượng không đổi khi nó chuyển động [23] Hạt mangđiện dường như có thêm một “khối lượng điện từ” bên cạnh khối lượng cơ học của nó Quanniệm về sự phụ thuộc của khối lượng điện từ vào vận tốc đã xuất hiện trước khi bài báo đầutiên của Einstein về Thuyết tương đối ra đời Vào thời kì đó, các nhà khoa học cho rằngkhông gian được lấp đầy bởi một loại vật chất liên tục gọi là ête Ánh sáng và các tín hiệu
vô tuyến là các sóng điện từ lan truyền trong ête giống như sóng âm lan truyền trong khôngkhí Tuy nhiên, mọi thí nghiệm nhằm xác định sự tồn tại của ête đều thất bại Năm 1892Lorentz bắt đầu phát triển lý thuyết ête, ông cho rằng ête là bất động và có sự co lại của cácvật trong ête Từ đó, ông tìm ra phép biến đổi mang tên ông - phép biến đổi Lorentz Trongbài báo [24] Lorentz khảo sát ête bất động, trường dao động và những hạt mang điện nhỏhay ion chuyển động Ông đã đưa ra kết luận rằng khối lượng của ion phụ thuộc của vào tốc
độ của nó và sự phụ thuộc này là khác nhau tùy theo hướng chuyển động của ion
Kaufmann là người đầu tiên xác nhận bằng thực nghiệm rằng có sự phụ thuộc của khốilượng hạt mang điện vào vận tốc Vào năm 1901 Kaufmann đã tiến hành những thí nghiệm
đo độ lệch của tia cathode trong từ trường [25] Khi đó thuyết tương đối vẫn chưa ra đời, vàđương nhiên trong những tính toán kết quả thực nghiệm của mình Kaufmann đã sử dụngbiểu thức động lượng và động năng trong cơ học cổ điển Những tính toán của Kaufmann
dẫn đến công thức mà từ đó có thể suy ra rằng điện tích riêng e/m của electron giảm theo tốc
độ, và bởi vì điện tích e của electron không đổi, nên Kaufmann đã đưa ra kết luận rằng khối
lượng electron tăng lên cùng với tốc độ của nó Ông cũng cho rằng, những thí nghiệm vớitia cathode cũng xác nhận là không có khối lượng cơ học, mà chỉ có khối lượng điện từ, haytheo nghĩa khác khối lượng của mọi vật thể đều có nguồn gốc điện từ [26]
Nhà vật lý theo quan điểm thế giới điện từ Abraham sau đó đã đề nghị một cách giảithích các thí nghiệm của Kaufmann bằng cách dẫn ra biểu thức cho khối lượng điện từ [27].Abraham tin tưởng vào sự tồn tại của ête và cho rằng electron có dạng một quả cầu rắn vớiđiện tích được phân phối đồng đều trên bề mặt quả cầu Ông cho rằng một electron đangchuyển động tương tác với từ trường riêng của nó và kết luận rằng khối lượng điện từ củaelectron phụ thuộc vào hướng chuyển động và đặt tên cho chúng là khối lượng “dọc” và
Trang 18khối lượng “ngang” Khối lượng dọc là khối lượng hạt mang điện khi gia tốc của nó cùngphương với vận tốc chuyển động, còn khối lượng ngang là khối lượng hạt mang điện khi giatốc của nó vuông góc với phương chuyển động.
Trên cơ sở lý thuyết ête, Lorentz cũng đã khảo sát chuyển động của electron trong điện
từ trường Lorentz đã giả sử rằng electron bị co lại theo phương chuyển động, kết hợp với
(lực bằng khối lượng nhân gia tốc) trong cơ học cổ điển ông nhận
0 3
1
m m
Tháng 6 năm 1905, Einstein cho ra đời bài báo viết về Thuyết tương đối hẹp [1] Bàibáo của Einstein bao gồm định nghĩa cơ sở mới về không gian, thời gian và từ bỏ khái niệmête Sử dụng phương pháp tiên đề, Einstein đã có thể dẫn ra mọi kết quả của các nhà khoahọc trước đây - và thêm vào đó là các công thức cho hiệu ứng Doppler tương đối tính vàquang sai tương đối tính Einstein sử dụng hai nguyên lý cơ sở: nguyên lý tương đối vànguyên lý về sự bất biến của tốc độ ánh sáng, tương ứng để giải thích lý thuyết điện từ củaMaxwell và sự không tồn tại của ête Hai nguyên lý trên kết hợp với nhau đã dẫn đến cácbiểu thức toán học tương tự với điện động lực học Lorentz, các kết quả này ban đầu đã đượcgọi là lý thuyết Lorentz-Einstein, mặc dù cơ sở lý thuyết của Einstein và Lorentz là hoàntoàn khác nhau
Trong mục số 10 (Dynamics of the Slowly Accelerated Electron) của bài viết năm
1905, Einstein sử dụng công thức lực bằng khối lượng nhân gia tốc khi khảo sát chuyểnđộng của electron trong điện từ trường và cũng thu được biểu thức khối lượng dọc và ngang
v c
Trang 19Ở thời điểm năm 1905 Einstein có thái độ bình thường với quan niệm về sự phụ thuộccủa khối lượng dọc và khối lượng ngang vào tốc độ đã được công nhận vào thời đó Thếnhưng trong bản in lại của bài báo này vào năm 1913 ở mục 10 Einstein đã bổ sung thêmlời chú thích: “định nghĩa của lực được sử dụng ở đây là không thích hợp, giống như M.Planck đã ghi chú Thay vào đó sẽ hợp lí hơn nếu định nghĩa lực theo cách sao cho các địnhluật về động lượng và bảo toàn năng lượng có dạng đơn giản nhất” [29].
Vậy cách định nghĩa lực của Planck mà Einstein đã nhắc đến là gì? Năm 1906 Planckbắt đầu nghiên cứu động lực học tương đối tính [30], Planck viết lại định luật II Newtondưới dạng (lực bằng tốc độ thay đổi của động lượng) Ông trình bày lại phần khảo sátchuyển động electron của Einstein theo cách khác và nhận được biểu thức động lượng tươngđối tính:
1
mv p
Theo cách khảo sát này thì chỉ có một khối lượng đối với chất điểm chuyển động, nó
không phụ thuộc tốc độ và không phụ thuộc hướng chuyển động.
Vào tháng 9 năm 1906 Planck viết bài báo tiếp theo phân tích lại thí nghiệm củaKaufmann dựa trên thuyết tương đối [31] Ông đã sử dụng biểu thức động lượng tương đốitính để giải thích kết quả thí nghiệm Trong cách giải thích của Planck, tỉ số điện tích trênkhối lượng là hằng số và sự phụ thuộc của khối lượng vào vận tốc đã không được đề cập
đến Planck cho rằng thí nghiệm Kaufmann là chưa đủ cơ sở để khẳng định lý thuyết nào là
đúng Ý tưởng của Planck đã có ảnh hưởng lớn đến Einstein Năm 1907 Einstein sử dụngbiểu thức động lượng tương đối tính (5) của Planck trong bài viết [32], và những năm sau
đó trong các bài viết của mình ông không nhắc đến sự phụ thuộc của khối lượng vào vận tốc,
không sử dụng khối lượng dọc và khối lượng ngang nữa, ông chỉ nói về định nghĩa mới của động lượng và năng lượng.
Biểu thức động lượng tương đối tính của Planck vào năm 1908 đã được Lewis viết lại
p mv , trong đó mm0 1v c2 2 [33], khái niệm khối lượng tương đối tính
đã ra đời từ đó và được nhiều tác giả sử dụng đến ngày nay Những tác giả này sử dụng kháiniệm khối lượng tương đối tính với mục đích đưa biểu thức động lượng tương đối tính vềdạng cổ điển Như vậy, khái niệm khối lượng tương đối tính hoàn toàn không có ý nghĩa vật
lý và không có cơ sở khoa học, nó cũng không được kiểm chứng bằng thực nghiệm như một
số tài liệu đã viết Mọi kết quả thực nghiệm về sự lệch của những electron chuyển động vớitốc độ cao trong từ trường có thể được giải thích trong phạm vi của động lực học mới, trong
đó động lượng và năng lượng có tính tương đối, còn khối lượng là đại lượng bất biến.Einstein không hề đưa ra khái niệm khối lượng tương đối tính và ông cũng chưa từng sửdụng nó trong thuyết tương đối
Trang 202.3 Những bất hợp lý khi sử dụng khái niệm khối lượng tương đối tính và nguyên nhân dẫn đến việc tồn tại sai sót
Năm 1948, trong một bức thư gửi cho Barnett, tác giả quyển sách “The Universe and
Dr Einstein”, Einstein viết : “Thật là không hay khi đưa ra khái niệm khối lượng
1
M m v c của một vật chuyển động, bởi vì không thể có một sự giải thích rõ ràng
về nó Tốt hơn là không đưa ra một khái niệm khối lượng nào khác với khái niệm “khối lượng nghỉ” m Thay vì đưa ra khái niệm khối lượng M thì ta nên đề cập đến biểu thức động lượng và năng lượng của một vật chuyển động” (hình 6) [34] Rõ ràng Einstein không ủng
hộ việc sử dụng khái niệm khối lượng tương đối tính, ông đã nhận thấy khái niệm này chứanhiều bất cập
Hình 6: Bức thư do Albert Einstein gửi cho Lincoln Barnett vào ngày 19 tháng 6 năm
1948 Bức thư này đã được in lại với sự cho phép của Hebrew University of Jerusalem,
Israel [34].
Bất cập đầu tiên là chính sự mâu thuẫn bên trong khái niệm khối lượng tương đối tính.Khối lượng của một vật là một đặc trưng cố hữu của vật, đó là thước đo về số lượng vật chấttạo thành vật thể Vậy thì nguyên nhân của sự tăng khối lượng của một vật khi tốc độ
chuyển động của nó tăng là gì? Lẽ nào có sự thay đổi ở cấu trúc bên trong của vật? có
nhiều nguyên tử hơn cấu tạo nên vật? Làm thế nào để có thể thật sự đo được sự tăng khối
lượng? Hiệu ứng giãn thời gian và co độ dài có thể đo được một cách rõ ràng, nhưng bất kỳ
sự thay đổi nào của khối lượng đều không thể đo trực tiếp mà chỉ có thể dùng suy luận [35].Việc sử dụng khái niệm khối lượng tương đối tính được dựa trên nền tảng phỏng đoán vàthiếu hợp lý Ví dụ, quan sát viên không thể nhận ra được sự thay đổi khối lượng của mộtvật phụ thuộc vào tốc độ của quan sát viên đó đối với vật Nghĩa là, nếu có một tên lửa đingang qua bạn và có một quan sát viên ngồi trong đó nhìn vào bạn, khối lượng của bạn cũng
Trang 21không thể tăng lên Hay nói cách khác, bạn không thể trở thành một lỗ đen nếu bạn chuyểnđộng với tốc độ đủ nhanh [36].
Vậy thì tại sao dù không tồn tại một giải thích rõ ràng nhưng khái niệm khối lượng
tương đối tính vẫn tồn tại? Bên cạnh việc “cổ điển hóa” biểu thức động lượng tương đối
tính (5) như đã nói ở mục 2.2 thì công thức liên hệ giữa khối lượng và năng lượng của
Einstein đã bị hiểu sai trong nhiều tài liệu.
Ba tháng sau khi viết bài báo đầu tiên về thuyết tương đối, Einstein tiếp tục cho ra đờimột bài báo vô cùng quan trọng nói về liên hệ giữa khối lượng và năng lượng (tháng 9 năm
là năng lượng chứa bên trong vật, và ngày nay, khi năng lượng được kí hiệu bằng chữ E thì
công thức Einstein thường được biểu thị dưới dạng:
2
độ v) thì tương ứng với khối lượng tương đối tính:
2 0
1
m c E
m và khối lượng tương đối tính m.
Tuy nhiên, chính xác thì năng lượng trong công thức Einstein là năng lượng nghỉ, và nếu như sử dụng các kí hiệu hiện đại thì biểu thức đúng phải là:
2
