Tìm hiểu cuộc đời và những công trình nghiên cứu khoa học của albert einstein

Điều này đã thúc đẩy bản thân tôi tìm hiểu và tổng hợp các tài liệu liên quan đến Albert Einstein; đồng thời được sự giúp đỡ, chỉ bảo tận tình của thầy giáo Trương Thành đã đưa tôi đến v

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

KHOA VẬT LÝ

- -

NGÔ THỊ NGỌC SƯƠNG

Tìm hiểu cuộc đời và những công trình nghiên

cứu khoa học của Albert Einstein

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

SƯ PHẠM VẬT LÝ

A MỞ ĐẦU

1 Lí do chọn đề tài

Albert Einstein là một trong những nhà bác học vĩ đại của ngành vật lý học hiện đại, kết quả những công trình nghiên cứu khoa học của ông ngày nay đang được ứng dụng rộng rãi trong khoa học kỹ thuật và đời sống Nói đến Einstein trước hết là nói đến các cuộc cách mạng khoa học vĩ đại của thế kỷ XX do ông khởi xướng năm 1905 đã diễn ra dồn dập, vào lúc giới vật lý tin rằng tòa nhà vật lý sắp hoàn chỉnh Đó là cuộc cách mạng của thuyết tương đối và thuyết lượng tử Từ đó tạo ra những cuộc cách mạng công nghiệp, thay đổi bộ mặt của xã hội

Tuy nhiên, không phải bản thân sinh viên nào cũng có một cái nhìn tổng quát, đầy đủ và khách quan về cuộc đời ông và các công trình nghiên cứu đó Ông không phải là một siêu nhân xa vời, mà là con người gần gũi với chúng ta, với những ưu điểm và khuyết điểm, những thành công và sai lầm Nhưng trong ông có một lòng say mê khoa học to lớn, một lòng tin vững chắc vào sự nghiệp mà mình theo đuổi, vì thế mà vượt qua mọi khó khăn, mọi định kiến để cùng sát cánh với các nhà khoa học vươn tới chân lý khoa học

Cuộc đời nghiên cứu và cống hiến cho khoa học của Albert Einstein là một chủ đề đã được rất nhiều tác giả viết và tái hiện lại Tuy nhiên, những tác phẩm được viết về ông lại mang tính chất đơn lẻ và chỉ tái hiện một khía cạnh nào đó Điều này đã thúc đẩy bản thân tôi tìm hiểu và tổng hợp các tài liệu liên quan đến Albert Einstein; đồng thời được sự giúp đỡ, chỉ bảo tận tình của thầy giáo Trương

Thành đã đưa tôi đến với đề tài “Tìm hiểu cuộc đời và những công trình nghiên cứu khoa học của Albert Einstein” Hi vọng rằng đây sẽ là một tài liệu bổ ích và

qua đây, chúng ta càng yêu mến, cảm phục và biết ơn các nhà khoa học đã tận tụy

vì khoa học để phục vụ nhân loại

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu:

+ Các tài liệu liên quan đến Albert Einstein và những công trình nghiên cứu khoa học của ông

+ Một số ứng dụng thực tiễn của các công trình nghiên cứu khoa học của Albert Einstein trong cuộc sống và khoa học kỹ thuật

+ Một số tài liệu tổng hợp về các ví dụ và thí nghiệm kiểm chứng thuyết tương đối

- Phạm vi nghiên cứu:

+ Đề tài chủ yếu tập trung vào nghiên cứu và tìm hiểu về cuộc đời, những công trình nghiên cứu khoa học tiêu biểu của Albert Einstein và một số ứng dụng của nó trong cuộc sống và khoa học kỹ thuật

4 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Tái hiện một cách khách quan các sự kiện diễn ra trong cuộc đời của Albert Einstein cũng như quá trình phát triển của các thuyết, định luật vật lý mà ông đã phát hiện, nghiên cứu và được công nhận

- Tìm hiểu sự ra đời và cơ sở của thuyết tương đối rộng, thuyết tương đối hẹp

- Tìm hiểu một số bài tập ví dụ về thuyết tương đối hẹp

- Tìm hiểu cách chứng minh công thức E = m.c2 - hệ quả của thuyết tương đối hẹp, năng lượng hạt nhân và ứng dụng của nó trong đời sống và sản xuất

5 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu cơ sở lí luận

- Thu thập sách vở, tài liệu liên quan đến đề tài

- Nghiên cứu tài liệu tham khảo liên quan đề tài

- Kết luận chung về đề tài

7 Cấu trúc và nội dung của khóa luận

Đề tài gồm có 3 chương:

CHƯƠNG I: Tổng quan về cuộc đời và những công trình khoa học của Albert Einstein

CHƯƠNG II: Thuyết tương đối

CHƯƠNG III: Công thức năng lượng E = mc2, năng lượng hạt nhân và ứng dụng của nó trong đời sống, sản xuất

B NỘI DUNG CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CUỘC ĐỜI VÀ NHỮNG CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA ALBERT EINSTEIN

1.1 Sơ lược về cuộc đời Einstein và những công trình khoa học

Albert Einstein sinh ngày 14 tháng 3 năm

1879 tại thành phố Ulm thuộc bang

Baden-Wurttemberg của Đức, và mất ngày 18 tháng 4 năm

1955 tại Princeton, Mỹ Ông là con trai đầu của một

gia đình gốc Do Thái đã định cư lâu đời ở vùng này;

bố là Hermann Einstein, một kỹ sư đồng thời là một

nhân viên bán hàng, mẹ là Pauline Einstein (Koch)

Năm 1879 còn là năm sinh của Max von

Laue và Otto Hahn Max Planck gọi đó là “năm

được mùa lớn” cho ngành vật lý, một sự kiện khá hi

hữu, giống như sự kiện tương tự Napoleon,

Beethoven và Hegel sinh cùng một năm (1770) Cả

ba Einstein, von Laue và Hahn, đều được giải Nobel Năm sinh của Einstein cũng còn là năm mất của một con người rất quan trọng trong ngành vật lý: J.C Maxwell Maxwell là người có ảnh hưởng rất lớn lên sự phát triển vật lý đầu thế kỷ XX, giúp Einstein tìm được con đường thoát ra khỏi thế giới quan của Newton

Gia đình của Einstein không theo đạo của người Do Thái, có tinh thần phóng khoáng Ông lớn lên không bị ràng buộc về tôn giáo, cho đến khi chứng kiến những cảnh kỳ thị người gốc Do Thái, nhất là khi sống ở Berlin, ông mới tự nguyện tham gia phong trào thành lập một quê hương cho những người Do Thái (Zionism) Ông là người đam mê âm nhạc Từ lúc sáu tuổi, Albert đã được mẹ dạy cho chơi vĩ cầm Và ở tuổi mười hai, mười ba, cậu đã chơi nhạc Mozart và Beethoven trên vĩ cầm cùng với mẹ trên dương cầm Cây vĩ cầm trở thành người bạn đời và là nguồn vui, an ủi suốt cuộc đời ông

Người ta kể rằng cậu bé Albert có một số đặc tính nổi bật không giống với các cậu bé bình thường, không phải biểu hiện thiên tài mà ngược lại Cậu sinh ra đã

Hình 1.1: Albert Einstein (1879-1955)

có cái đầu quá to khiến bố mẹ tưởng là “quái thai”, rồi lại “chậm phát triển”, ba tuổi ông chưa nói được, gây lo lắng, bố mẹ phải tìm bác sĩ tư vấn Chín tuổi mà cũng chưa nói năng được thông thạo Nhưng người ta đoán rằng cậu bé Albert đã suy nghĩ bằng hình ảnh nhiều hơn là bằng chữ hay lời nói Những gì Einstein sau này viết ra đều chứa đầy hình ảnh, như những bức tranh, từ khoa học đến văn phong Cậu bé Einstein thường ít nói mà thích quan sát và chơi những trò chơi cần đến sự kiên nhẫn, thích lắp ráp những mẩu gỗ xây dựng và xây nhà cao tầng bằng các tấm bài Cậu nổi tiếng là người “mơ mộng”, và không ai khám phá ra cậu có những thiên phú gì “Tôi là một học sinh không đặc biệt giỏi hay tồi Điểm yếu chính của tôi là tôi có một trí nhớ không tốt, đặc biệt cho chữ và văn bản.” và “Chỉ trong toán

và vật lý tôi đi xa hơn chương trình học của trường, với triết học cũng vậy…” như ông nhớ lại Tự học là chìa khóa của con đường khoa học của cậu, xuất phát từ tinh thần độc lập của ông Einstein có một cá tính nổi bật là không thích sự gò bó, ép buộc, mà quân đội, kỷ luật, đồng phục, diễu hành là những biểu hiện nổi bật của sự

gò ép đó; ông không thích kỷ luật nghiêm ngặt và cách học thuộc lòng trong nhà trường Phổ lại là một nước có truyền thống quân sự và một nước có kỷ luật chặt chẽ nổi tiếng từ trường học đến đường phố Ông cũng ý thức sớm sự vô nghĩa của những gì người đời săn đuổi với sự tàn bạo Ông sớm đọc các tác phẩm triết học ở tuổi 13 và say mê với các sách khoa học đại chúng Với tuổi 13, ông đã chuyển cái nhìn từ tôn giáo sang cái nhìn kỳ quan của vũ trụ

Einstein là người bạn với kho báu sách vở… Một sự kiện đã làm thay đổi Einstein rất sâu sắc lúc ông 12 tuổi Gia đình Einstein thực hiện một phong tục của người Do Thái là nhận một sinh viên nghèo người Do Thái đến ăn cơm một lần trong tuần Đó là Max Talmud, một sinh viên y khoa từ Ba Lan Tuy Max lớn hơn Albert đến 10 tuổi nhưng hai người đã trở thành bạn thân của nhau Chính Talmad

đã hướng Einstein đến bộ Sách khoa học đại chúng của Aaron Bernstein, cuốn Lực

và Chất có tính chất triết lý của Lugwig Buchner, Phê phán lý tính thuần túy của Immanuel Kant, cũng như nhiều sách khác về hình học và các lĩnh vực khác của toán học Hậu quả là sự thay đổi triệt để của Einstein đối với tôn giáo và quyền lực chính trị, và thái độ tư duy tự do của ông Einstein cũng từ chối lễ kiên tín, điều kiện

để làm một thành viên của cộng đồng Do Thái giáo Sau này, khi ông kết hôn, hôn

lễ cũng không tổ chức theo nghi lễ tôn giáo nào cả, mà chỉ là dân sự Khi mất, xác ông cũng được hỏa thiêu không theo một nghi lễ tôn giáo nào cả, đúng với di chúc của ông

là của tôn giáo, triết học, che chắn nhãn quan

Hình 1.3:Einstein khoảng 15 tuổi, lúc bỏ nước Đức ra đi Hình 1.2:Einstein lúc 6 tuổi và em gái

Năm 1894, gia đình của Albert Einstien thanh lý xí nghiệp và di chuyển đến vùng Bắc Ý, để Albert ở lại Munich dưới sự chăm sóc của bà con nhưng sau đó ông đã rời bỏ trường để theo cha mẹ sang Ý Ông rời trường học nhưng không rời khoa học Mục tiêu của ông là vào học trường đại học kỹ thuật ETH Zurich Trường này là trường ngoài nước Đức ra tốt nhất ở châu Âu và không đòi hỏi bằng tú tài mà chỉ yêu cầu phải thi một kỳ thi khảo sát Ông bắt đầu sống tự lập và tự hoạch định tương lai cho mình Trong những ngày ở Ý, ông đã tiếp tục tự học vật lý và viết bài tiểu luận đầu tiên về vật lý “Nghiên cứu về trạng thái chất ether trong từ trường” Một năm sau, Einstein đươc phép thi nhập học vào ETH Zurich, mặc dù tuổi nhỏ hơn tuổi tối thiểu cho phép là 18 Kết quả của các môn toán và vật lý đều xuất sắc nhưng bị đánh trượt vì kém ở các môn khác là ngôn ngữ và lịch sử Ông đăng ký vào trường trung học ở Aarau gần Zurich để học thêm một năm và ra trường với điểm thủ khoa Đương nhiên ông được vào học ETH Nguyện vọng của ông thật đơn giản, ông muốn dành thời gian bốn năm để học toán và vật lý Mục tiêu của ông

là trở thành thầy giáo trung học trong những lĩnh vực này Cũng năm 1986, ông đã

ra khỏi quốc tịch Đức và sống “vô quốc gia” trong năm năm cho đến năm 1901 nhận được quốc tịch Thụy Sỹ

Khi tốt nghiệp cử nhân năm 1900 với luận văn cử nhân về đề tài trong lý thuyết dẫn nhiệt, cậu sinh viên Einstein rất kỳ vọng vào một chân giảng nghiệm viên ở đại học ETH để tiếp tục việc nghiên cứu khoa học nhưng thất bại Ông bắt tay vào việc làm luận án tiến sĩ Năm 1901, bài báo cáo khoa học đầu tiên “Các hệ quả của hiện tượng mao dẫn” được công bố trên Annalen der Physik; Einstein xin làm giảng nghiệm viên cho Ostwald tại Đức, cho Kamerlingh Onnes tại Hà Lan nhưng đều không có kết quả Như một trớ trêu của lịch sử, năm 1918 sau khi Einstein đã về với Hàn lâm viện Phổ ở Berlin rồi và hoàn tất thuyết tương đối rộng, lúc này ông đã rất nổi tiếng, thì chính đại học ETH Zurich phối hợp với đại học Zurich với sự nỗ lực lớn kéo Einstein về đã gửi thư mời ông về lại Zurich với những

ưu đãi đặc biệt Nhưng ông viết: “Từ bỏ tất cả ở Berlin nơi người ta đã hậu đãi tôi không kể xiết, tôi không thể làm điều đó được Tôi đã hạnh phúc biết bao nếu 18 năm trước tôi được một chân trợ lý khiêm tốn tại đại học bách khoa! Nhưng tôi đã

không được thế! Thế giới là một bệnh viện tâm thần, người ta tin tất cả vào tên tuổi Một người khác cũng có thể dạy tốt – nhưng mà…”

Năm 1902, Einstein dọn về thành phố Bern, lúc đầu sống nhờ vào tiền hỗ trợ của gia đình và tiền dạy kèm toán, vật lý, sau đó ông được nhận vào làm

“chuyên viên hạng ba” của Sở bản quyền sáng chế liên bang Thụy Sĩ Ông chỉ được làm thử việc, kéo dài cho đến năm 1904 mới được làm chính thức Đầu năm 1902, Einstein và Mileva có một con gái tên là Lieserl Einstein, sinh ở Novi Sad nơi bố

mẹ của Mileva sống,và Lieserl sống đến khoảng sau năm 1903 Einstein và Mileva cưới tháng 1 năm 1903 Tháng 5 năm 1904, đứa con trai đầu tiên của hai người, Hans Albert Einstein, sinh ra tại Bern, Thụy Sĩ Con trai thứ hai của họ, Eduard Einstein sinh tại Zurich vào tháng 6 năm 1910 Năm 1914, Einstein dời đến Berlin, trong khi vợ ông ở lại Zurich cùng với các con Mileva và Einstein ly dị ngày 14 tháng 2 năm 1919, sau khi sống ly thân trong 5 năm Sau này, Einstein lấy em họ con dì người Đức Elsa Löwenthal Năm 1933, họ nhập cư Mỹ Năm 1935, Elsa Einsten bị bệnh tim và chết vào tháng 12 năm 1936 Hai cô con gái riêng của Elsa được Albert Einstein đối xử như con đẻ, và lấy họ của ông: Ilse Einstein và Margot Einstein

Vài tháng sau khi Einstein tốt nghiệp cử nhân Zurich thì thế giới nhận được

từ Berlin một tin mang ý nghĩa trọng đại nhưng chưa ai hiểu Ngày 14.12.1900 Max Planck, ở tuổi 42, thông báo trước Hội Vật lý Đức về khám phá định luật của ông Ông khám phá ra rằng những tính chất của bức xạ của một vật thể nóng đỏ sẽ được giải thích hoàn toàn chính xác nếu người ta giả thiết một vật thể như thế phát ra hay hấp thu ánh sáng chỉ qua “các gói năng lượng”, được gọi là lượng tử, không phải liên tục Nhưng đó mới chỉ là giải pháp tình thế và chưa ai, kể cả Max Planck, hiểu hết tầm quan trọng của giả thuyết lượng tử này hay tin vào tính phổ cập của nó trong tự nhiên

Rồi năm 1905 đến với Einstein, lúc 26 tuổi, như “năm thần kỳ” trong lịch

sử khoa học, tạp chí “Niên giám vật lý” (Annalen der Physik) nổi tiếng của Đức năm đó nhận được năm bài báo của Einstein liên tiếp chỉ cách nhau vài tháng Đó là năm bài báo có sức mạnh thay đổi thế giới! Chúng nhắm vào ba chủ đề: (1) bản chất của chuyển động Brown trong chất lỏng, bằng cách sử dụng xác suất như một

phương pháp nghiên cứu mới trong vật lý, góp phần đặt cơ sở cho ngành cơ học thống kê (độc lập với Gibbs), và giải thích được sự hiện hữu của nguyên tử, lúc bấy giờ vẫn còn bị nghi ngờ rộng rãi; (2) giả thuyết “lượng tử ánh sáng”, rằng ánh sáng được cấu tạo bằng hạt được gọi là photon với những “gói năng lượng lượng tử” rời rạc, chỉ được phát ra hay hấp thu trọn gói; một trong những áp dụng của giả thuyết lượng tử ánh sáng là giải thích được hiện tượng quang điện khó hiểu lúc bấy giờ (năm 1921 ông nhận được giải Nobel về công trình này); (3) “Về điện động lực học các vật thể chuyển động”, tức thuyết tương đối hẹp Năm bài báo nhanh chóng trở thành động lực và nguồn cảm hứng cho giới khoa học Chúng gây ra hai cuộc cách mạng lớn của thế kỷ 20 về thế giới quan Cuộc cách mạng thứ nhất đã làm thay đổi hẳn quan niệm về không gian và thời gian, đó là lý thuyết tương đối hẹp Mười năm nữa, năm 1915, ông hoàn tất thuyết tương đối rộng, theo đó không gian và thời gian

sẽ kết nối với nhau thành một không gian bốn chiều, được gọi là không- thời gian với một độ cong, nhằm để giải mã lực hấp dẫn huyền bí của Newton hơn hai trăm năm trước Cuộc cách mạng thứ hai là cách nhìn hoàn toàn mới về bản chất hạt của vật chất: hạt xuất hiện đồng thời như sóng… Trong suốt thời gian làm việc tại sở sáng chế, Einstein đã viết nhiều bài báo cáo, nghiên cứu về nhiệt đặc trưng, xây dựng lý thuyết lượng tử cho vật thể rắn

Năm 1909, Einstein được phong giáo sư (thỉnh giảng) về môn vật lý lý thuyết ở đại học Zurich, Thụy Sĩ Trong khoảng thời gian này, Einstein là “khách danh dự” của Hội nghị thường niên của các nhà nghiên cứu khoa học Đức và họp tại Salzburg, Áo Ông đọc một bài báo cáo dài về “Tiến trình quan niệm của chúng

ta về bản chất và cấu tạo của bức xạ” và về phương trình nổi tiếng E = mc2 Tại đây ông đã làm quen với các nhà khoa học trọng đại của Đức như Max Planck, Heinnrich Rubens, Arnold Sommerfeld, Max Born, Lise Meitner Năm 1911, Einstein được phong giáo sư thực thụ tại đại học Đức Prag có truyền thống lâu đời Vào 30 tháng 10, Hội nghị quốc tế Solvay tại Brussells, Bỉ, lần I, Einstein tham dự

và đọc báo cáo về lý thuyết lượng tử của vật rắn Hiện tượng thăng giáng tự phát không giới hạn vào vật thể vật chất cũng xuất hiện với bức xạ Để suy ra được cường độ của chúng cần phải chấp nhận giả thiết ánh sáng có tính chất hạt, như đã được đề xuất từ lý thuyết photon của ánh sáng năm 1905 Tham dự hội nghị có

nhiều nhân vật tên tuổi có ấn tượng mạnh về Einstein và có kế hoạch thuyết phục Einstein về Berlin Đến năm 1912, ông được phong làm giáo sư thực thụ tại đại học ETH Zurich, sau khi được Marie Curie và Henri Poincare nồng nhiệt ủng hộ Từ tháng 8 năm 1912 đến 1913, ông bắt đầu sự hợp tác với Marcel Grossmann (lúc đó giáo sư toán tại ETH) về cơ sở của lý thuyết tương đối rộng Lần đầu tiên lực hấp dẫn được diễn tả bởi tensơ metric Hai người tin rằng mình đã chứng minh được các phương trình của trường hấp lực thông thường là không hợp biến

Năm 1915, công trình “Về lý thuyết tương đối rộng” sau nhiều lần tu chỉnh

đã được hoàn thiện và được Einstein báo cáo trước Hàn lâm viện khoa học Phổ Độ lệch 43 giây của quỹ đạo sao Mercury trong 100 năm được LeVerrier phát hiện nay được kiểm chứng lại bằng lý thuyết tương đối rộng Độ lệch ánh sáng gần mặt trời được tiên đoán là 1,7 Và cuối năm 1919, kết quả đo đạc của các đoàn thám hiểm của Eddington và Crommelin đã công bố tiên đoán của Einstein về độ lệch của ánh sáng khi đi ngang mặt trời (1,73”) là chính xác Tháng 5 năm 1916, Einstein giữ chức chủ tịch Hội Vật lý Đức, kế nhiệm Planck Trong thời gian này, ông đã có những bài nghiên cứu về sóng lực hấp dẫn và lý thuyết lượng tử Từ đầu năm 1917, Einstein lần lượt bị đau gan, bao tử, và loét tá tràng cũng như chứng vàng da; và bốn năm sau sức khỏe ông mới được phục hồi với sự chăm sóc tận tình của bà chị

họ Elsa Cũng thời gian này, viện nghiên cứu của Vua Wilhem về Vật lý được thành lập từ năm 1914, bị chiến tranh làm chậm trễ, đã bắt đầu hoạt động dưới sự lãnh đạo của Einstein

Năm 1921, giải Nobel Vật lý được trao cho Einstein “vì những đóng góp của ông trong vật lý lý thuyết và đặc biệt về sự phát hiện hiệu ứng điện quang” Đến năm 1923, sự giải thích hiệu ứng Compton bằng giả thuyết lượng tử ánh sáng

đã đẩy lùi sự chống đối dai dẳng đối với quan niệm hạt photon của Einstein Tháng

12 năm 1924, Einstein đưa ra thống kê Bose-Einstein, dựa trên công trình ấn tượng của S.N Bose, một nhà Vật lý Ấn Độ trẻ Cuối năm 1925 ông công bố khám phá sự ngưng tụ Bose-Einstein; và cũng năm này, ông đã công bố phác thảo đầu tiên về lý thuyết trường thống nhất

Năm 1928, do làm việc quá sức Einstein đã ngã bệnh và cần một năm để hồi phục Helen Dukas bắt đầu làm thư ký cho ông Ông từ chối lời mời làm giáo sư

tại Leiden, Hà Lan, để kế nhiệm Lorentz Nghịch lý Einstein-Podolky-Rosen được

công bố vào năm 1935, trước mắt đã chấm dứt cuộc tranh luận về cơ sở của cơ học

lượng tử

Năm 1939, Einstein ký tên lá thư nổi tiếng gửi đến tổng thống Mỹ F.Roosevelt để cảnh báo trước nguy cơ Đức có thể có một chương trình sản xuất

bom nguyên tử và cảnh báo chính quyền Mỹ nên xem xét một kế hoạch nghiên cứu

lớn cho đề án này Einstein là một người theo chủ nghĩa hòa bình nhưng đứng trước

một thế lực nguy hiểm của nhân loại là Nazi ông không để mình tự bó tay nên đã có

hành động tích cực Tuy nhiên, sau khi Mỹ ném bom nguyên tử xuống Nhật,

Einstein rất hối hận nói: “ Nếu tôi biết được rằng người Đức không sản xuất được

bom nguyên tử thì tôi đã không động đến một ngón tay” Thực sự Đức cũng có một

đề án phản ứng hạt nhân, nhưng do hoàn cảnh chính trị, xã hội xấu đi, một mình

Heisenberg và Weizsacker là những nhà vật lý nguyên tử còn ở lại không cáng đáng

nổi, trong khi tại Los Alamas, cả một đội quân khoa học gia hùng hậu với rất nhiều

thành viên là những khoa học gia tài giỏi về vật lý nguyên tử từ châu Âu chạy trốn

chủ nghĩa phát xít được tập hợp tại đề án Manhattan, đặc biệt là hai nhà vật lý học

đầu đàn Fermi và Szilard Và cũng chính Einstein đã tham gia vào chống lại quyết

định của chính quyền Hoa Kỳ tiếp tục chế tạo bom hyđro

Năm 1948, Einstein bị giải phẫu bụng dưới, một động mạch chủ phình ra

Đến năm 1954, ông bị bệnh thiếu máu tan huyết Đến ngày 18 tháng 4 năm 1955,

Einstein mất tại Princeton lúc 1 giờ 25 sáng, hưởng thọ 76 tuổi Thi thể ông được

thiêu lúc 16 giờ cùng ngày và được đem đi rải ở một nơi không ai biết

Hình 1.4: Albert Einstein trong một cuộc phỏng vấn năm 1950 chống lại quyết định của chính quyền Hoa Kỳ tiếp tục chế tạo bom Hydero

(Nguồn: Einsteins Lenben und

Werk, tr.22)

1.2 Những công trình nghiên cứu khoa học của Einstein

Albert Einstein là người đã sáng lập ra ngành vật lý học hiện đại Ông đã xây dựng nên thuyết photon về ánh sáng, thuyết không gian, thời gian và trường hấp dẫn, cơ học của các chuyển động với các vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng – thuyết tương đối hẹp và thuyết tương đối rộng; thống kê lượng tử của các hạt có spin nguyên (cùng với Bose); ông đã đưa khái niệm về các chuyển dời tự phát và cảm ứng; ông đã khởi thảo ra lý thuyết về chuyển động Brown, đã chứng minh rằng

cơ sở của tính sắt từ là mômen riêng của electron Công thức Einstein mối liên hệ giữa khối lượng và năng lượng là cơ sở của ngành vật lý hạt nhân

1.3 Einstein – Con người giải phóng

Albert Einstein là một người sống tự do Tuy là người Đức gốc Do Thái nhưng Einstein không theo đạo của người Do Thái, có tinh thần phóng khoáng Ông lớn lên không bị ràng buộc về tôn giáo, cả trên con đường học tập và sự nghiệp của mình, ông cũng không chịu một sự ràng buộc nào hết Bởi theo ông, nghi lễ và tín điều trong tôn giáo là một sự cưỡng chế làm cho con người mất đi ý chí và tính độc lập tư duy để trở thành phụ thuộc vào quyền lực nhà thờ, cũng như những sự tập luyện và kỷ luật khắc khe của quân đội nhằm làm con người vâng lời tuyệt đối với cấp trên Einstein đâm ra nghi ngờ quyền lực nhà thờ, Thiên chúa cũng như Do Thái Ông trở thành một người tư duy tự do, không tin vào mọi thứ quyền lực, kể cả quyền lực nhà nước Vì quyền lực là cưỡng chế, nhằm ngăn cản con người suy nghĩ

Sự nghi ngờ quyền lực phát triển sớm đã giúp Einstein sau này đủ can đảm và vững tin để đặt lại vấn đề đối với tất cả những tín điều khoa học, để có thể làm cuộc cách mạng trong vật lý Và ông cũng không để cho thiên kiến nào, dù là tôn giáo, triết học hay những đòi hỏi tầm thường cá nhân che mắt nhãn quan Cái nhìn của ông, tư duy, tình cảm của ông phải hoàn toàn được thông thoáng và tự do, tiền đề cho những cuộc khám phá vũ trụ

Einstein, được ví như “bộ óc thế kỷ”, cho rằng mình không thông minh hơn người thường và rằng thông minh không phải là yếu tố quyết định cho sự thành công, mà là sự tò mò thiêng liêng mới là yếu tố quyết định Óc tò mò của tuổi thơ không bao giờ mất ở ông, và luôn là động cơ của các khám phá Ai không còn tò

mò, người đó như đã chết Einstein vì thế chống lại những ảnh hưởng có thể giết

chết hay làm hại óc tò mò của học sinh từ ghế nhà trường: đó là những cách giáo dục với lối huấn luyện khắc nghiệt, nhồi nhét cho thật nhiều kiến thức, học nhưng không phải để hiểu, để khỏi tư duy, sáng tạo; hoặc tinh thần cạnh tranh vô tâm của chủ nghĩa tư bản như ông thường lên án

Einstein là một con người tự do và độc lập Mười lăm tuổi, ông đã tự ý bỏ trường và bỏ nước ra đi trước sự kinh ngạc của bố mẹ Mười sáu tuổi ông đã nghĩ mình sẽ là một nhà vật lý lý thuyết Nhưng sau một thời gian vào đại học, ông thấy mình không phải là sinh viên giỏi, có lúc nghĩ đến việc nối nghiệp bố đi xây dựng các nhà máy điện Ông đã từng đi thăm các nhà máy điện của bố xây ở Bắc Ý Ông

đã đăng ký những môn phụ như thống kê và quản trị kinh doanh để có thể bước vào nghề kinh doanh Chính những kiến thức về thống kê sau này đã được ông đem sử dụng vào việc giải thích các định luật chuyển động Brown và thuyết lượng tử năm

1905, thay vì vào việc kinh doanh! Ông cũng tính đến việc làm nhà giáo trung học sau khi tốt nghiệp, nghề ông ngưỡng mộ và thích thú, tấm bằng cử nhân sẽ cho phép ông làm nhà giáo để theo chân vị thầy khả kính Winteler ở Aarau Ông đã đi dạy kèm để kiếm sống… Nhưng rồi tình yêu và sự đam mê khoa học, cùng với sự tự tin

đã đưa Einstein vượt qua những khó khăn trước mắt để tiếp tục đi lên trong sự nghiệp khoa học của mình Và cùng với Michele Besso và những người bạn khác của Einstein đều là những chiến sĩ “nghiệp dư” hăm hở trong vật lý, nhưng vì thế

mà thoát khỏi ảnh hưởng của bộ máy hàn lâm để vươn lên những ý tưởng hoàn toàn mới

+ Einstein và gi ải Nobel

Trong lịch sử giải Nobel về khoa học có lẽ trường hợp Einstein là “kỳ thú” nhất Einstein đã sớm được đề cử cho giải Nobel vật lý đầu tiên từ năm 1910, lúc ông 31 tuổi Hầu như tất cả những người đề cử ông đều đề nghị trao giải cho ông về công trình Thuyết tương đối Người đầu tiên đề cử ông lại là Wilhelm Oswald, nhà Hóa học Đức giải Nobel năm 1909, và là người Einstein đã xin một chân giảng nghiệm viên không thành công năm 1901 Năm 1911, ông lại đề nghị Einstein lần nữa, và nhấn mạnh vai trò của thuyết tương đối hẹp Liên tục ngày càng có nhiều người đề cử ông Eddington đã đề cử và đánh giá “Einstein là người giữ vị trí giống như Newton đã giữ những người đương thời ông” Neil Bohr đề cử ông với những

công trình chuyển động Brown, hiệu ứng quang học, lý thuyết nhiệt đặc trưng, và trên hết là Thuyết tương đối Nhưng trong ủy ban đánh giá ứng cử viên có một số thành viên không thích Thuyết tương đối, thậm chí cho rằng thuyết đó sai 15 năm trôi qua kể từ 1905, nhất là sau năm 1919 sau khi thuyết tương đối được các đoàn thám hiểm Anh xác nhận rực rỡ, mà Einstein vẫn chưa nhận được giải Nobel, thì đó

là điều khó hiểu và kỳ lạ đối với giới khoa học

Tình thế này được thay đổi vào năm 1921 khi nhà Vật lý lý thuyết Carl Wilhelm Ossen trở thành thành viên của ủy ban giải Nobel Ông đã thuyết phục được các thành viên khác của ủy ban công nhận giải Nobel cho công trình hiệu ứng quang điện của Einstein Và điều đó đã xảy ra năm sau: Ủy ban Nobel tuyên bố công nhận giải Nobel năm 1921 cho Einstein, cho “các đóng góp cho ngành vật lý

lý thuyết và đặc biệt cho khàm phá định luật hiệu ứng quang điện” Nhưng đáng chú

ý hơn là sự công nhận giải không bao hàm sự công nhận Thuyết tương đối và Thuyết hấp dẫn của ông! Giải Nobel đã làm dịu dư luận phần nào vì cuối cùng Einstein cũng được giải Người ta kể rằng, khi được hỏi, Einstein đã phát biểu cảm tưởng của mình như sau: “Tôi rất vui mừng – vì nhiều lý do trong đó có lý do, vì người ta không còn đặt câu hỏi trách móc cho tôi nữa: Tại sao ông không được giải Nobel?”

Nhưng lịch sử chưa chấm dứt ở đó Còn một câu hỏi nữa đặt ra mà cho đến nay không được trả lời, là tại sao Einstein chỉ được nhận một giải Nobel mà không phải là hai? Tại sao Einstein không được nhận giải Nobel cho thuyết tương đối sau

đó Trong lịch sử giải Nobel có một số nhà khoa học được hai lần giải Thực ra giải Nobel cần Einstein hơn Einstein cần giải

CHƯƠNG II: THUYẾT TƯƠNG ĐỐI

2.1 Thuyết tương đối hẹp

2.1.1 Sự ra đời thuyết tương đối hẹp

Trường điện từ lan truyền trong không gian dưới dạng sóng, sóng đó được gọi là sóng điện từ Vận tốc lan truyền của sóng điện từ bằng vận tốc của ánh sáng

Lý thuyết điện từ của Maxwell không phải là lý thuyết hạt mà là thuyết sóng Nhưng ở thời kỳ lý thuyết trường điện từ ra đời thì những quan điểm của hạt

cơ học Newton còn đang giữ địa vị độc tôn Lúc đó người ta giải thích lý thuyết Maxwell và lý thuyết vật lý khác trên quan điểm cơ học Chẳng hạn để truyền sóng

âm học hay nói chung là sóng cơ học Vì vậy khi quan niệm ánh sáng là sóng thì cần phải có môi trường đàn hồi để truyền sóng ánh sáng Môi trường đó gọi là ether ánh sáng Tương tự, để truyền sóng điện từ, thì cũng phải tồn tại môi trường đàn hồi được gọi là ether điện từ Sau này, khi ánh sáng được coi là sóng điện từ thì ether ánh sáng và ether điện từ là đồng nhất có tên là ether vũ trụ

Theo tính toán thì ether vũ trụ có tính chất rất khó hiểu Nó phải là môi trường trong suốt thấm vào mọi vật nhưng lại phải có khối lượng rất lớn Quan niệm ether vũ trụ tồn tại mãi đến đầu thế kỷ XX

Tuy nhiên, khi giải thích hiện tượng tinh sai người ta thừa nhận rằng: Khi Trái Đất chuyển động ether vẫn đứng yên; nói cách khác ether không bị kéo theo cùng với mặt đất Trong kết quả của thí nghiệm Fizeau, vận tốc ánh sáng trong nước được mô tả bởi công thức:

𝑐

𝑛 ± v (1 - 1

lại được giải thích rằng ether đã bị nước kéo theo một phần cùng với nó

Còn trong kết quả thí nghiệm của Michelson-Morley, nhằm phát hiện ra chuyển động của Trái đất trong môi trường ether vũ trụ, thì lại không phát hiện ra gió ether Một trong những cách giải thích kết quả thí nghiệm đó coi rằng khi Trái đất chuyển động lớp ether gần mặt đất bị kéo theo hoàn toàn cùng mặt đất

Như vậy, qua hiện tượng tinh sai, thí nghiệm Fizeau và thí nghiệm của Michelson-Morley, ta nhận thấy xuất hiện một mâu thuẫn nội tại trong lý thuyết:

Khi thì phải coi ether không bị kéo theo cùng với vận tốc chuyển động, khi thì phải coi ether bị kéo theo một phần cùng với vật chuyển động, khi thì coi lớp ether gần mặt đất bị kéo theo hoàn toàn cùng mặt đất Sự mâu thuẫn này cơ học Newton không giải quyết được Sự mâu thuẫn này cũng như mâu thuẫn khác trong lý thuyết vật lý ngày càng phức tạp hơn và nó đòi hỏi cần có một môn cơ học tổng quát hơn

để giải quyết những mâu thuẫn đó Và trong hoàn cảnh đó thì thuyết tương đối Einstein hay nói cách khác là thuyết tương đối hẹp đã ra đời.[4]

2.1.2 Cơ sở cho thuyết tương đối hẹp

- Nguyên lý tương đối

Galilê đã phát biểu trong tác phẩm Discorsi nổi tiếng của mình khoảng

1630 nguyên lý tương đối như sau: các thí nghiệm (cơ học) được thực hiện trên một chiếc tàu chạy với vận tốc đều sẽ có cùng kết quả đo dạc với những thí nghiệm đó khi chiếc tàu đứng yên Thí dụ những giọt nước rỏ xuống từ một bình nước treo trên một chiếc tàu chạy với vận tốc đều sẽ có cùng kết quả đo đạc với những thí nghiệm

đó khi chiếc tàu đứng yên Chúng ta không phân biệt được chiếc tàu chuyển động hay đứng yên nếu chúng ta ngồi trong tàu Đó là nguyên lý tương đối cơ học

Einstein cho rằng dòng điện phát sinh do hiệu ứng cảm ứng của Faraday trong một sợi dây điện cuốn quanh thanh nam châm được sinh ra khi thanh này chuyển động cũng chính là dòng điện cảm ứng khi thanh nam châm đứng yên và sợi dây chuyển động Chỉ có chuyển động tương đối mới là quyết định Đó là nguyên lý tương đối của điện động lực học Điều này đã khiến cho Einstein đã đưa nguyên lý tương đối của Galilê lên thành nguyên lý tương đối phổ quát cho mọi hiện tượng vật lý: Các định luật vật lý không thay đổi đối với những người quan sát (hệ tọa độ)

chuyển động thẳng đều đối với nhau Hay phát biểu một cách khác: Mọi hiện tượng

vật lý (cơ học, nhiệt động lực học, điện từ học…) đều xảy ra như nhau trong các hệ qui chiếu quán tính

Nguyên lý này chính là một trong hai tiên đề mà Einstein đã xây dựng nên thuyết tương đối hẹp trong bài báo “Về điện động lực học của các vật thể chuyển động” năm 1905 Tiên đề này chỉ ra rằng các phương trình mô tả các hiện tượng tự nhiên đều có cùng dạng như nhau trong các hệ qui chiếu quán tính Nó cũng phủ định sự tồn tại của một hệ qui chiếu quán tính đặc biệt, như một hệ qui chiếu đứng

yên thật sự Nói cách khác mọi hệ qui chiếu quán tính là hoàn toàn tương đương nhau Từ tiên đề này các nhà khoa học khẳng định không thể tồn tại một môi trường ether truyền sóng điện từ (ánh sáng) với một vận tốc khác biệt các hệ qui chiếu khác

Phép biến đổi của Galileo Galilei làm cho các phương trình Newton trở nên bất biến Điều đó không có gì mâu thuẫn so với giả thuyết thứ nhất của Einstein tuy nhiên khi xét đến tham số thời gian thì định luật 2 của Newton chỉ áp dụng một cách tổng quát cho biến thiên động lượng

- Nguyên lý hằng số của vận tốc ánh sáng truyền trong chân không

Trong tiên đề thứ hai, theo phát biểu ban đầu của Einstein: Tốc độ ánh sáng

trong chân không là một đại lượng không đổi trong tất cả các hệ qui chiếu quán tính

Giả thuyết này giải thích cho kết quả của thí nghiệm Michelson – Morley và thí nghiệm Sitter vì vận tốc truyền ánh sáng là như nhau theo mọi phương nên không thể sử dụng công thức cộng vận tốc Galileo cho ánh sáng

Thực tế giả thuyết này có thể suy trực tiếp từ tiên đề đầu tiên Mọi phương trình vật lý không thay đổi khi đi từ hệ quy chiếu quán tính này sang hệ quy chiếu quán tính khác, nghĩa là các phương trình Maxwell cũng bất biến, và một kết quả của nó là tiên đoán về tốc độ ánh sáng cũng phải bất biến Do đó giả thuyết này không thể là tiên đề, chỉ là hệ quả của tiên đề tổng quát đầu tiên, nếu coi lý thuyết điện từ Maxwell là đúng

Cũng có thể chú ý rằng, giả thuyết thứ hai có thể đứng độc lập thành một tiên đề, nếu không công nhận lý thuyết điện từ Maxwell hoặc không cần dùng đến hiểu biết về trường điện từ

+ Khái niệm đồng thời của hai hiện tượng là chìa khóa để hiểu tính tương đối của thời gian

Thế nào là hai hiện tượng diễn ra đồng thời? Đồng thời đối với tất cả các quan sát viên, với bạn và tôi ư? Theo Einstein, hai hiện tượng xảy ra đồng thời đối với bạn (một hệ quy chiếu không nhất thiết cũng xảy ra đồng thời đối với tôi (hệ quy chiếu khác), như cơ học Newton đã từng quan niệm Tức là tính đồng thời không tuyệt đối cho tất cả hệ quy chiếu, mà chỉ là tương đối, tùy vào hệ thống quy

chiếu Einstein định nghĩa lại sự đồng thời của hai hiện tượng một cách khoa học như sau: Chúng được gọi là xảy ra đồng thời đối với quan sát viên A khi nào ánh sáng phát từ hai địa điểm lúc chúng xảy ra, truyền đi và gặp A cùng một lúc Chúng

ta sẽ dễ dàng thấy tương đối của khái niệm đồng thời trong bức ảnh dưới đây

Hình 2.1: Một quan sát viên ở dưới đất thấy hai tiếng sét đánh xuống cùng một lúc (ảnh trên) Nhưng người soát vé trên tàu thấy chúng không diễn ra đồng thời như thế, do ảnh hưởng của tàu chuyển động (ảnh dưới) Khái niệm đồng thời không đúng cho mọi hệ thống quy chiếu

(Nguồn: Die Welt hinter den Dingen, tr.15)

Nếu một đám đông cùng vỗ tay một lượt để đón một nhà khoa học đạt giải

Nobel nào đó đi trên một chiếc xe lửa chạy nhanh qua, nhà khoa học ấy sẽ không

nghe một tiếng vỗ tay lớn cùng lúc của tất cả tiếng vỗ tay của đám đông, mà sẽ nghe một loạt tiếng vỗ tay rời rạc của từng người! Năm 1924 Einstein diễn tả chìa khóa của thuyết tương đối hẹp như sau: “Sau bảy năm suy nghĩ hoài công (1989 - 1905) lời giải đáp đến với tôi bất chợt với suy nghĩ, rằng các khái niệm và các định luật về không gian và thời gian của chúng ta chỉ được phép có giá trị trong chừng mực chúng có thể liên hệ rõ ràng với kinh nghiệm, và rằng kinh nghiệm cũng rất có thể khiến chúng ta có thể thay đổi những khái niệm và định luật này Bằng một sự xem xét lại khái niệm của sự đồng thời dưới dạng có thể cải tạo được, tôi đã đi đến lý thuyết tương đối hẹp.”

Định luật cộng vận tốc trong cơ học cổ điển, 2 + 3, cũng không còn là 5 nữa,

mà chỉ đúng xấp xỉ ở những vận tốc nhỏ, nhưng sẽ rất khác biệt ở những vận tốc

của một người hành khách trong xe lửa (đối với xe lửa) thì vận tốc của người hành

khách đó đối với bạn không phải là v + 𝜔 như chúng ta thường nghĩ, mà chính xác

𝑣 + 𝜔1+ 𝑣.𝜔𝑐2

(2.2)

Thông thường v và 𝜔 rất nhỏ so với c nên biểu thức này xấp xỉ bằng v + 𝜔

như ta biết Đối với những vận tốc cỡ c (thí dụ vận tốc của những hạt cơ bản) thì

tình hình sẽ khác hẳn Hơn nữa nếu bạn làm một phép toán đơn giản bằng cách đặt

𝜔 = c, bạn sẽ thấy biểu thức trên lại bằng c Điều này có nghĩa gì? Nghĩa là vận tốc

ánh sáng truyền trong xe lửa (hệ thống chuyển động) cũng bằng vận tốc truyền của

ánh sáng đối với nhà ga là hệ thống đứng yên! Đó chính là sự kiểm chứng lại

nguyên lí hằng số của ánh sáng trong vũ trụ: vận tốc ánh sáng truyền trong mọi hệ

thống với vận tốc như nhau, hay là vận tốc truyền của nó độc lập với chuyển động

của vật phát ra nó! [1]

+ Nghịch lý sinh đôi

Một phi hành gia từ giã người

anh em sinh đôi của mình để bay vào vũ

trụ Khi người đó trở về, anh ta không già

đi bao nhiêu, nhưng thấy người em của

mình râu dài tới rốn “Chuyển động làm

cho trẻ”, thời gian giãn nở đối với người

bay, như ta đã thấy theo thuyết tương đối

hẹp Người bay giữ được tuổi trẻ càng lâu

khi vận tốc bay càng lớn, trong khi người

ở lại càng già đi nhiều Nhưng điểm gây

tranh cãi là, thuyết tương đối có tính cách

đối xứng, nghĩa là những điều nói trên

cũng đúng cho chuyển động tương đối của

người em, trong khi người anh được xem

như đứng yên Nhưng người anh trên

đường phải tăng tốc và hãm tốc độ Điều đó làm cho tính đối xứng của thuyết tương

Hình 2.2:(Nguồn: Zeilinger, tr.34)

đối bị mất đi Nếu bạn bay qua Thái Bình Dương, hay một vòng trái đất, bạn sẽ trẻ hơn những người ở lại, một khoảng thời gian, tỉ lệ với phần tỉ của giây

Theo tính toán, các phi hành gia của Appolo 11 (Edward Aldrin, Neil Armstrong và Michael Collins) sau khi trở về từ mặt trăng thì trẻ đi được 250 phần triệu của giây so với các đồng nghiệp của họ ở dưới đất

+ “Nhân chứng” của thuyết tương đối hẹp: Hạt Myon

Hạt bụi vũ trụ có tên Myon sẽ chứng minh cho chúng ta sự giãn nở thời gian của thuyết tương đối Myon là một loại hạt cơ bản hình thành trong bầu khí quyển ở độ cao 9000m, khoảng trên độ cao của đỉnh núi Everest Chúng lao xuống đất với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng (3.105 km/s) Để bay tới mặt đất, chúng phải cần một thời gian 9/3.105 = 30.10-6 s, hay viết tắt là 30μs Tuy nhiên, đời sống của hạt này ngắn ngủi, chúng bị phân hủy chỉ sau 2μs, để cho ra những hạt khác, cho nên chỉ bay được quãng đường trung bình 2.10-6 x 3.108 = 600m thôi Nhưng vì sao người ta nhìn thấy chúng trên mặt đất? Sự giãn nở của thời gian trong thuyết tương đối hẹp sẽ đem lại lời giải thích: vận tốc của Myon thực tế xấp xỉ bằng v = 0,9978c Hệ số giãn nở thời gian của Myon, theo thuyết tương đối hẹp, phải là

1

√1− 𝑣2𝑐2 = 15

Nghĩa là tuổi thọ trung bình của các Myon tăng lên 15 lần Do đó khoảng đường Myon đi được sẽ bằng 600m x 15 = 9000m Nghĩa là Myon quả thực đã bay đến mặt đất như người ta tìm thấy Ai có thể bay nhanh như thế cũng sẽ thọ 15 lần tuổi thọ bình thường

Hiệu ứng của thuyết tương đối hẹp cũng có thể nhìn qua sự co lại khoảng cách Lorentz: Myon xa mặt đất một khoảng cách bằng chiều cao của núi Everest, nhưng với vận tốc bay nhanh nói trên thì khoảng cách ấy bị rút lại chỉ còn:

l = l0. √1 − 𝑣2

𝑐 2 ≈ 600 (m) [1]

Và Myon vì thế bay đến đích dễ dàng

+ Bản chất nghịch lý của ánh sáng

Ánh sáng có một tính chất rất kỳ bí: không ai có thể đuổi bắt được tia sáng (với vận tốc truyền trong chân không là c = 300.000 km/sec) dù người đó có tăng tốc đến đâu Đuổi nó thế nào đi nữa cũng thấy nó chạy khỏi chúng ta với vận tốc c Trong cơ học Newton nếu một chú công an đuổi một tài xế đang đua xe và tăng vận tốc lên gần bằng vận tốc tài xế thì sẽ thấy tài xế chạy chậm lại đối với chú, và khi chú đạt đúng vận tốc tài xế thì thấy tài xế như ngừng lại đối với chú Nhưng nếu tài

xế chạy với vận tốc ánh sáng thì tình hình hoàn toàn khác: chú công an lúc nào cũng

sẽ thấy tài xế chạy bỏ chú với cùng vận tốc 300.000km/sec! Đó chính là một sự kỳ

bí của ánh sáng

Hay lấy thí dụ của Einstein: Một chiếc xe lửa chạy với tốc độ đều là 100km/h Một người hành khách đứng lên đi với vận tốc 10km/h trên xe, cùng chiều với hướng xe chạy Nhìn từ nhà ga, người quan sát sẽ thấy hành khách di chuyển với tốc độ bao nhiêu? Câu trả lời bình thường: 100 + 10 = 110km/h

Bây giờ ta tưởng tượng người hành khách không đi bộ mà ngồi bắn một tia sáng với tốc độ là c, là tốc độ ánh sáng, cùng chiều với xe chạy Người ngồi ở ga sẽ thấy ánh sáng đi với tốc độ bao nhiêu? Theo định luật cộng của vận tốc câu trả lời phải là c + 100km/h Nhưng không, câu trả lời đúng: vẫn là c Phép cộng vận tốc của Galileo không còn đúng nữa

Những điều trên xem ra nghịch lý Nhưng đó là sự thật, được Einstein năm

1905 đưa lên thành nguyên lý hằng số của ánh sáng trong chân không cho thuyết tương đối hẹp của ông Ánh sáng truyền đi trong vũ trụ độc lập với nguồn phát ra nó

và với người nhận được nó

Điều này rất quan trọng cho khái niệm không gian, thời gian của cơ học Newton Vận tốc bằng khoảng cách chia cho thời gian đi được Nếu vận tốc ánh sáng bây giờ không thay đổi trong tất cả các hệ quán tính thì thời gian và không gian trong các hệ quán tính đó cũng sẽ phải chịu một sự điều chỉnh, chúng phải dàn xếp với nhau để giữ cho vận tốc ánh sáng vẫn là hằng số Chúng không còn độc lập

và tuyệt đối Đó là sự lung lay của cơ học Newton

Tám năm sau khi thuyết tương đối ra đời, de Sitter phát hiện tính hằng số của ánh sáng ở sao kép (double stars) Hai sao này do hấp lực Newton quay xung

quanh nhau Người ta đo ánh sáng của một sao trong đó tại thời điểm khi nó đi xa trái đất và tại thời điểm khi nó tiến gần trái đất Hai vận tốc ánh sáng lúc đó ắt phải khác nhau theo định luật cộng vận tốc của cơ học Newton Vận tốc ánh sáng của sao phát ra khi đi xa ta phải có tốc độ nhỏ hơn c và vận tốc của ánh sáng khi tiến về gần

ta phải lớn hơn c Nhưng thực tế de Sitter chỉ thấy hai vận tốc đó đều bằng c! [1]

2.1.3 Tính chất tương đối của không gian và thời gian

- Tính chất tương đối của không gian:

1.Định nghĩa độ dài

Nếu một vật đứng yên đối với một quan sát viên, độ dài của vật được xác định bằng cách đo hiệu các tọa độ không gian của các đầu mút của nó Do vật đang xét không chuyển động nên việc đo đạc có thể tiến hành vào bất kỳ thời điểm nào,

độ dài được xác định như vậy được gọi là độ dài riêng của vật

Nếu vật chuyển động thì việc đo đạc phức tạp hơn do các tọa độ không gian của các đầu mút phải được xác định tại cùng một thời điểm Trong điều kiện các đầu mút được xác định tại cùng một thời điểm, hiệu các tọa độ không gian biểu diễn độ dài của vật

2 Sự co ngắn chiều dài của một vật theo phương chuyển động

Dựa vào công thức của phép biến đổi Lorentz chúng ta so sánh độ dài của một vật ở trong hai hệ K và K’

Để đơn giản ta xét một chiếc thước đặt dọc theo trục x và gắn chiếc thước vào hệ K’

Gọi tọa độ của hai đầu mút của chiếc thước trong hệ K’ là 𝑥1′ , 𝑥2′

O’

O

Hiệu l 0 = 𝑥2′ - 𝑥1′ là chiều dài của chiếc thước trong hệ K’, nghĩa là trong hệ

mà nó đứng yên

Hiệu l = 𝑥2 – 𝑥1 là chiều dài của thước đo trong hệ K, nghĩa là l là chiều

dài của chiếc thước chuyển động

Vấn đề đặt ra là xét chiều dài của thước đó trong hệ K Muốn vậy, ta phải xác định vị trí các đầu mút của chiếc thước trong hệ K tại cùng một thời điểm

Áp dụng công thức biến đổi Lorentz ta viết được:

𝑥1′ = 𝑥1− 𝑣𝑡1

√1 − 𝑣2𝑐2

; 𝑥2′ = 𝑥2− 𝑣𝑡2

√1 − 𝑣2𝑐2

hay l = l 0√1 − 𝑣2

𝑐2 (2.3)

Công thức (2.3) được coi là công thức mô tả sự co ngắn kích thước của Lorentz Từ kết quả trên ta đi đến kết luận sau:

Độ dài (dọc theo phương chuyển động) của một vật trong một hệ qui chiếu

mà vật chuyền động ngắn hơn độ dài của vật ở trong hệ mà vật đứng yên

Nói một cách khác: khi vật chuyển động kích thước của nó bị co ngắn theo phương chuyển động

Nhận xét: Khi v <<c thì l ≈ l 0 nghĩa là ta không cần để ý tới sự co chiều

dài Nhưng khi vận tốc của vật so sánh được với vận tốc ánh sáng thì √1 − 𝑣2

𝑐2 < 1,

khi đó l < l 0, trong trường hợp này sự co chiều dài là đáng kể

Thí dụ: Quả đất chuyển động quanh mặt trời với vận tốc cỡ 30km/s, đường kính của nó R ≈ 12.700km chỉ co ngắn 6,5cm Nhưng nếu một vật có vận tốc

v = 26.104 km/s thì √1 − 𝑣2 ≈ 0,5 khi đó l = l √1 − 𝑣2 hay l = 0,5l

Như vậy trong trường hợp này kích thước của vật sẽ bị co ngắn đi một nửa

Như vậy kích thước của một vật sẽ khác nhau tùy thuộc vào chỗ ta quan sát

nó ở trong hệ quy chiếu đứng yên hay chuyển động, điều đó nói lên tính chất của không gian trong các hệ quy chiếu đã thay đổi Nói một cách khác là thuyết tương đối Einstein quan niệm rằng: Không gian có tính chất tương đối Nó phụ thuộc vào chuyển động

Trong trường hợp vận tốc chuyển động nhỏ (v << c) thì công thức co ngắn chiều dài trở lại kết quả trong cơ học cổ điển Theo quan niệm của cơ học cổ điển thì không gian được coi là tuyệt đối không phụ thuộc vào chuyển động

- Tính chất tương đối của thời gian:

1 Thời gian riêng:

Nếu hai biến cố A và B diễn ra đối với một quan sát viên O trong hệ K tại cùng một nơi thì khoảng thời gian phân cách chúng sẽ có thể được quan sát viên O đo bằng một đồng hồ duy nhất, khoảng thời gian này 𝛥t0= tB – tA đo được bởi O trong hệ K bằng đồng hồ duy nhất được gọi là khoảng thời gian riêng giữa hai biến cố

2 Sự chậm lại của thời gian trong hệ chuyển động:

Bây giờ chúng ta xét hai biến cố A và B trên đây theo quan điểm của một quan sát viên thứ hai O’ (xét trong hệ K’) chuyển động với vận tốc v đối với O (xét trong hệ K) Tức hệ K’ chuyển động với vận tốc v so với hệ K Với quan sát viên O’ hai biến cố đó tất yếu xảy ra tại các nơi khác nhau và để xác định khoảng thời gian

tB’ – tA’ = Δt’ quan sát viên O’ cần đặt hai đồng hồ được chỉnh cho đồng bộ một cách thích hợp

Theo các công thức biến đổi Lorentz ta có thể viết được:

tA =

𝑡𝐴′ + 𝑣𝑐2 𝑥′

√1 − 𝑣2𝑐2

; tB =

𝑡𝐵′ + 𝑣𝑐2 𝑥′

√1 − 𝑣2𝑐2Trừ hai biểu thức trên vế theo vế ta có:

tB - tA = 𝑡𝐵

′ − 𝑡𝐴′

√1 − 𝑣2𝑐2

Mà Δt0= tB – tA: Khoảng thời gian giữa hai biến cố xảy ra trong hệ K được đo bằng đồng hồ của chính hệ K

𝛥t’= tB’ – tA’: Khoảng thời gian giữa hai biến cố xảy ra trong hệ K’ được đo bằng đồng hồ của chính hệ K’

Do đó ta có: Δt0 = 𝛥𝑡

′

√1 − 𝑣2𝑐2

Như vậy khoảng thời gian để xảy ra một quá trình sẽ khác nhau tùy thuộc vào chỗ ta quan sát nó trong hệ quy đứng yên hay chuyển động Hay nói cách khác khoảng thời gian đo được bởi quan sát viên O’ chuyển động với vận tốc v so với quan sát viên O đã bị giãn nở

Những điều vừa nói trên đây chứng tỏ rằng thời gian không phải là tuyệt đối Newton cho rằng có thời gian chung cho toàn vũ trụ, còn Einstein thì cho rằng

có thời gian địa phương nghĩa là một hệ quy chiếu có thời gian riêng của mình

Trong công thức (2.4) nếu vận tốc của chuyển động rất nhỏ v << c thì lúc

đó từ công thức (2.4) ta có: Δt0 ≈ Δt’, công thức này trở lại kết quả trong cơ học cổ điển, ở đây khoảng thời gian được coi là tuyệt đối không phụ thuộc vào chuyển động

Nhưng nếu v càng lớn thì Δt’ càng nhỏ so với Δt0

- Khi nói đến sự chậm lại của các đồng hồ chuyển động người ta thường nêu lên một nghịch lý gọi là nghịch lý các đồng hồ hay như nhiều tác giả gọi bằng một cái tên giàu hình ảnh hơn là “nghịch lý sinh đôi” [4]

2.1.4 Các bài tập minh họa:

Bài 1: Một máy bay chuyển động với vận tốc 600m/s đối với mặt đất Cần bao nhiêu thời gian cho máy bay đó để đồng hồ trên máy bay chậm đi 2.10-6s so với đồng hồ trên mặt đất

Giải:

Theo biểu thức giãn nở thời gian ta có:

Δtmặt đất = 𝛥𝑡𝑚á𝑦 𝑏𝑎𝑦

√1 − 𝑣2𝑐2

Đối với quan sát viên đứng yên so với chùm hạt, quãng đường dp các hạt đi qua là

ngắn hơn so với quãng đường d 1 đo trong hệ quy chiếu phòng thí nghiệm:

dp = d 1√1 − 𝑣2

𝑐2 = d 1√1 –(0,8)2 = 0,6 d1