Gửi bạn ạ!
Thuyết tương đối được chia ra thành 2 loại đó là thuyết tương đối hẹp và thuyết tương đối rộng.
Thuyết tương đối hẹp hay còn gọi là thuyết tương đối đặc biệt Được nhà vật lý lý thuyết gốc Đức Abert Einstein nêu ra lần đầu tiên năm 1905 trong bài báo của ông.
Thuyết tương đối hẹp có hai mệnh đề như sau:
- Mệnh đề thứ nhất: Mọi định luật vật lý là không đổi đối với các vật đứng yên hoặc chuyển động đều hay Các định luật vật lý là bất biến trong mọi hệ quy chiếu quán tính
- Mệnh đề thứ hai:Tốc độ ánh sáng trong trân không là một hằng số (hằng số `c`) không đổi luôn bằng 299 792 458 m/s và không phụ thuộc vào vào chuyển động tương đối của nguồn sáng. Khi tính toán chúng ta dùng con số này là 300000 km/s
Từ hai mệnh đề trên Einstein suy ra được một vài hệ quả thú vị và... bổ não như sau:
`1`. Sự dãn nở thời gian vận tốc (Velocity time dilation):
Cơ học cổ điển đặt nền móng bởi Issac Newton và trước đó là Galileo Galilei cho rằng thời gian là 1 đại lượng đo lường thuần túy, 1 chiều không có điểm dừng không thay đổi tốc độ trong mọi trường hợp và tách biệt với không gian. Nghĩa là 1 phút với bạn cũng chính là 1 phút với tớ và không có truyện thời gian trong tiết Văn thì trôi chậm hơn so với tiết Mĩ Thuật 45 phút là 45 phút ý kiến liệt phương. Vẫn trong cơ học cổ điển không gian trong vũ trụ chính là không gian 3 chiều thông thường giống như những gì tớ và bạn đang trải nghiệm với 3 chiều: chiều dài, chiều rộng, chiều cao.
Trong khi đó những gì mà Einstein suy ra được từ 2 định đề trên lại hoàn toàn ngược lại. Ông cho rằng 1 phút của bạn có thể dài hơn hoặc ngắn hơn 1 phút của tớ tùy thuộc vào chuyển động tương đối của bạn so với tớ. Nếu tớ đứng yên trên mặt đất còn bạn chuyển động rất nhanh so với tớ, chiếc đồng hồ trên tay bạn sẽ chạy chậm hơn chiếc đồng hồ trên tay tớ. Bạn di chuyển càng nhanh chiếc đồng hồ trên tay bạn chạy càng chậm và nều bạn di chuyển với vận tốc ánh sáng thì chiếc đồng hồ trên tay bạn sẽ dừng lại. Căn nguyên của sự phản trực giác này đến từ nhận thức mới mẻ của Einstein về không gian và thời gian. Ông cho rằng không gian và thời gian vốn không hề tách rời, chúng đan xen vào nhau hợp thành một thể 4 chiều gọi là không-thời gian.Nó chính là không-thời gian 4 chiều (space-time).
Uhm... dĩ nhiên bạn không thể biểu diễn một tồn tại 4 chiều trong không gian 3 chiều sau dán nó lên một mặt phẳng 2 chiều mà vẫn đảm bảo tính chính xác của tồn tại đó vậy nên hiện tại chúng tạm hiểu không thời gian là một mặt phẳng chứa đựng cả không gian và thời gian nhé! Một vật đứng yên trong không gian 3 chiều so với bạn thực ra đang chuyển động trong chiều thời gian. Khi vật bắt đầu di chuyển trong không gian 3 chiều, một phần chuyển động trong chiều thời gian của nó được sử dụng khiến chuyển động trong chiều thời chậm đi hay là khiến thời gian trôi chậm lại. Đó chính là lý do tại sao thời gian trên 1 chiếc đồng hồ đang di chuyển lại trôi chậm hơn 1 chiếc đồng hồ đứng yên, chiếc đồng hồ di chuyển càng nhanh trong không gian 3 chiều thì càng có nhiều chuyển động trong chiều thời gian được sử dụng khiến thời gian trôi càng chậm. Khi chiếc đồng hồ di chuyển với vận tốc tối đa chính là vận tốc ánh sáng thì toàn bộ chuyển động trong chiều thời gian của nó được sử dụng ⇒ Không còn bất kì chuyển động trong chiều thời gian nào nữa ta nói rằng thời gian ngừng trôi. Để chứng minh điều này vào tháng 10 năm 1921 hai nhà vật lý và thiên văn học người Mỹ: Hafele và Keating đã đặt 4 chiếc đồng hồ nguyên tử (atomic clock) trên 2 máy bay dân dụng, một chiếc bay về phía Tây chiếc còn lại bay về phía đông sau đó đem về so sánh với chiếc đồng hồ nguyên tử đặt tại đìa quan sát Hải quân Hoa Kì. Theo lý thuyết chiếc đông hồ bay về hướng Đông sẽ có thời gian là: `40±23` phần tỉ giây còn chiếc bay về phía Tây sẽ có thời gian là: `275±21` phần tỉ giây. Thực tế chiếc đồng hồ bay về hướng Đông là: `59±10` phần tỉ giây còn chiếc bay về hướng Tây có thời gian là: `273±7` phần tỉ giây. Thí nghiệm này đã kiểm chứng sự chậm lại của thời gian khi chúng ta di chuyển. (Đồng hồ nguyên tử là đồng hồ đo thời gian bằng các tần số dao động của nguyên tử những tần số này là không đối⇒ đồng hồ nguyên tử là đồng hồ đo thời gian chính xác nhất mà chúng ta có ở hiện tại với sai số 1 giây trong 14 tỷ năm)
VD: Cúng ta có một cặp song sinh là A và B. A lên một tàu vũ trụ phóng với `99,99%` vận tốc ánh sáng. Sau 1 năm trên tau A già đi 1 tuổi còn B và tất cả những người trên Trái Đất già đi hơn 70 năm.
Công thức cho hệ quả này là: `t = (t_0)/(\sqrt{1-(v^2)/(c^2))}`
Trong đó: `t` là thời gian của vật khi di chuyển
`t_0` là thời gian khi vật không di chuyển
`v` là vận tốc của vật khi di chuyển
`c` là vận tốc ánh sáng trong trân không
`2`. Tính tương đối của sự đồng thời (Relativyti of simultaneity)
Einstein cho rằng 2 sự kiện xảy ra đồng thời với người này có thể 2 thời điểm khác nhau đối với người kia, và nếu được hỏi câu trả lời của 2 người đều đúng. Để minh họa cho kết luận khó hiểu này Einstein sử dụng một thí nghiệm tưởng tượng có nội dung như thế này: Giả sử C thất nghiệp và quyết định đi ngắm tàu hỏa, ngay khi điểm chính giữa của đoàn tàu đi ngang trước mặt bạn thì có 2 tia sét cùng lúc đánh xuống đầu tàu và đuôi tàu. Do khoảng cách từ hai tia sét đến mắt C là bằng nhau nên thời gian của ánh sáng từ 2 tia sét truyền từ mắt C là như nhau, C kết luận rằng hai tia sét đánh cùng một lúc. Em gái của C ngồi giữa đoàn tàu lại cho kết luận ngược lại. em của C cho rằng khoảng cách từ hai tia sét đến chỗ cô ngồi đúng là bằng nhau nhưng do đoàn tàu đang di chuyển về phía trước nên ánh sáng của tia sét ở đuôi tàu sẽ di chuyển xa hơn một chút và ánh sáng của tia sét ở đầu tàu sẽ di chuyển gần hơn một chút, từ đó cô kết luận rằng 2 tia sét đánh không cùng lúc tia phía trước đánh sớm hơn tia phía sau một chút. Sau đó C và em của C cãi nhau, đánh nhau,... Nhưng kì thực thì cả 2 đều đúng bởi đến cái sự đồng thời cuãng mang tính tương đối phụ thuộc vào vị trí quan sát của bạn.
((Hệ quả này mình tìm mãi không thấy công thức nên để trống nhé!))
`3`. Sự tương đương khối lượng-năng lượng (Mass-energy equivalence) ((Hệ quả này rất nổi tiếng, nổi tiếng đến nỗi ai cũng tường nghe qua nhưng không phải ai cũng biết đó là hệ quả của thuyết tương đối hẹp))
Einstein cho rằng một vật nhỏ cũng có thể chứa đựng một năng lượng nghỉ to lớn có thể tính toán qua công thức `E=mc²`. Trong đó : `E` là năng lượng nghỉ của vật
`m` là khối lượng của vật
`c` là tốc độ ánh sáng trong trân không
Lưu ý! Công thức `E=mc²` không áp dụng cho ánh sáng vì ánh sáng di chuyển liên tục không bao giờ nghỉ ngơi
Để giải thích cho công thức này mình sẽ lấy 1 dẫn chứng sau đây: Nếu chúng ta có 2 chiếc đồng hồ giống hệt nhau khi cả 2 đều ở trạng thái không hoạt động thì khối lượng của chúng bằng nhau. Nhưng nếu 1 trong 2 chiếc hoạt động thì chiếc đồng hồ đang hoạt động sẽ có khối lượng lớn hơn bở vì nó đã có thế năng của chiếc lò xo bị nén, động năng của các bộ phận hoạt động bên trong và nhiệt năng được sinh ra trong quá trình hoạt động. Chúng ta thấy rằng phần năng lượng tăng thêm này được biểu hiện bằng khối lượng bằng cách lấy phần năng lượng thu được từ thế năng, động năng, nhiệt năng đem chia cho `c²` sẽ tính ra được phần khối lượng tăng thêm khi chiếc đồng hồ hoạt động. Chúng ta đều bết chúng ta được tạo nên từ các phân tử, các phân tử lại được cấu tạo từ các nguyên tử, các nguyên tử có `99,999%` là rỗng vậy tại sao chúng ta có khối lượng? Đó chính là năng lượng Einstein cho rằng cái mà chúng ta gọi là vật chất thực ra chỉ là năng lượng, khối lượng chỉ là một dạng của năng lượng. Vậy tại sao trong vật chất lại có nhiều năng lượng như vậy? Đó chính là thế năng và động năng của các hạt người ta còn gọi là tương tác điện từ.
Có một thành tố trong công thức này đã bị bỏ đó chính là hệ số Lorentz kí hiệu là: γ. Hệ số Lorentz là một đại lượng biểu thị mức độ thay đổi của thời gian, độ dài và khối lượng tương đối tính đối với 1 vật thể chuyển động. Khi vật ở trạng thái nghỉ thì γ = 1 do đó có thể loại bỏ khỏi công thức. Thuy nhiên khi vận tốc của vật tiến gần đến vận tốc ánh sáng thì hệ số Lorentz cũng iến gần đến giá trị vô hạn nghia là năng lượng của khối lượng có một vật di chuyển ở vận tốc ánh sáng là vô hạn. Cũng có nghĩa là bạn phải cần một nguồn năng lượng vô hạn để tăng tốc một vật đến tốc độ ánh sáng hay chính là vật có khối lượng không thể đạt tới tốc đọ ánh sáng ⇒ Một hệ quả nữa là: Tốc đọ ánh sáng là giới hạn tốc độ của mọi dạng vật chất và thông tin trong vũ trụ.
Ngoài ra còn có các hệ quả như: Động lượng tương đối: `P = (m_0)/(\sqrt{1-(v^2)/(c^2))}v`
Trong đó `P` là động lượng của vật
`m_0` là khối lượng của vật
`v` là vận tốc của vật
`c` là tốc độ ánh sáng trong trân không
Sự co lại của chiều dài theo chiều chuyển động: `l = (l_0)/(\sqrt{1-(v^2)/(c^2))}`
Trong đó `l` là chiều dài của vật khi di chuyển
`l_0` là chiều dài của vật trước khi di chuyển
`v` là vận tốc của vật
`c` là tốc độ ánh sáng trong trân không
Năng lượng toàn phần: `E = (m_0c²)/(\sqrt{1-(v^2)/(c^2))}`
Trong đó: `E` là năng lượng nghỉ của vật
`m_0` là khối lượng của vật
`v` là vận tốc của vật
`c` là vận tốc ánh sáng trong trân không
Và nhiều hệ quả thú vị và... bổ não khác.
