https://www.youtube.com/watch?v=QymUIjXNoDE


Thuyết Tương Đối: Lý thuyết vĩ đại nhất của thế kỷ 20

1. Bối cảnh ra đời của thuyết Tương Đối

Năm 1905, Albert Einstein công bố thuyết Tương Đối hẹp, nhưng ban đầu bị chế giễu hoặc phớt lờ vì lý thuyết này được cho là kỳ lạ và cực đoan. Einstein cũng không hoàn toàn hài lòng với thuyết Tương Đối hẹp, vì nó:

  • Giới hạn: Chỉ áp dụng cho chuyển động thẳng với tốc độ không đổi.
  • Thiếu sót: Không giải thích được khi có lực hấp dẫn hoặc khi người quan sát đang tăng tốc.

2. Thí nghiệm tưởng tượng thay đổi lịch sử khoa học

Einstein sử dụng trí tưởng tượng phong phú để suy nghĩ về các tình huống khác thường:

  • Quan sát người lau cửa sổ rơi: Einstein tưởng tượng mình là người đang rơi và nhận ra rằng:
    • Trạng thái rơi tự do giống như không có trọng lượng.
    • Trọng lực và gia tốc là hai cách khác nhau để mô tả cùng một hiện tượng.
  • Phép thử trong căn phòng kín: Einstein hình dung mình trong một căn phòng không cửa sổ:
    • Nếu căn phòng nằm trên Trái Đất, trọng lượng đo được là 80kg.
    • Nếu căn phòng trên tàu vũ trụ đang tăng tốc với gia tốc tương đương trọng lực (9,8 m/s²), trọng lượng đo được cũng là 80kg.
    • Không có cách nào để phân biệt hai trường hợp này, dẫn đến nguyên lý tương đương.

3. Tia sáng và không gian cong

Einstein tưởng tượng thêm:

  • Khi ánh sáng di chuyển trong một căn phòng đang tăng tốc, tia sáng dường như cong xuống.
  • Điều này dẫn ông đến giả thuyết rằng:
    • Lực hấp dẫn làm cong không gian.
    • Đường đi ngắn nhất trong không gian cong không phải là đường thẳng mà là đường cong.

4. Độ cong của không gian và mối liên hệ với trọng lực

Einstein đưa ra giả thuyết rằng:

  • Khối lượng và năng lượng làm không gian bị cong.
  • Trọng lực không phải là một lực truyền từ xa (như Newton mô tả), mà là kết quả của sự tương tác giữa vật chất và không gian cong.

Để chứng minh giả thuyết này, Einstein cần một hệ thống toán học phức tạp. Nhờ sự giúp đỡ của nhà toán học Marcel Grossman, ông sử dụng hình học Riemann để mô tả không-thời gian cong.

5. Khác biệt giữa thuyết Tương Đối và thuyết của Newton

  • Newton: Không gian và thời gian là cố định. Trọng lực là một lực tác động giữa các vật thể có khối lượng lớn.
  • Einstein: Không gian và thời gian bị ảnh hưởng bởi khối lượng và năng lượng. Trọng lực là sự uốn cong của không-thời gian xung quanh vật thể có khối lượng lớn.

John Wheeler tóm gọn:

  • "Không-thời gian cho vật chất biết chuyển động thế nào, vật chất cho không-thời gian biết cong ra sao."

6. Xác nhận lý thuyết bằng quan sát thực nghiệm

  • Quỹ đạo của sao Thủy:
    • Quỹ đạo hình elip của sao Thủy có hiện tượng "tuế sai" (dịch chuyển dần theo thời gian).
    • Phương trình của Newton không giải thích được hiện tượng này.
    • Thuyết Tương Đối rộng dự đoán chính xác sự dịch chuyển này, xác nhận lý thuyết.
  • Hiện tượng nhật thực toàn phần năm 1919:
    • Nhóm do Arthur Eddington dẫn đầu quan sát sự lệch vị trí của ánh sáng các ngôi sao gần Mặt Trời, phù hợp với dự đoán của Einstein.
    • Sự kiện này biến Einstein thành một nhà khoa học nổi tiếng toàn cầu.

7. Mối liên hệ giữa thời gian và trọng lực

  • Thuyết Tương Đối hẹp đã khẳng định ánh sáng luôn có tốc độ không đổi.
  • Khi ánh sáng truyền qua trường hấp dẫn, đường đi bị cong, nhưng tốc độ vẫn giữ nguyên.
  • Để duy trì điều này, thời gian phải trôi chậm hơn trong trường hấp dẫn.
  • Điều này giải thích:
    • Đồng hồ trên Trái Đất chạy chậm hơn so với đồng hồ trong không gian.
    • Các vệ tinh GPS phải tính đến hiệu ứng này để cung cấp vị trí chính xác.

8. Những câu hỏi chưa được giải đáp

Mặc dù thuyết Tương Đối rộng là một thành tựu lớn, nhưng vẫn còn nhiều bí ẩn:

  • Tại sao khối lượng làm cong không-thời gian?
  • Điều gì xảy ra bên trong lỗ đen, nơi không-thời gian bị uốn cong vô hạn (điểm kỳ dị)?

9. Ý nghĩa của thuyết Tương Đối

Thuyết Tương Đối không chỉ thay đổi hiểu biết của chúng ta về vũ trụ, mà còn mở ra các lĩnh vực nghiên cứu mới như:

  • Lỗ đen.
  • Sóng hấp dẫn.
  • Kết nối không gian-thời gian với cơ học lượng tử.