Tài liệu Lý thuyết tương đối doc

Lý thuyết tương đối

Phương trình nổi tiếng của Einstein
Lý thuyết tương đối của Albert Einstein bao gồm 2 lý thuyết vật lý: thuyết tương đối
hẹp và thuyết tương đối rộng. Các lý thuyết này được hình thành khi người ta quan sát
thấy bức xạ điện từ chuyển động với vận tốc không đổi trong chân không (vận tốc ánh
sáng) trong mọi hệ quy chiếu, không tuân theo các quy luật trong cơ học cổ điển của
Isaac Newton. Ý tưởng cơ bản trong hai lý thuyết để giải thích hiện tượng trên là: khi hai
người chuyển động tương đối với nhau, họ sẽ đo được những khoảng thời gian và khoảng
cách khác nhau giữa cùng những sự kiện, tuy nhiên các định luật vật lý vẫn hiện ra giống
nhau đối với cả hai người.
Thuyết tương đối hẹp

E = mc
2
Bài báo của Einstein vào năm 1905, Zur Elektrodynamik bewegter Körper ("Về điện
động lực học
của các vật thể chuyển động") tập 17, xêri 4, đã giới thiệu thuyết tương đối
hẹp. Thuyết tương đối hẹp dựa trên một tiên đề duy nhất: "mọi định luật vật lý là giống
nhau trong mọi hệ quy chiếu quán tính (tức là những hệ quy chiếu chuyển động với vận
tốc không đổi so với nhau)". Do các định luật
vật lý giống nhau, mọi người nằm trong
một hệ quy chiếu quán tính không thể làm bất cứ thí nghiệm vật lý nào để xác định trạng
thái chuyển động của mình. Với Thuyết tương đối hẹp, không gian và thời gian không
phải là bất di bất dịch như trong quan điểm của
Isaac Newton - cha đẻ của vật lý học cổ
điển, mà trái lại, nó có thể "co" lại tùy tình hình Einstein đã thay không gian, thời gian
tuyệt đối bằng không gian, thời gian tương đối.
Phát biểu ban đầu, Einstein còn đề cập "tiên đề thứ hai" được phát biểu là: "ánh sáng luôn
chuyển động trong chân không với vận tốc không đổi". Tuy nhiên, đây chỉ là hệ quả của
tiên đề phát biểu ở trên khi công nhận lý thuyết điện từ. Theo tiên đề trên, lý thuyết điện

từ, một lý thuyết đưa ra công thức tính vận tốc ánh sáng từ các hằng số (xem bài vận tốc
ánh sáng), là không thay đổi theo hệ quy chiếu quán tính. Vậy hiển nhiên vận tốc ánh
sáng, kết quả của lý thuyết điện từ, cũng không thay đổi theo hệ quy chiếu quán tính.
Thuyết tương đối rộng
Thuyết tương đối rộng được Einstein công bố vào năm 1916 (trước đó đã nằm trong loạt
bài giảng tại Viện Khoa học Phổ 25 tháng 11 năm 1915). Tuy nhiên, nhà toán học người
Đức David Hilbert đã viết và công bố các phương trình hiệp biến trước Einstein. Có
nhiều lý do cả Einstein và Hilbert được xem như đồng phát minh ra thuyết tương đối
rộng. Lý thuyết này giới thiệu các phương trình thay cho
định luật vạn vật hấp dẫn của
Newton. Nó sử dụng
hình học vi phân và tenxo để mô tả trọng trường.
Lý thuyết này cũng dựa trên một tiên đề duy nhất: "mọi định luật vật lý là giống nhau
trong mọi hệ quy chiếu (gồm cả những hệ quy chiếu chuyển động với vận tốc thay đổi so
với nhau)". Trong lý thuyết này, trọng lực không tồn tại như lực riêng (như theo quan
niệm của Newton), mà chẳng qua là
lực quán tính, hay khái quát hơn là hệ quả của độ
cong trong
không-thời gian. Về mặt trực quan, cảm giác về lực hấp dẫn khi ngồi trên mặt
đất giống cảm giác lúc trong thang máy đi lên (hoặc tương tự trong xe khi đang tăng
tốc/giảm tốc). Lý thuyết tương đối rộng đã dẫn đến một kết quả là mọi vật chất (hay khối
lượng hay năng lượng) đều làm cong không-thời gian, và độ cong này tác động đến
đường rơi tự do của các vật chất khác (kể cả đường đi của ánh sáng).
Hiện tượng vật chất bẻ cong đường đi ánh sáng đã được kiểm chứng lần đầu tiên đối với
Mặt Trời (nơi tập trung nhiều vật chất nhất trong Hệ Mặt Trời). Trong vũ trụ, đã quan sát
thấy có nơi (ví dụ ở gần trung tâm các thiên hà) tập trung nhiều vật chất đến mức ánh
sáng đến gần bị hút vào và không ra được nữa, gọi là các
lỗ đen vì chúng không phát ra
ánh sáng (hay không cho phép ánh sáng thoát ra).