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

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
KHOA VẬT LÝ
----------

NGÔ THỊ NGỌC SƯƠNG

Tìm hiểu cuộc đời và những cơng trình nghiên
cứu khoa học của Albert Einstein

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

SƯ Ạ
PH
M VẬT LÝ

1


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 cơng 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
hồn 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
qt, đầy đủ và khách quan về cuộc đời ơng và các cơng trình nghiên cứu đó. Ơng
khơng 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 ơng có
một lịng 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 tơi 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 ³7uP
͋
u cu͡
KL
F
ͥiÿ
và nhͷng công trình nghiên
cͱu khoa h͕
c cͯD $OEHUW
. Hi(LQVWHLQ´
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.
2. Mục đích của đề tài
- Tái hiện một cách khách quan về cuộc đời và những cơng trình nghiên cứu
tiêu biểu của nhà bác học vĩ đại Albert Einstein.
- Đề tài là một tài liệu hữu ích cho một số các bạn có cùng mối quan tâm.

2

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu:
+ Các tài liệu liên quan đến Albert Einstein và những cơng trình nghiên
cứu khoa học của ơng.
+ Một số ứng dụng thực tiễn của các cơng 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
cơng 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 cơng 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.c 2 - 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.
6. Những đóng góp của đề tài
Đề tài giúp cho bản thân tôi hiểu được rõ hơn về cuộc đời và những cơng
trình nghiên cứu tiêu biểu của nhà khoa học vĩ đại Albert Einstein. Đồng thời, qua
đề tài cũng mong muốn là một tư liệu bổ ích cho các bạn đọc có cùng mối quan

tâm.
3


7. Cấu trúc và nội dung của khóa luận
Đề tài gồm có 3 chương:
CHƯƠNG I: Tổng quan về cuộc đời và những cơng trình khoa học của Albert
Einstein
CHƯƠNG II: Thuyết tương đối
CHƯƠNG III: Công thức năng lượng E = mc 2, năng lượng hạt nhân và ứng dụng
của nó trong đời sống, sản xuất

4


B. NỘI DUNG
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CUỘC ĐỜI VÀ NHỮNG
CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA ALBERT EINSTEIN
1.1. Sơ lược về cuộc đời Einstein và những cơng trình khoa học
Albert Einstein sinh ngày 14 tháng 3 năm
1879 tại thành phố Ulm thuộc bang BadenWurttemberg 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

Hình 1.1:
Albert Einstein (1879-1955)

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 thốt ra khỏi thế giới quan của Newton.
Gia đình của Einstein khơng theo đạo của người Do Thái, có tinh thần
phóng khống. Ơng lớn lên khơng 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 khơng giống với
các cậu bé bình thường, khơng phải biểu hiện thiên tài mà ngược lại. Cậu sinh ra đã
5


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 thơng thạo. Nhưng người ta đốn 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 trị 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. “Tơi là một học sinh khơng đặc biệt giỏi hay tồi. Điểm yếu chính của

tơi là tơi có một trí nhớ khơng tốt, đặc biệt cho chữ và văn bản.” và “Chỉ trong toán
và vật lý tơi 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 khơng thích sự gị bó, ép
buộc, mà qn đội, kỷ luật, đồng phục, diễu hành là những biểu hiện nổi bật của sự
gò ép đó; ơng khơng 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. Ơng cũng ý thức sớm sự vơ nghĩa của
những gì người đời săn đuổi với sự tàn bạo. Ơng sớm đọc các tác phẩm triết học ở
tuổi 13 và say mê với các sách khoa học đại chúng. Với tuổi 13, ơng đã chuyển cái
nhìn từ tơn 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 tơn 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

6


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 ơng.

Hình 1.3:Einstein kho̫ng 15 tu͝i,
lúc b͗Q˱
ͣFͱF
Ĉ UDÿL

Hình 1.2:Einstein lúc 6 tu͝i và em gái

Hai sự kiện gây ấn tượng mạnh và có ảnh hưởng lâu dài lên cậu bé
Einstein. Đó là năm 4 tuổi, khi ông bố đưa cho cậu một cái la bàn với cây kim của
nó vẫn khơng thay đổi hướng mặc cho vị trí của la bàn thay đổi như thế nào.
Einstein như chạm vào sự huyền bí của tạo hóa và có ấn tượng mãnh liệt. Năm lên
12, thêm một sự kiện quan trọng nữa xảy ra. Đó là khi Einstein nhận được quyển
sách nhỏ về hình học Euclide từ Max Talmud. Cậu bé lại bị ấn tượng mạnh về tính
chính xác, mạch lạc và rõ ràng của những định lý hình học được chứng minh theo
cách suy diễn logic từ một ít tiên đề và định nghĩa. Einstein nhìn nó như một kì
quan của trí tuệ lồi người. Các rào cản như cuộc sống nặng vật chất, danh lợi hay
sương mù tơn giáo dần bị xóa bỏ như để cho cậu bé Albert lớn lên trong tự do,
không thành kiến, không lệ thuộc. “Mỗi một sở hữu là một cục đá ở chân”. Ơng là
người khơng tìm hạnh phúc và số mệnh của mình ở xã hội mà ở trên thế giới của
các vì sao. Một con người đi chinh phục trăng sao không thể mang quá nhiều hành
trang vật chất bên mình làm gánh nặng hay làm mắt mình lệch mất hướng bởi
những địi hỏi tầm thường của cá nhân. Ơng cũng khơng để cho thiên kiến nào, dù
là của tôn giáo, triết học, che chắn nhãn quan.

7


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
ơng đã rời bỏ trường để theo cha mẹ sang Ý. Ơng rời trường học nhưng khơng 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 khơng địi 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 mơn tốn và vật lý đều xuất sắc
nhưng bị đánh trượt vì kém ở các mơn khác là ngơn ngữ và lịch sử. Ơng 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 tốn và vật lý. Mục tiêu của ơng
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 khơng 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 ơng 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. Tơi 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

8

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 tốn, vật lý, sau đó ơng được nhận vào làm
“chun 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 Lưwenthal. 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 ơng.
Ơng khám phá ra rằng những tính chất của bức xạ của một vật thể nóng đỏ sẽ được
giải thích hồn tồn 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, khơng 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

9


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 ơng nhận được giải Nobel về cơng 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, ơng hồn tất thuyết tương đối rộng, theo đó khơng 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 = mc 2. 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

10


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 tốn 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 cơng bố tiên đốn 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 ơng 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 cơng 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 ơng. Ơng từ chối lời mời làm giáo sư

11


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 ngun 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 hịa bình nhưng đứng trước
một thế lực nguy hiểm của nhân loại là Nazi ơng khơng 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 ngun tử thì tơi đã khơng động đến một ngón tay”. Thực sự Đức cũng có một
đề án phản ứng hạt nhân, nhưng do hồn cảnh chính trị, xã hội xấu đi, một mình
Heisenberg và Weizsacker là những nhà vật lý ngun tử cịn ở lại khơng 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.

Hình 1.4: Albert Einstein trong

m͡t cu͡c ph͗ng v̭QQăP
ch͙ng l̩i quy͇
Wÿ
͓
nh cͯa chính
quy͉
n Hoa KǤti͇
p tͭc ch͇t̩o
bom Hydero.
(Ngu͛n: Einsteins Lenben und
Werk, tr.22)
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.

12


1.2. Những cơng 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 ngun (cùng với Bose); ơng 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 khống. Ơng
lớn lên không bị ràng buộc về tôn giáo, cả trên con đường học tập và sự nghiệp của
mình, ơng cũng khơng chịu một sự ràng buộc nào hết. Bởi theo ông, nghi lễ và tín
điều trong tơn 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 ơng, tư
duy, tình cảm của ơng phải hồn tồn được thơng thống và tự do, tiền đề cho
những cuộc khám phá vũ trụ.
Einstein, được ví như “bộ óc thế kỷ”, cho rằng mình khơng thơng 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. Ĩc tị mị của tuổi thơ
khơng bao giờ mất ở ông, và luôn là động cơ của các khám phá. Ai khơng cịn tị
mị, người đó như đã chết. Einstein vì thế chống lại những ảnh hưởng có thể giết

13

chết hay làm hại óc tị mị 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 ơng đã nghĩ
mình sẽ là một nhà vật lý lý thuyết. Nhưng sau một thời gian vào đại học, ơng thấy
mình khơng 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! Ơng 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
ơng 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 giải 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 ơng về
cơng trình Thuyết tương đối. Người đầu tiên đề cử ơng 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 ơng. 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

14


cơng 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 khơng thích Thuyết tương đối, thậm chí cho rằng thuyết đó sai. 15 năm
trơi 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 cơng 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: “Tơi rất vui mừng – vì nhiều lý do trong đó có lý do, vì
người ta khơng cịn đặt câu hỏi trách móc cho tơi nữa: Tại sao ông không được giải
Nobel?”.
Nhưng lịch sử chưa chấm dứt ở đó. Cịn 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.

15


CHƯƠNG II: THUYẾT TƯƠNG ĐỐI
2.1. Thuyết tươ‰¯
ối hẹp
2.1.1. Sự ra đời thuyết tươ‰¯
ối 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 khơng 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 cịn đang giữ địa vị độc tơn. 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 mơi trường đàn hồi để truyền sóng ánh sáng. Mơi trường đó gọi là ether
ánh sáng. Tương tự, để truyền sóng điện từ, thì cũng phải tồn tại mơi 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 tốn thì ether vũ trụ có tính chất rất khó hiểu. Nó phải là mơi
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:
௖

ଵ

௡

௡మ

േ v (1 -

)

(2.1)

lại được giải thích rằng ether đã bị nước kéo theo một phần cùng với nó.
Cịn 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 khơng 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:
16


Khi thì phải coi ether khơng 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 hồn 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 địi hỏi cần có một mơn cơ học tổng quát hơn
để giải quyết những mâu thuẫn đó. Và trong hồn 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 n. 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 dịng 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: 0͕LKL͏QW˱

Y̵WOê
F˯K͕FQKL͏Wÿ͡QJO͹FK͕FÿL͏QWͳ
ÿ͉X[̫\UDQK˱QKDX
TXLFKL͇XTXiQWtQK
.
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 mơ tả các hiện tượng tự
nhiên đều có cùng dạng như nhau trong các hệ qui chiếu qn tính. Nó cũng phủ
định sự tồn tại của một hệ qui chiếu quán tính đặc biệt, như một hệ qui chiếu đứng

17

yên thật sự. Nói cách khác mọi hệ qui chiếu qn tính là hồn tồn tương đương
nhau. Từ tiên đề này các nhà khoa học khẳng định không thể tồn tại một mơi 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 khơng 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: 7͙Fÿ͡iQKV

trong chân khơng Oj P͡W ÿ̩L O˱ͫQJ NK{QJÿ͝LWURQ
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 khơng thay đổi khi đi từ hệ quy chiếu quán tính này sang hệ quy chiếu
qn tính khác, nghĩa là các phương trình Maxwell cũng bất biến, và một kết quả
của nó là tiên đốn về tốc độ ánh sáng cũng phải bất biến. Do đó giả thuyết này
khơng 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 ni͏
P͛
ÿ
ng thͥi cͯa hai hi͏

Qͫ
W˱
ng là chìa NKyD
͋hi͋
ÿ
u tính
W˱˯QJÿ
͙
i cͯa thͥi 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

18


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: M͡t quan sát viên ͧG˱
ͣLÿ
̭t th̭y hai ti͇
QJVpWÿiQK[X
͙ng cùng
m͡t lúc (̫QK WUrQ


ͥi sốt
1K˱QJ
vé trên tàuQJ˱
th̭y chúng khơng di͍
QUDÿ
͛ng
thͥL QK˱WK
͇
, do ̫QKK˱
ͧng cͯa tàu chuy͋
Qÿ
͡ng (̫QKG˱
ͣi). Khái ni͏
Pÿ
͛ng thͥi
NK{QJÿ~QJFKRP
͕i h͏th͙ng quy chi͇
u.
(Ngu͛n: 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 hồi cơng (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 khơng cịn là 5 nữa,
mà chỉ đúng xấp xỉ ở những vận tốc nhỏ, nhưng sẽ rất khác biệt ở những vận tốc
lớn. Nếu v là vận tốc của xe lửa đối với bạn đang đứng ở nhà ga, và ߱ là vận tốc
19


của một người hành khách trong xe lửa (đối với xe lửa) thì vận tốc của người hành
khách đó đối với bạn không ph̫i là v +
߱ như chúng ta thường nghĩ, mà chính xác
là
௩
ା
ఠ

(2.2)

ೡǤ
ഘ
೎

ଵାమ

Thơng thường v và ߱ rất nhỏ so với c nên biểu thức này xấp xỉ bằng v +
߱
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
߱ = 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 n! 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]
+ Ngh͓
FK OêVLQK ÿ{L
Một phi hành gia từ giã người
anh em sinh đơi của mình để bay vào vũ
trụ. Khi người đó trở về, anh ta khơng 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

Hình 2.2:(Ngu͛n: Zeilinger, tr.34)

đường phải tăng tốc và hãm tốc độ. Điều đó làm cho tính đối xứng của thuyết tương
20


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 tốn, 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.
+ ³1KkQFK
ͱQJ´
ͯa thuy͇
F W W˱˯QJÿ
͙
i h́
p: H̩t 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 (3.10 5 km/s). Để bay tới mặt đất, chúng
phải cần một thời gian 9/3.10 5 = 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 3.10 8 = 600m thơi. 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
ଵ
మ

= 15

ೡ
ටଵି
మ
೎

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 cịn:
௩మ

ටͳെమൎ600 (m). [1]
l = l0.
௖

Và Myon vì thế bay đến đích dễ dàng.

21


+ B̫n ch̭t ngh͓
ch lý cͯa ánh sáng.
Ánh sáng có một tính chất rất kỳ bí: khơng ai có thể đuổi bắt được tia sáng
(với vận tốc truyền trong chân khơng 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 hồn tồn 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 khơng cịn 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 khơng 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 qn tính thì thời gian và khơng
gian trong các hệ qn 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 cịn 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

22


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 khơng gian và thời gian
- Tính chất tương đối của không gian:
1.Ĉ͓

QKQJKƭDÿ
͡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 khơng 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. S͹co ng̷n chi͉
u dài cͯa m͡t v̵t WKHRSK˱˯QJFKX\
͋
Qÿ
͡ng.
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’.
K

K’

x1’

x2’

O’
O

x’
x

x1

x2

ᇱ ᇱ
Gọi tọa độ của hai đầu mút của chiếc thước trong hệ K’ là ‫ݔ‬ଵ
,
‫ݔ‬ଶ.

23


ᇱ
ᇱ
Hiệu l0 = ‫ݔ‬ଶ
- ‫ݔ‬ଵ
là chiều dài của chiếc thước trong hệ K’, nghĩa là trong hệ

mà nó đứng yên.
Hiệu l = ‫ݔ‬ଶ – ‫ݔ‬ଵ 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:
ᇱ
‫ݔ‬ଵ
=

௫భି
௩௧
భ

ᇱ
‫ݔ‬ଶ
=

;

మ

ೡ
ටଵ
ିమ
೎

௫మି
௩௧
మ
మ

ೡ
ටଵ
ିమ
೎

Trong hệ K ta đánh dấu tọa độ ‫ݔ‬ଵ, ‫ݔ‬ଶ một cách đồng thời (cùng một lúc)
nên

t1 = t2. Do đó ta có:
ᇱ
ᇱ
‫ݔ‬ଶ
- ‫ݔ‬ଵ
=

௫మି
௫భ
మ

ೡ
ටଵ
ିమ
೎

ᇱ
ᇱ
Mà l0 = ‫ݔ‬ଶ
- ‫ݔ‬ଵ
và l = ‫ݔ‬ଶ– ‫ݔ‬ଵ

Thế vào biểu thức trên ta được:
l0 =

௟

௩మ

ೡమ
ටଵ
ିమ
೎

hay l = l0 ටͳെమ

(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 <௩మ

dài. Nhưng khi vận tốc của vật so sánh được với vận tốc ánh sáng thì ටͳെమ < 1,
௖

khi đó l < l0, 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 ൎ 12.700km chỉ co ngắn 6,5cm. Nhưng nếu một vật có vận tốc
௩మ

௩మ

௖

௖

v = 26.10 4 km/s thì ටͳെమ ൎ0,5 khi đó l = l0 ටͳെమhay l = 0,5l0 .
24