Dấu ấn Einstein trong khoa học và công nghệ hiện đại

Chia sẻ: Trần Lê Kim Yến | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

Thêm vào BST

Báo xấu

56
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Cách đây đúng 105 năm, Einstein bắt đầu công bố những công trình vật lý đặc sắc làm cho tên tuổi của ông trở thành bất tử. Nhưng ông cũng trở nên nổi tiếng vì những lý thuyết vật lý đi trước thời đại, cao xa và khó hiểu.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Dấu ấn Einstein trong khoa học và công nghệ hiện đại

Dấu ấn Einstein trong khoa học và công nghệ hiện đại Cách đây đúng 105 năm, Einstein bắt đầu công bố những công trình vật lý đặc sắc làm cho tên tuổi của ông trở thành bất tử. Nhưng ông cũng trở nên nổi tiếng vì những lý thuyết vật lý đi trước thời đại, cao xa và khó hiểu. Người ta vẫn lưu truyền câu chuyện của Einstein và Charlie Chaplin (vua hề Charlot) ở buổi chiếu ra mắt phim "ánh đèn thành phố". Hai thượng khách được mời đến là Einstein và Chaplin. Trong tiếng vỗ tay vang dội, khán giả đứng lên chào đón khi hai ông sóng đôi bước vào rạp, Chaplin nói nhỏ với Einstein: "Người ta hoan hô tôi vì xem vở diễn của tôi ai cũng hiểu, còn hoan hô ông vì lý thuyết của ông không ai hiểu nổi". Khi đó, báo chí đã có lúc viết: trên thế giới chắc chỉ có mươi người hiểu được Einstein. Nhưng đó là chuyện của 100 năm trước. Ngày nay, những lý thuyết của Einstein không những đã có nhiều người hiểu mà hơn thế nữa đã được vận dụng rất rộng rãi. Có thể nói, trong khoa học kỹ thuật hiện đại, nơi nào ta cũng thấy có Einstein. Tìm hiểu các công trình khoa học của Einstein ta hiểu rõ hơn khoa học kỹ thuật hiện đại, ngược lại tìm hiểu khoa học kỹ thuật hiện đại ta hiểu sâu hơn về Einstein. Sau đây là một số ví dụ. Thuyết tương đối và máy thu GPS
Einstein đưa ra thuyết tương đối hẹp vào năm 1905 và 11 năm sau, ông đưa ra thuyết tương đối rộng. Trong hai thuyết - gọi chung là Thuyết tương đối, có một điểm nổi bật: thời gian không phải là tuyệt đối, thời gian hòa quyện với không gian thành không - thời gian. Hai cái đồng hồ y hệt như nhau lúc cùng đứng yên, nhưng khi một cái đồng hồ chuyển động thì nó sẽ chạy chậm hơn so với cái đồng hồ đứng yên. Cũng vậy, cái đồng hồ ở xa vật gây ra lực hút (quả đất chẳng hạn) chạy nhanh hơn cái đồng hồ ở gần. Những điều có vẻ nghịch lý này đã một thời làm cho cả thế giới thắc mắc, khó hiểu thì nay nhiều người đã hiểu được, hơn nữa còn vận dụng rất sáng tạo mà Hệ định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) là một ví dụ. GPS gồm 24 vệ tinh bay ở độ cao 20.000 km, mỗi vệ tinh bay quanh quả đất 2 vòng trong một ngày đêm (tốc độ 4 km/s). Quỹ đạo của các vệ tinh được chọn sao cho ở bất cứ vị trí nào trên mặt đất cũng có thể "nhìn" thấy ở trên trời có 4 vệ tinh. Mỗi vệ tinh có một đồng hồ nguyên tử và liên tục gửi về mặt đất những xung sóng điện từ, mỗi xung chứa hai tín hiệu: vị trí của vệ tinh lúc phát xung và thời điểm phát xung đó. Máy thu GPS ở vị trí nào trên mặt đất tại thời điểm t cũng thu được 4 xung điện từ bốn vệ tinh. Đối với xung điện thu được từ vệ tinh thứ i, máy thu GPS tính được thời gian t - ti là thời gian xung điện đi từ vệ tinh thứ i đến máy thu. Máy dễ dàng tính ra khoảng cách ri đến máy thu theo công thức ri = c (t - ti) (với c là tốc độ truyền xung, tức là truyền sóng điện từ, gần bằng 300.000 km/s). Biết được 4 khoảng cách ri từ 4 vệ tinh, máy thu GPS dễ dàng tính ra vị trí của máy thu (kinh tuyến, vĩ tuyến, độ cao). Kỹ thuật phức tạp, nhưng nguyên lý có vẻ đơn giản. Ban đầu chính những nhà thiết kế ra GPS tưởng rằng dùng đồng hồ nguyên tử chính xác đến một phần nghìn tỷ giây (10-12 s) là đo t và ti thừa chính xác. Thực tế lại cho thấy, xác định vị trí như vậy sai khá nhiều, không chấp nhận được. Nguyên nhân chủ yếu của kết
quả sai này là không chú ý đến Thuyết tương đối của Einstein. Thật vậy, tuy đều là đồng hồ nguyên tử, khi để ở mặt đất chúng chạy chính xác như nhau, nhưng khi đưa lên vệ tinh chuyển động với tốc độ 4 km/s sẽ chạy chậm hơn đồng hồ đứng yên trên mặt đất. Tính theo công thức của Einstein thì một ngày đêm chậm mất 7 micrôgiây (7.10-6 s). Mặt khác đồng hồ ở vệ tinh là ở độ cao 20.000 km so với mặt đất nên ít bị tác dụng của lực hút (trọng trường) của quả đất nên chạy nhanh hơn. Do đó, một ngày đêm đồng hồ trên vệ tinh chạy nhanh hơn đồng hồ ở mặt đất 45 micrô giây (45.10-6 s). Kết quả tổng cộng là cứ một ngày đêm đồng hồ trên vệ tinh chạy nhanh so với đồng hồ trên mặt đất là 45 - 7 = 38 micrôgiây. Vì vậy khi đã lấy giờ như nhau, sau một ngày đêm hai đồng hồ đã sai nhau đến 38 micrôgiây. Nếu tính khoảng cách theo công thức c (t - ti) thì sai lệch 38 micrôgiây dẫn đến sai lệch 38 ms x 300.000 km/s = 11,4 km. Hiện nay ở GPS có chương trình tính hiệu chỉnh thời gian theo Thuyết tương đối cũng như có nhiều trợ giúp kỹ thuật khác nên độ chính xác của phép định vị có thể vào cỡ m, thậm chí ở độ chính xác cao có thể chỉ sai đến cm. Nhờ việc xác định vị trí theo GPS có độ chính xác cao nên hiện nay các nhà hàng hải, địa chất, leo núi, du lịch… đều dùng GPS chứ không dùng la bàn như xưa nữa. ở Việt Nam, sau khi tàu tốc hành E1 bị tai nạn tại Lăng Cô, người ta đang chuyển sang dùng GPS để từ trung tâm có thể theo dõi tốc độ của tàu ở bất cứ vị trí nào, thời gian nào trên đường tàu chạy. Hiệu ứng quang điện của Einstein và máy ảnh kỹ thuật số
Một trong bốn công trình nổi tiếng của Einstein công bố năm 1905 là về hiệu ứng quang điện - công trình đã mang lại cho ông giải Nobel vật lý năm 1921. ở công trình này, Einstein đã đưa ra một ý tưởng rất táo bạo: ánh sáng gồm các phần tử gián đoạn, không phân chia được nữa. ông gọi là lượng tử ánh sáng. Các lượng tử ánh sáng là các hạt chuyển động trong chân không với vận tốc 300.000 km/s (về sau, vào những năm 20 người ta gọi các hạt này là photon). Như vậy, không phải là Planck mà chính Einstein là người đầu tiên xem vật chất (ánh sáng) có cấu tạo gián đoạn, hạt vật chất như là photon có tính chất sóng, hạt có năng lượng là E ứng với sóng có tần số là f và E = hf (h là hằng số Planck). Từ những ý tưởng này, Einstein giải thích được trọn vẹn các hiệu ứng quang điện mà trước đó Hertz đã quan sát được bằng thực nghiệm nhưng không giải thích được. Cũng từ ý tưởng hạt photon có năng lượng E = hf và khi chiếu ánh sáng vào một vật, photon có thể làm bật điện tử ra khỏi nguyên tử (hiệu ứng quang điện), người ta đã chế tạo ra được rất nhiều thiết bị quang điện tử, trong đó có máy ảnh kỹ thuật số rất thông dụng hiện nay. Ở máy ảnh kỹ thuật số, thay cho việc ghi hình bằng phim ảnh, người ta dùng một linh kiện đặc biệt có tên là linh kiện liên kết điện tích CCD (Charge coupled device). Đây là một tấm bán dẫn có kích thước gần bằng tấm phim ảnh, trên đó có vài triệu đến vài chục triệu tụ điện rất nhỏ (có tên là tụ điện MOS). Mỗi tụ điện nhỏ như vậy được chế tạo trên tấm bán dẫn gồm 3 lớp: kim loại (Metal), oxyt (Oxide) và bán dẫn (Semiconductor). Người ta nối điện sao cho cấu trúc 3 lớp đó có tính chất là một cái tụ điện: hễ có điện tử (điện tích âm) sinh ra trong cấu trúc đó, lập tức điện tử được chứa trong tụ điện.
Khi chụp ảnh, ống kính của máy ảnh tạo ra trên linh kiện CCD ảnh của vật cần chụp, trên ảnh có chỗ sáng, chỗ tối. Theo Einstein, chỗ sáng là chỗ có nhiều photon đến, chỗ tối là chỗ có ít photon đến. Photon đến đập vào lớp kim loại của tụ điện MOS làm cho điện tử bị bứt ra, lập tức điện tử này được chứa trong tụ điện. Vậy là ảnh quang học do ống kính tạo ra trên CCD nhờ hiệu ứng quang điện của Einstein đã được chuyển thành ảnh điện tử (điện tích). Chỗ nào sáng, tụ điện ở chỗ đó chứa nhiều điện tử và ngược lại, chỗ nào tối, tụ điện ở chỗ ấy ít điện tử. Bộ xử lý trong máy ảnh sẽ "đọc" và ghi lại trong bộ nhớ vị trí (x, y) của tụ điện và điện tích chứa trong tụ điện. Số liệu ghi nhớ đó sẽ được điều khiển để chuyển thành ảnh trên màn hình hoặc in ra ảnh trên giấy. Rất nhiều công nghệ mới, đặc biệt là công nghệ vi điện tử đã được sử dụng để chế tạo bộ linh kiện CCD dùng cho máy ảnh số nhưng hiện tượng vật lý chủ đạo ở đây lại là ý tưởng về hiệu ứng quang điện của Einstein. Phát xạ cảm ứng của Einstein và tia laze Tia laze kỳ diệu mới ra đời trong vài chục năm gần đây nhưng mầm mống của nó đã có từ năm 1917. Vào đầu thế kỷ XX, nhận thức về nguyên tử ra sao, cấu tạo như thế nào còn rất mơ hồ. ánh sáng cũng vậy, đó là hạt hay là sóng vẫn là vấn đề tranh cãi triền miên. Năm 1913 nhà vật lý Đan Mạch là Niels Bohr đưa ra ý kiến đặc biệt nổi tiếng: nguyên tử có hạt nhân ở trong và các điện tử bên ngoài như là Rutherford đã đề xuất. Tuy nhiên, theo Bohr, điện tử chuyển động quanh nguyên tử theo những quỹ
đạo dừng, theo đó, điện tử chuyển động nhưng không phát ra sóng điện từ. ứng với mỗi quỹ đạo dừng là một mức năng lượng E của điện tử trong nguyên tử. Chỉ khi nào điện tử bị kích thích nhảy từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao thì lúc từ mức cao nhảy về mức thấp điện tử mới phát ra sóng điện từ dưới dạng photon hf = E2 - E1. Giả thuyết và tính toán cụ thể của Bohr đã thành công rực rỡ khi giải thích được các vạch quang phổ của hyđrô. Nhưng chỉ 4 năm sau đó, năm 1917, Einstein lại đưa ra ý tưởng: chiếu photon vào nguyên tử có thể làm cho điện tử từ mức thấp lên mức cao, điện tử sẽ tự động nhảy từ mức cao về mức thấp và phát ra photon hf, Einstein gọi đây là phát xạ tự phát. Einstein còn "trực cảm" một kiểu bức xạ khác: khi điện tử đã từ mức thấp chuyển lên mức cao, nếu có một photon hf đến, điện tử sẽ cảm ứng ngay để nhảy về mức thấp, phát ra photon hf, còn photon hf đến vẫn tiếp tục hành trình. Kết quả là từ một photon hf đến nguyên tử có 2 photon hf giống hệt nhau đi ra. Einstein gọi đó là phát xạ cảm ứng. Đây chính là cơ sở để làm ra tia laze, vì về sau người ta rõ thêm là 2 photon đi ra theo cơ chế phát xạ cảm ứng là 2 photon kết hợp: cùng tần số, cùng pha. Từ hai photon kết hợp, người ta lại chiếu vào nguyên tử và có 4, có 4 lại làm ra thành 8 v.v… Kết quả là có được chùm tia gồm toàn photon kết hợp, cộng lại biên độ rất lớn, tức là cường độ rất mạnh, đó là tia laze. Như vậy là từ "trực cảm" của Einstein là có hiện tượng phát xạ cảm ứng nên các nhà chế tạo ra laze sau này mới biết cách vận dụng. Mọi điều kỳ diệu của tia laze có nguồn gốc ở chỗ: đó là tia sáng gồm các photon kết hợp. Từ laze (ánh sáng) đến laze nguyên tử, nơi nào cũng có dấu ấn của Einstein. Phương trình vũ trụ của Einstein và thuyết hình thành vũ trụ Big Bang Trái đất chỉ là một hành tinh trong hệ Mặt trời, hệ Mặt trời chỉ là một bộ phận nhỏ của Thiên hà Ngân hà và Vũ trụ có không biết bao nhiêu là Thiên hà to lớn khác. Khó tin rằng Thượng đế sáng tạo ra tất cả nhưng cũng khó hiểu được Vũ trụ rộng lớn như thế nào, có giới hạn hay không… Không ít người người nghĩ rằng,
không nên suy nghĩ về những vấn đề như vậy vì nó quá tầm hiểu biết của con người. Nhưng những nhà vật lý thiên văn từ nửa sau thế kỷ XX đã vận dụng tất cả lý thuyết và thực nghiệm mà con người đã tích lũy được để đưa ra thuyết về hình thành Vũ trụ, có tên gọi là thuyết Big Bang. Hiện nay thuyết này đang thắng thế. Theo thuyết Big Bang, khoảng 15 tỷ năm trước đây Vũ trụ đã xuất hiện từ một Big Bang, có nghĩa là Vụ nổ lớn. Khởi đầu Vũ trụ chỉ là một điểm có mật độ vật chất vô cùng lớn, nhiệt độ vô cùng cao bùng nở to ra, to ra mãi. Tính từ Vụ nổ lớn sau đó 10-43 s (thời điểm 10-43 s), Vũ trụ có kích thước chỉ 10-28 cm (một triệu tỷ lần nhỏ hơn kích thước nguyên tử hyđrô) nhưng nhiệt độ rất cao, cao đến 1032 độ. ở điểm có kích thước nhỏ đó chỉ có hạt và phản hạt biến hóa không ngừng. Đến thời điểm 10-2 s nhiệt độ vũ trụ đã giảm xuống còn 1011 độ, các hạt bắt đầu kết hợp lại tạo ra proton, nơtron và cả photon nữa nhưng cứ lẫn lộn với nhau và với nhi ều hạt, phản hạt khác. Đến thời điểm 3 phút, nhiệt độ Vũ trụ giảm còn trên 1 tỷ độ, proton và nơtron kết hợp lại tạo thành các hạt nhân nhẹ như hạt nhân hêli. Cho đến thời điểm 300.000 năm, Vũ trụ đã lạnh dưới 1 tỷ độ, các hạt nhân bắt lấy các electron tạo nên các nguyên tử như hyđrô và hêli. Quá trình này kèm theo bức xạ, tức là phát ra photon và bức xạ bắt đầu tách khỏi nguyên tử, phân tử bay ra ngoài. Đây chính là bức xạ tàn dư hay bức xạ hóa thạch vì gần đây, trong những năm 70 của thế kỷ XX, tức là 15 tỷ năm sau, bức xạ này vẫn còn và người ta quan sát được. Từ đây các phân tử, nguyên tử kết hợp lại tạo thành các sao, các thiên hà… Thiên hà Ngân hà, hệ Mặt trời… đã hình thành khoảng 10 tỷ năm sau Big Bang và con người đã xuất hiện vào dưới 1 tỷ năm trước đây, tức là hơn 14 tỷ năm sau Big Bang. Chúng ta đang sống vào thời kỳ cách Big Bang 15 tỷ năm. Thuyết Big Bang nghe ra rất kỳ lạ nhưng hiện nay thắng thế vì có cả cơ sở lý thuyết chắc chắn và thực nghiệm chứng minh. Hai cột trụ thí nghiệm rất vững chắc của thuyết Big Bang là quan sát được bức xạ tàn dư như đã nói trên và quan sát
được Vũ trụ đang giãn nở của Hubble. Nhưng trụ cột lý thuyết cho Big Bang lại chính là phương trình vũ trụ mà Einstein tìm được vào năm 1916 khi xây dựng thuyết tương đối rộng. Điều kỳ lạ là khi bản thân Einstein vận dụng lý thuyết của mình để xem xét Vũ trụ thì thấy Vũ trụ không tĩnh như mọi người vẫn tưởng mà đang giãn nở. Quá ngạc nhiên về kết quả này, Einstein buộc phải đưa thêm một hằng số vào phương trình Vũ trụ để Vũ trụ không còn giãn nở nữa. Nhưng thực tế quan sát được (nhờ kính thiên văn của Hubble) thì Vũ trụ có giãn nở thật, Về sau chính Einstein đã công nhận việc đưa thêm hằng số vũ trũ là sai lầm, nhưng ông vẫn không cho rằng thuyết Big Bang xem Vũ trụ giãn nở là đúng. Các nhà vật lý thiên văn khác thì vẫn dựa vào phương trình vũ trụ gốc của Einstein để tính toán và đi đến kết luận là phương trình này là trụ cột lý thuyết vững chắc cho thuyết Big Bang. Tuy chính Einstein không thừa nhận nhưng ai cũng xem Einstein là cha đẻ của thuyết Big Bang. Khó có thể đưa ra hết những ví dụ cho thấy ảnh hưởng của Einstein đến khoa học và công nghệ hiện đại(*). Nhà máy điện hạt nhân, bom nguyên tử và bom khinh khí, máy tính lượng tử, công nghệ nano... tất cả đều mang đậm dấu ấn của Einstein - nhà khoa học lỗi lạc đã mất cách đây 50 năm. Ghi nhận những đóng góp lớn lao của ông với nền khoa học, đặc biệt là nền khoa học hiện đại, năm 2005 đã được chọn là Năm Vật lý quốc tế - Năm Einstein.