Thuyết tương đối của Einstein chính xác đến đâu

Chia sẻ: Trần Lê Kim Yến | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:7

Thêm vào BST

Báo xấu

70
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Các nhà khoa học vừa xúc tiến một dự án thuộc hàng siêu “khủng”, nhằm kiểm tra độ chính xác của thuyết tương đối - một trong những lý thuyết vật lý làm thay đổi hầu như toàn bộ nền khoa học hiện đại.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Thuyết tương đối của Einstein chính xác đến đâu

Thuyết tương đối của Einstein chính xác đến đâu Các nhà khoa học vừa xúc tiến một dự án thuộc hàng siêu “khủng”, nhằm kiểm tra độ chính xác của thuyết tương đối - một trong những lý thuyết vật lý làm thay đổi hầu như toàn bộ nền khoa học hiện đại. Có điều, để thực hiện được một dự án như vậy, ngoài trình độ tổ chức, năng lực của các nhà khoa học, cần có khoản tiền không dưới 760 triệu đô la. Dự án đã được các nhà khoa học công bố trong cuộc họp báo tại Washington cuối tháng Tư vừa qua. Các nhà khoa học thuộc Đại học Stanford đã lên tiếng khẳng định giá trị và độ chính xác khoa học được nêu ra trong lý thuyết tương đối của nhà bác học Einstein. Tuy nhiên, để kiểm định cụ thể trong thực tế, cần triển khai một dự án nghiên cứu khoa học khổng lồ, kéo dài trong nhiều năm với sự tham gia của nhiều chuyên gia thuộc các lĩnh vực khác nhau. “Tư tưởng của Einstein vẫn sống - giáo sư Francis Everitt, Giám đốc chương trình Gravity Probe B, tự tin tuyên bố. Trái đất và các hành tinh thực sự uốn cong không gian xung quanh chính nó - chính điều này đã tuân thủ đầy đủ các phương trình của thuyết tương đối!”. Cần nhớ lại rằng vào năm 2004, NASA đã cho phóng vệ tinh mang tên Gravity Probe B lên quỹ đạo. Nó có nhiệm vụ đo lường hiệu ứng các tác động tinh tế của Trái đất tới cấu trúc Không-Thời gian xung quanh hành tinh này. Gravity Probe B chính thức làm việc từ 2005 và truyền về mặt đất vô số thông tin không thể nào ngờ trước đó… Vấn đề ở chỗ, người ta đã thiết kế trên vệ tinh này những
con quay hồi chuyển chính xác chưa từng có, và bộ máy đã được định vị thường trực khi nhắm vào một ngôi sao rất xa (như một điểm tham chiếu). Thiết bị vệ tinh siêu nhạy này đã “chộp bắt” được trục trôi của các con quay hồi chuyển để báo “lỗi” trong khoảng 1/10.000 giây cung (arcseconds). Trong năm 2007, các nhà bác học Mỹ đã chính thức công bố các kết quả phân tích đầu tiên từ các dữ liệu Gravity Probe B thu thập được. Đối với thuyết tương đối rộng, các chuyên gia đã nhìn nhận với tinh thần lạc quan. Nhưng khi ấy cũng nảy sinh vấn đề khi người ta phát hiện ra có các lực bổ sung nào đó, liên quan đến cấu trúc của vệ tinh. Việc tính toán để điều chỉnh sao cho các yếu tố “phát sinh” ấy không ảnh hưởng tới đối tượng đang theo dõi đã lấy đi “vèo” 5 năm trời bóp đầu bóp trán của các nhà vật lý thiên văn! Trong thực tế, các nhà nghiên cứu đã gắng lưu lại toàn bộ dự án, các thông số và xử lý, phân tích lại hàng tỷ gigabyte thông tin nguồn. Và công trình tưởng “dã tràng xe cát” này đã không phải vô ích: Einstein đã đúng. Ở độ cao 642 km (tính từ Trái đất), độ dài chu vi quỹ đạo của vệ tinh là trên 40 ngàn km. Đường bay của vệ tinh Gravity Probe B cho thấy: giá trị chính xác về độ dài của quỹ đạo này ngắn hơn khoảng 3 cm - so với thông số tính theo quỹ đạo hình học Euclide. Độ “lệch” chuẩn này thật thú vị, vì nó cho thấy độ lõm biến dạng trong thực tế (do bị “uốn cong”…). Vấn đề “lệch” chuẩn xảy ra do thực tế là khối lượng của Trái đất giống như một không gian uốn cong, tạo ra “hốc” và vi phạm tới nguyên lý các hình học phẳng của không gian. “Khối lượng của Trái đất đã kéo hút Không-Thời gian, nói một cách ‘tương đối’, vào một hình cong nông như chiếc nón, - giáo sư Everitt giải thích. Biến dạng này có thể được biểu diễn như là cắt ra một miếng hình nêm nhỏ của chiếc bánh. Kết quả là, bề mặt vòng tròn “uốn cong” đến 2,8 cm. Trong trường hợp của các vệ tinh, con quay hồi chuyển quay quanh trục của nó khi nó đi vào quỹ đạo, và tất cả các thời gian đã bị từ chối bởi một góc ‘lệch’ rất nhỏ. Có điều, sau cả một năm, lỗi này đã liên tục tích lũy thêm tới mức các thiết bị đã có thể ‘chộp bắt’ tận tay được nó. Hiệu ứng thứ hai - “sức hút khung”, đó là hiện tượng phối hợp quán tính hệ thống tọa độ kéo cho Trái Đất quay. “Điều này tựa như việc hành tinh của chúng ta
đã được đắm mình trong mật ong” - Francis Everitt so sánh một cách hình ảnh. Hiệu ứng này dẫn đến một độ “lệch” chậm chạp của trục các con quay trong mặt phẳng xích đạo. Bằng những trang bị tối tân nhất, Gravity Probe B đã tìm thấy độ “lệch” của hiệu ứng này. Độ chính xác của số đo hai hiệu ứng “lệch” được mô tả ở trên là 0,25% và 19%. Hầu như nỗ lực của các nhà khoa học đã gần đạt được mục tiêu, khi các giá trị thu được về độ “lệch” của trục con quay hồi chuyển rất khớp với tiên lượng thiên tài của Alber Einstein... Những kết quả phát hiện do Gravity Probe B đem lại - về cơ bản, đã xua tan nghi ngờ của không ít nhà nghiên cứu lâu nay với những câu hỏi hóc búa “phản biện” thuyết tương đối. Dù chương trình thẩm định trên được triển khai khi không còn nhà vật lý thiên tài, nó vẫn sẽ mang lại kết quả hởi lòng hởi dạ cho những tín đồ của Thuyết tương đối. Vấn đề là phải tiêu tốn ngót tỷ đô - cái giá để xóa đi nỗi ngờ vực hằng ám ảnh, kể từ ngày nhà bác học thiên tài đưa ra lý thuyết nghe quá ư “tương đối” của mình. Năm 1905, Einstein công bố bài báo Zur Elektrodynamik bewegter Korper (Về điện động lực học của các vật thể chuyển động), giới thiệu thuyết tương đối hẹp. Tới năm 1916, Albert Einstein công bố Thuyết tương đối rộng (General theory of relativity) - trước đó, ông đã đưa vào trong loạt bài giảng tại Viện Khoa học Phổ, ngày 25 tháng 11 năm 1915. Theo lý thuyết này, trọng lực không tồn tại như lực riêng (như quan niệm của Newton), mà chẳng qua là lực quán tính, hay 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 hoặc 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).
Các quan điểm về bản chất ánh sáng Ánh sáng là một người bạn gẫn gũi của con người trong mọi hoạt động hằng ngày, đôi khi sự tồn tại của chúng đối với con người như là một điều hiển nhiên. Nói như vậy không có nghĩa con người luôn chấp nhận sự đồng hành của người bạn ánh sáng đi bên cạnh mình mà không đặt vấn đề tìm hiểu “cội nguồn” của chúng. Vậy ánh sáng từ đâu sinh ra? Bản chất của ánh sáng là như thế nào? Vô vàn câu hỏi, và những thắc mắc mà con người đã đặt ra cho ánh sáng. Nhưng dường như người bạn ánh sáng của chúng ta lại rất thích chơi trò “đánh đố”, vì vậy, tuy con người từ thời cổ đại xa xưa đã “hỏi” ánh sáng như vậy, nhưng phải nói rằng cho đến thế kỉ 20, con người mới thật sự có được cái nhìn đúng đắn hơn đối với ánh sáng, song vẫn chưa hoàn thiện. Quá trình con người đi tìm câu trả lời của ánh sáng là rất dài và trải qua nhiều giai đoạn, có những giai đoạn tưởng chừng như đã tìm ra, nhưng rồi “gợi ý” mới của ánh sáng lại xuất hiện và con người lại kiếm tìm. . Ánh sáng trong con mắt của người cổ và trung đại: Empédocle (khoảng 490 – 435 TCN) là tác giả của lý thuyết về thị giác xa xưa nhất. Liên quan đến ánh sáng, Empédocle cho rằng mắt truyền các “tia thị giác” đến thế giới bên ngoài. Sở dĩ có lý thuyết về các tia thị giác này một phần là do
niềm tin dân gian cho rằng các con mắt có chứa “lửa. Theo Empédocle, ánh sáng không đi theo một chiều từ mắt tới vật; ánh sáng còn đi theo chiều ngược lại, từ vật đến mắt. Leucippe (khoảng 460-370 TCN): trái ngược với Empédocle thì Leuccipe cho rằng thế giới thị giác đến với chúng ta, và do đó về thực chất thị giác là một trải nghiệm thụ động. Dưới tác động của ánh sáng, các hình ảnh về các vật quanh ta sẽ tách khỏi bề mặt của vật, như da của một con rắn lột xác tách khỏi cơ thể, và đi đến mắt chúng ta. Aristolte (384-322 TCN), là một triết gia thuộc trường phái tự nhiên. Liên quan đến thị giác, Aristolte bác bỏ dứt khoát các “tia thị giác” của Empédocle, bởi theo ông lý thuyết này không giải thích được tại sao chúng ta không nhìn thấy trong bóng tối. Theo ông, sự tri giác các vật được thực hiện không phải thông qua dòng vật chất, mà bởi ấn tượng của chúng lên các giác quan. Như vậy mắt tiếp nhận các ấn tượng về màu sắc, hình dạng, chuyển động,… Euclide (khoảng 300 TCN): ông đã dùng toán học để áp dụng cho các hiện tượng tự nhiên, Euclide đưa ra tiên đề về tập hợp các “tia thị giác” chứa trong một hình nón mà đỉnh của nó là tâm của mắt và đáy là phạm vi nhìn thấy của mắt. Nhờ có tiên đề mặt nón thị giác này và nhờ các tính toán hình học, ông đã giải thích được tại sao cây ở xa trông lại nhỏ hơn cây ở gần. Claude Ptolémée (khoảng 100-178): Ptolémée cho rằng mắt đồng thời vừa là máy phát vừa là máy thu: mắt phát ra các “tia thị giác” có cùng bản chất với ánh sáng và màu sắc. Alhazen (965-1040): Alhazen đồng ý với quan điểm của Aristolte rằng ánh sáng đến từ bên ngoài đi vào mắt, chứ không phải ngược lại. Theo ông, các tia sáng thật sự tồn tại. Chúng lan truyền theo đường thẳng. Khi ánh sáng xung quanh chạm vào một vật liền bị vật này phản xạ, từ mỗi điểm trên bề mặt của một vật có màu, các chùm tia sáng lan tỏa theo tất cả các hướng, và chỉ một tỉ lệ nhỏ của chúng đi vào mắt chúng ta. Ở đây Alhazen đã đưa ra ý tưởng về sự tán xạ ánh sáng. Francesco Maria Grimaldi (1618-1663): Ông đã tìm ra phương thức truyền ánh sáng thứ 4 ngòai 3 phương thức trước đó đã tìm thấy là theo đường thẳng,
bằng phản xạ trên một mặt phẳng như gương chẳng hạn, và bằng khúc xạ khi thay đổi môi trường. Phương thức thứ 4 đó là nhi ễu xạ ánh sáng. Nghiên cứu này của ông được công bố vào năm 1665. Trong lịch sử khám phá, đã có nhiều lý thuyết để giải thích các hiện tượng tự nhiên liên quan đến ánh sáng. Dưới đây là một số lý thuyết quan trọng: Lý thuyết hạt ánh sáng: được Isaac Newton đưa ra vào cuối thế kỷ XVII, cho rằng dòng ánh sáng là dòng di chuyển của các hạt vật chất. Lý thuyết này giải thích được hiện tượng phản xạ và một số tính chất khác của ánh sáng; tuy nhiên không giải thích được nhiều hiện tượng như giao thoa, nhiễu xạ, phân cực mang tính chất sóng. Lý thuyết sóng ánh sáng: được Christiaan Huygens đưa ra, cho rằng dòng ánh sáng là sự lan truyền của sóng. Lý thuyết này giải thích được nhiều hiện tượng mang tính chất sóng của ánh sáng như giao thoa, nhiễu xạ; đồng thời giải thích tốt hiện tượng khúc xạ và phản xạ. Sau này Fresnen đã phát triển thêm lý thuyết sóng ánh sáng và giải thích được hiện tượng phân cực ánh sáng. Lý thuyết sóng và lý thuyết hạt ánh sáng ra đời cùng thời điểm (thế kỷ 17) và đã gây ra cuộc tranh luận lớn giữa hai trường phái. Lý thuyết điện từ: sau khi lý thuyết sóng, lý thuyết hạt ra đời và gây nhiều tranh luận thì năm 1865 James Clerk Maxwell đưa ra lý thuyết điện từ ánh sáng dựa vào công trình nghiên cứu của Ampe, Pharaday. Theo đó ánh sáng là một nhiễu loạn điện từ và vận tốc ánh sáng trong một môi trường do các hằng số ε và µ của môi trường đó xác định. Lý thuyết này đã thiết lập sự liên hệ giữa các tính chất điện và từ với tính chất quang theo hệ thức: . Tuy nhiên vì các đai lượng ε và µ trong hệ phương trình Maxwell không phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng, cho nên lý thuyết điện từ ánh sáng vẫn chưa giải thích được hiện tượng tán sắc ánh sáng. Lý thuyết electron: được Lorenxo đưa ra vào năm 1896 nhằm khắc phục hạn chế của lý thuyết điện từ, lý thuyết này đã cho rằng hằng số điện môi của môi trường phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng tới. Theo đó đã giải thích được hiện
tượng tán sắc, hấp thụ ánh sáng; tuy nhiên lý thuyết này vẫn chưa giải thích được nhiều hiện tượng có liên hệ tới sự tương tác của anhs sáng với môi trường, đặc biệt là sự phát xạ của vật đen tuyệt đối. Lý thuyết lượng tử năng lượng: được Plăng đưa ra năm 1900 để giải quyết những khó khăn trên. Theo Plăng sự phát xạ trường điện từ do vật không thể xảy ra một cách liên tục mà là gián đoạn, nghĩa là thành từng lượng năng lượng tỉ lệ với tần số bức xạ (hay tỉ lệ nghịch với bước sóng : Mặc dù vậy nhưng lý thuyết lượng tử năng lượng chỉ mới đề cập đến tính chất gián đoạn của năng lượng bức xạ của vật đen tuyệt đối mà chưa nêu rõ được bản chất lượng tử năng lượng Lý thuyết lượng tử ánh sáng: năm 1905 dựa vào định luật bảo toàn năng lượng trong thế giới vi mô Anhxtanh phát triển thuyết lượng tử Plăng đưa ra thuyết lượng tử ánh sáng để giải thích các định luật quang điện. Theo thuyết này thì: ánh sáng không những được bức xạ mà còn bị hấp thụ và truyền đi thành từng lượng năng lượng gián đoạn gọi là lượng tử ánh sáng. Lượng tử ánh sáng về sau được gọi là photon, và thuyết lượng tử ánh sáng còn gọi là thuyết photon. Thuyết lượng tử ánh sáng đã giải thích được hàng loạt hiện tượng mà thuyết điện từ tỏ ra bất lực như: sự phát xạ, hấp thụ ánh sáng, các hiện tượng quang điện, huỳnh quang,…Thuyết lượng tử ánh sáng không giống với thuyết hạt ánh sáng vì nó vẫn giữ cả những khái niệm sóng. Như vậy ánh sáng vừa có tính chất sóng vừa có tính chất hạt, ta nói nó có lưỡng tính sóng – hạt. Trong khoa học ngày nay chúng ta đã có cách định nghĩa hoàn chỉnh và chính xác về ánh sáng: Ánh sáng là từ phổ thông dùng để chỉ các bức xạ điện từ có bước sóng nằm trong vùng quang phổ nhìn thấy được bằng mắt thường (tức là từ khoảng 400 nm đến 700 nm). Giống như mọi bức xạ điện từ, ánh sáng có thể được mô tả như những đợt sóng hạt chuyển động gọi là photon.