Thuyết tương đối hẹp của Einstein và hệ quả*

Thuyết tương đối hẹp của Einstein

Theo thuyết tương đối đầu thế kỷ thứ 20 của Einstein , một nhà vật lý người Mỹ gốc Đức (1879-1955) thì cách tính cộng tốc độ như trên không đúng, khi các vật thể chuyển động nhanh gần bằng vận tốc ánh sáng (tốc độ tương đối tính). Thí dụ một con tàu vũ trụ chuyển động với tốc độ lớn bằng 75% tốc độ ánh sáng tức là 0,75c (tốc độ ánh sáng là 300.000 km/giây thường được gọi là "c"), tuy tốc độ này không đạt được vì ngoài khả năng kỹ thuât hiện đại. Nếu nhà du hành vũ trụ đi trong tàu với tốc độ 0,25c thì theo lý luận trên, một người quan sát từ trái đất cho rằng tốc độ của nhà du hành phải là 0,75c + 0,25c = c, tức là lớn bằng vận tốc ánh sáng. Về phương diện vật lý, kết quả này thật phi lý vì không có vật nào chuyển nhanh bằng ánh sáng. Các hạt photon (ánh sáng) không có khối lượng và tốc độ của chúng là giới hạn tuyệt đối cho tốc độ của các vật thể. Trong trường hợp tốc độ lớn  gần bằng tốc độ ánh sáng, ta phải dùng định luật của nhà vật lý người Hà LanHendrik Lorentz(1853-1928)   và "thuyết tương đối hẹp" của Einstein để tính tốc độ. Theo định luật này thì tốc đô của nhà du hành là 0,84c , tức là thấp hơn tốc độ ánh sáng. Như vậy, trong trường hợp tốc độ chuyển động cao xấp xỉ tốc độ ánh sáng thì 0,75c + 0,25c không bằng 1c mà chỉ bằng  0,84c .

Những nghịch lý của thuyết tương đối:

Những hiện tượng cơ học trong trường hợp tốc độ chuyển động tương đối tính có nhiều nghịch lý. Điển hình là "nghịch lý anh em sinh đôi", một người là A và một người là B sinh cùng  một ngày. Anh A là một nhà du hành vũ trụ, lái một con tàu vũ trụ bay tới  thám hiểm sao Alpha Centauri, một trong những ngôi sao gần Trái đất nhất, trong chòm sao "Bán Nhân Mã" khoảng cách là 4 năm ánh sáng. Ánh sáng phát ra từ ngôi sao này với tốc độ 300 000 km/s phải mất 4 năm mới tới chúng ta. Tàu vũ trụ của anh A có tốc độ tuy cực lớn nhưng  không thể bằng vận tốc ánh sáng. Thí dụ tốc độ tàu bằng 75% tốc độ ánh sáng (0,75c = 225000km/s). Với tốc độ này, tàu phải mất 5 năm 4 tháng mới tới đích. Anh A khi tới ngôi sao quay trở về ngay. Đối với anh B đợi ở nhà thì sau 10 năm 8 tháng  mới gặp lại anh A. Nhưng theo đồng hồ anh A mang theo, thì cuộc hành trình khứ hồi của anh với tốc độ tương đối tính chỉ mất 7 năm. Tức là anh B ở lại trên Trái đất già hơn anh A gần 4 tuổi ! Đồng hồ anh A dường như quay chậm hơn đồng hồ anh B, cứ mỗi giờ chậm 20 phút. Nghịch lý "anh em sinh đôi" được giải thích bằng thuyét tương đối thu hẹp của Einstein. Khi tốc độ chuyển vận cao gần bằng tốc độ ánh sáng thì khoảng cách và thời gian hầu như "co" lại. Tốc độ của tàu vũ trụ càng lớn thì trên tàu, đồng hồ càng chạy chậm và thời gian đo bằng đồng hồ càng ngắn đi. Tuy nhiên, trường hợp tàu vũ trụ di chuyển với tốc độ tương tự tốc độ ánh sáng hãy còn trong phạm vi khoa học viễn tưởng. Tốc độ trung bình của vệ tinh nhân tạo hiện nay chỉ là 8 km/s, rất thấp so với tốc độ ánh sáng. Sau một năm, đồng hồ trên vệ tinh chỉ chậm 0,01 giây so với đồng hồ trên mặt đất. Nếu tàu vũ trụ của anh A bay với tốc độ 8 km/s, thì phải mất 300 000 năm mới làm xong cuộc hành trình khứ hồi tới sao Alpha Centauri. Lúc trở lại trái đất, anh A chỉ trẻ hơn anh B có 50 phút, sau 300 nghìn năm xa cách. Nhưng trên thực tế, lúc đó hai anh em sinh đôi không còn sống để so sánh tuổi!

Một thí dụ cụ thể của sự thay đổi tương đối của thời gian  là những hạt cơ bản "Muon" (1)của "tia vũ trụ". Thành phần của tia vũ trụ gồm nhiều hạt cơ bản trong đó có muon, poto (hạt nhân nguyên tử hydrogen) và các hạt nhân khác cùng electron. Những hạt này được tạo ra trong giải Ngân hà bởi những vụ nổ sao mới và sao siêu mới. Khi tia vũ trụ rơi xuống khí quyển Trái đất thì những hạt muon tự nhiên phân rã rất nhanh trong  vài phần triệu giây, nên chúng chỉ tập trung ở những tầng khí quyển ở độ cao khoảng 10 km và không tới mặt đất được. Tuy nhiên, trên thực tế  các hạt muon vũ trụ vẫn phát hiện được trong  phòng thí nghiệm. Bởi vì  một số muon có vận tốc lớn, gần bằng tốc độ ánh sáng. Theo thuyết tương đối của Einstein, thời gian sống biểu kiến của những hạt muon đối với người dùng  máy đo trong  phòng thí nghiệm, tăng lên như trong "nghịch lý anh em sinh đôi". Vì vậy các  hạt này có đủ thì giờ tới được mặt đất trước  khi bị phân rã.

Quỹ đạo các hành tinh được xác định bằng định luật Newton. Định luật này, tuy dùng hơn 200 năm trong  cơ học, nhưng đã được chứng  minh bởi nhà bác học Einstein năm 1905 là không chính xác trong trường hợp vật thể chuyển động  nhanh gần bằng vận tốc ánh sáng. Tuy nhiên sự tăng của khối lượng không đáng kể trong những trường hợp tốc độ thông thường, cho nên định luật Newton vẫn áp dụng được. Khối lượng của một tàu vũ trụ chuyển động trên không trung với tốc độ 8 km/s chỉ tăng 3 phần  10 tỉ (0,0 000 000 003) so với khối lượng lúc  tàu đứng yên tại chỗ (khối lượng nghĩ) trước khi được phóng. Sự gia tăng này rất nhỏ không thể đo được. Chĩ trong  trường hợp tàu vũ trụ bay với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng thì khối lượng của nó mới được tăng đáng kể. Thí dụ tốc độ tàu bằng 75% tốc độ ánh sáng thì khối lượng tăng lên 1,5 lần so với khối lượng nghỉ. Những electron tương đối tính quan sát thấy trong những  máy gia tốc synchrotron dùng trong  ngành vật lý hạt nhân có tốc độ bằng 99,9999875 phần trăm tốc đô ánh sáng. Lúc đó khối lượng electron tăng  gấp 2000 lần so với khối lượng nghỉ của electron. Sự tăng khối lượng của một vật có thể quy ra thành năng  lượng, theo công thức rất phổ biến E = mc²của thuyết tương đối Einstein (E là năng lượng, m là khối lượng, c là tốc độ ánh sáng).

(1) Một hạt cơ bản khác có tên là muonđã được phát hiện vào cuối những năm 30 bởi các nhà vật lý nghiên cứu tia Vũ trụ (đó là những trận mưa hạt tới từ không gian Vũ trụ thường xuyên tới bắn phá Trái Đất). Muon rất giống electron chỉ có điều khối lượng của nó lớn hơn cỡ 200 lần.