Liên hiệp các hội khoa học và kỹ thuật Việt Nam
Thứ năm, 12/07/2007 16:30 (GMT+7)

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).

* Tríchtừ quyển Vũ Trụ phòng thí nghiệm thiên nhiên vĩ đạicủa nhà thiên văn Nguyễn Quang Riệu.

(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. 

Xem Thêm

Phát huy vai trò, trách nhiệm của đội ngũ trí thức trong sự nghiệp đổi mới, xây dựng và bảo vệ Tổ quốc
Ngày 25/6/2025, tại Tp. Huế, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (Liên hiệp Hội Việt Nam) chủ trì, phối hợp với Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật thành phố Huế (Liên hiệp Hội TP. Huế) tổ chức Hội thảo “Phát huy vai trò, trách nhiệm của đội ngũ trí thức để góp phần tích cực cho sự nghiệp đổi mới, xây dựng và bảo vệ Tổ quốc theo tinh thần Nghị quyết số 45-NQ/TW ngày 24/11/2023”.
An Giang: 8 giải pháp thực hiện đột phá phát triển khoa học công nghệ
Đến nay, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật tỉnh (Liên hiệp hội tỉnh) đã tập hợp được 40 hội, tổ chức thành viên với 9.554 hội viên cá nhân, trong đó có hơn 3.451 hội viên trí thức. An Giang xác định và đề ra mục tiêu về đột phá phát triển khoa học công nghệ, đổi mới sáng tạo, chuyển đổi số (KHCN, ĐMST, CĐS) đến năm 2030.
Thanh Hoá: Hội thảo KH về giải quyết tình trạng thiếu lao động ở nông thôn, lao động trực tiếp tham gia SX nông nghiệp
Sáng ngày 27/5/2025, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật tỉnh (Liên hiệp hội) phối hợp với Sở Khoa học và Công nghệ, Viện Nông nghiêp tổ chức Hội thảo khoa học với chủ đề “Giải pháp giải quyết tình trạng thiếu lao động sản xuất ở khu vực nông thôn, lao động có kỹ thuật, tay nghề cao trực tiếp tham gia sản xuất nông nghiệp, nhất là nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao, nông nghiệp hữu cơ”.
Bình Thuận: Đẩy mạnh ứng dụng khoa học, công nghệ vào sản xuất
Sáng ngày 27/5, tại thành phố Phan Thiết, tỉnh Bình Thuận, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật tỉnh phối hợp với Sở Khoa học và Công nghệ tỉnh tổ chức hội thảo khoa học với chủ đề “Giải pháp đột phá trong ứng dụng tiến bộ khoa học, công nghệ vào thực tiễn quản lý và sản xuất trên địa bàn tỉnh Bình Thuận”.

Tin mới

Đột phá khoa học công nghệ và chuyển đổi số thúc đẩy phát triển kinh tế xã hội
Ngày 21/8, tại Hải Phòng, Ban Tuyên giáo và Dân vận Trung ương, Bộ Khoa học và Công nghệ, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (LHHVN), Thành uỷ Hải Phòng đã phối hợp tổ chức hội nghị Đột phá phát triển khoa học, công nghệ, đổi mới sáng tạo và chuyển đổi số thúc đẩy phát triển kinh tế xã hội Việt Nam.
Đóng góp của đội ngũ nhà khoa học Việt Nam trong sự nghiệp bảo vệ và xây dựng đất nước
Đội ngũ các nhà khoa học, người lao động ngành Khoa học và Công nghệ (KH&CN) Việt Nam bằng trí tuệ, tâm huyết, lòng yêu nước với tố chất con người Việt Nam và đặc biệt kế tục truyền thống tốt đẹp các nhà khoa học đàn anh đi trước đã sẵn sàng bước vào kỷ nguyên phát triển thịnh vượng và giàu mạnh của dân tộc.
Đồng chí Đỗ Văn Chiến được chỉ định giữ chức Bí thư Đảng ủy Cơ quan UBTƯ MTTQ Việt Nam nhiệm kỳ 2025-2030
Ngày 20/8, tại Đại hội đại biểu Đảng bộ Cơ quan UBTƯ MTTQ Việt Nam lần thứ I, nhiệm kỳ 2025-2030, đồng chí Đỗ Văn Chiến, Ủy viên Bộ Chính trị, Bí thư Trung ương Đảng, Bí thư Đảng ủy MTTQ, các đoàn thể Trung ương, Chủ tịch UBTƯ MTTQ Việt Nam được chỉ định giữ chức Bí thư Đảng ủy Cơ quan UBTƯ MTTQ Việt Nam.
Đồng chí Đỗ Văn Chiến dự Đại hội đại biểu Đảng bộ Tổng Liên đoàn Lao động Việt Nam lần thứ I, nhiệm kỳ 2025-2030
Chiều ngày 19/8, tại Hà Nội đã diễn ra Phiên chính thức Đại hội đại biểu Đảng bộ Tổng Liên đoàn Lao động Việt Nam lần thứ I, nhiệm kỳ 2025-2030. Đồng chí Đỗ Văn Chiến, Ủy viên Bộ Chính trị, Bí thư Trung ương Đảng, Bí thư Đảng ủy Mặt trận Tổ quốc, các đoàn thể Trung ương, Chủ tịch Ủy ban Trung ương Mặt trận Tổ quốc Việt Nam dự và chỉ đạo Đại hội.
Tổng Bí thư Tô Lâm: Kế thừa thành quả, phát triển những giá trị, tiếp tục đổi mới sáng tạo đáp ứng yêu cầu của thời đại
(Mặt trận) - Nhân kỷ niệm 80 năm Cách mạng Tháng Tám thành công (19/8/1945 -19/8/2025) và Quốc khánh nước Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam (2/9/1945 -2/9/2025), sáng 18/8, tại Hà Nội, Tổng Bí thư Tô Lâm đã gặp mặt các đồng chí lão thành cách mạng, nguyên Ủy viên Trung ương Đảng các khóa, nguyên lãnh đạo các ban, cơ quan của Đảng, Mặt trận Tổ quốc và các tổ chức chính trị - xã hội Trung ương.
Khai trương Trưng bày “Đóng góp của các nhà khoa học Việt Nam trong xây dựng, bảo vệ Tổ quốc”
Ngày 16/8, tại Công viên Di sản các nhà khoa học Việt Nam (xã Thung Nai, tỉnh Phú Thọ), Bảo tàng Di sản các nhà khoa học Việt Nam (MEDDOM) phối hợp với Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (Liên hiệp Hội Việt Nam) tổ chức Lễ khai trương Trưng bày “Đóng góp của các nhà khoa học Việt Nam trong sự nghiệp xây dựng và bảo vệ Tổ quốc”.