Thuyết tương đối là một trong những lí thuyết khoa học nổi tiếng nhất của thế kỉ 20, nhưng làm thế nào nó giải thích những thứ chúng ta nhìn thấy trong đời sống hàng ngày?
Được thiết lập bởi Albert Einstein vào năm 1905, thuyết tương đối là quan niệm cho rằng các định luật vật lí là như nhau ở mọi nơi. Lí thuyết tương đối giải thích hành trạng của các vật trong không gian và thời gian, và nó có thể được sử dụng để tiên đoán mọi thứ từ sự tồn tại của các lỗ đen, cho đến sự bẻ cong ánh sáng do lực hấp dẫn, đến hành trạng của Thủy tinh trong quỹ đạo của nó.
Lí thuyết tương đối thật đơn giản. Thứ nhất, không có hệ quy chiếu “tuyệt đối”. Mỗi lần bạn đo vận tốc của một vật, hoặc động lượng của nó, hoặc nó trải nghiệm thời gian như thế nào, thì nó luôn luôn liên hệ với cái gì đó. Thứ hai, tốc độ ánh sáng là như nhau cho dù ai đo nó hoặc người đang đo chuyển động bao nhanh. Thứ ba, không có cái gì có thể chuyển động nhanh hơn ánh sáng.
Các hàm ý của lí thuyết nổi tiếng nhất của Einstein thật nổi bật. Nếu tốc độ ánh sáng luôn luôn giống nhau, thì nó có nghĩa là một nhà du hành đang chuyển động rất nhanh so với Trái đất sẽ đo các giây gõ chậm hơn nhà quan sát trên Trái đất – thời gian về cơ bản chậm đi đối với nhà du hành, một hiện tượng gọi là thời gian dãn nở.
Bất kì một vật nào đặt trong một trường hấp dẫn mạnh đều thu gia tốc, cho nên nó sẽ chịu sự dãn nở thời gian. Trong khi dó, phi thuyền của nhà du hành vũ trụ sẽ chịu sự co chiều dài, nghĩa là nếu bạn chụp một bức ảnh của phi thuyền khi nó bay qua, thì nó trông như thể nó “bị nén lại” theo chiều chuyển động. Tuy nhiên, đối với nhà du hành trên tàu, mọi thứ vẫn trông bình thường. Ngoài ra, khối lượng của phi thuyền sẽ dường như tăng lên từ điểm nhìn của người trên Trái đất.
Nhưng bạn không nhất thiết cần một phi thuyền vũ trụ lao đi ở gần tốc độ ánh sáng để nhìn thấy các hiệu ứng tương đối tính. Thật vậy, có một vài trường hợp của thuyết tương đối ta có thể nhìn thấy trong đời sống hàng ngày, và cả các công nghệ chúng ta sử dụng ngày nay chứng minh rằng Einstein là đúng. Dưới đây là một số cách nhìn thấy thuyết tương đối.
Vệ tinh GPS
1. Hệ thống định vị toàn cầu
Để hệ thống dẫn đường GPS trong xe hơi của bạn hoạt động đúng, các vệ tinh phải xét đến các hiệu ứng tương đối tính. Đây là bởi vì mặc dù các vệ tinh không chuyển động gần bằng tốc độ ánh sáng, nhưng chúng vẫn chuyển động khá nhanh. Các vệ tinh còn gửi tín hiệu đến các trạm thu mặt đất. Các trạm này (và đơn vị GPS trong xe bạn) đều đang chịu gia tốc trọng trường cao hơn so với vệ tinh trên quỹ đạo.
Để có độ chuẩn xác như thế, các vệ tinh sử dụng các đồng hồ chính xác đến vài phần tỉ của một giây (nano giây). Vì mỗi vệ tinh ở cách Trái đất khoảng 20.300 km và chuyển động khoảng 10.000 km/h, nên có sự dãn nở thời gian tương đối tính chừng 4 micro giây mỗi ngày. Tính luôn các hiệu ứng hấp dẫn thì con số đó vào khoảng 7 micro giây. Tức là 7.000 nano giây.
Sự chênh lệch đó rất thực tế: nếu không xét đến các hiệu ứng tương đối tính, thì một đơn vị GPS cho bạn biết nó cách trạm kế tiếp 0,5 km sẽ lệch 5 km chỉ sau một ngày.
2. Nam châm điện
Lực từ là một hiệu ứng tương đối tính, và nếu bạn sử dụng điện bạn có thể cảm ơn thuyết tương đối vì nhờ nó mà các máy phát điện hoạt động được.
Nếu bạn lấy một vòng dây và di chuyển nó trong một từ trường, thì bạn tạo ra một dòng điện. Các hạt tích điện trong dây bị ảnh hưởng bởi từ thông biến thiên, làm một số hạt di chuyển và tạo ra dòng điện.
Nhưng bây giờ, hãy hình dung dây dẫn đứng yên và nam châm thì đang chuyển động. Trong trường hợp này, các hạt tích điện trong dây (electron và proton) không chuyển động nữa, cho nên từ trường phải không ảnh hưởng lên chúng. Nhưng nó lại ảnh hưởng, và dòng điện vẫn chạy. Điều này cho thấy không có hệ quy chiếu nào là ưu tiên.
Thomas Moore, một giáo sư vật lí tại trường Pomona College ở Claremont, California, sử dụng nguyên lí tương đối chứng minh tại sao định luật Faraday, định luật phát biểu rằng một từ trường biến thiên sinh ra một dòng điện, là đúng.
“Vì đây là nguyên lí cốt lõi của máy biến áp và máy phát điện, cho nên những ai sử dụng điện đều đang chịu các tác động của thuyết tương đối,” Moore nói.
Các nam châm điện cũng hoạt động qua thuyết tương đối. Khi một dòng điện tích một chiều (DC) chạy qua một dây dẫn, thì các electron đang trôi giạt trong vật liệu đó. Bình thường thì dây sẽ trung hòa điện, không có điện tích dương hay điện tích âm toàn phần nào. Đó là một hệ quả của việc có số lượng proton (điện tích dương) và electron (điện tích âm) ngang bằng nhau. Nhưng, nếu bạn đặt một dây dẫn khác ở gần nó với một dòng điện một chiều, thì hai dây sẽ hút nhau hoặc đẩy nhau, tùy thuộc vào chiều dòng điện đang chạy.
Giả sử hai dòng điện chạy cùng chiều, thì các electron trong dây thứ nhất nhìn thấy các electron trong dây thứ hai không chuyển động. (Ở đây giả sử hai dòng điện có cùng cường độ.). Trong khi đó, từ góc nhìn của các electron, các proton trong cả hai dây trông như thể chúng đang chuyển động. Do sự co chiều dài tương đối tính, chúng dường như bị nén lại gần nhau hơn, cho nên có nhiều điện tích dương trên đơn vị chiều dài hơn điện tích âm. Vì các điện tích cùng dấu đẩy nhau ra, cho nên hai dây dẫn đẩy nhau.
Hai dòng điện chạy ngược chiều nhau thì hút nhau, bởi vì từ góc nhìn của dây thứ nhất, thì các electron trong dây kia bị dồn lại gần nhau hơn, tạo ra một điện tích âm toàn phần. Trong khi đó, các proton trong dây thứ nhất đang tạo ra một điện tích dương toàn phần, và các điện tích trái dấu thì hút nhau.
3. Màu vàng của kim hoàng
Đa số kim loại có ánh kim bởi vì các electron trong các nguyên tử nhảy từ các mức năng lượng, hay các “orbital”, khác nhau. Một số photon đi tới bị hấp thu và phát xạ trở lại, mặc dù ở một bước sóng dài hơn. Tuy nhiên, đa phần ánh sáng nhìn thấy chỉ bị phản xạ.
Vàng là một nguyên tử nặng, cho nên các electron lớp trong chuyển động đủ nhanh để khối lượng tương đối tính tăng lên đáng kể, cũng như sự co chiều dài. Do đó, các electron đang quay xung quanh hạt nhân trong những quỹ đạo ngắn hơn, với động lượng lớn hơn. Các electron trong các orbital bên trong mang năng lượng gần hơn với năng lượng của các electron phía ngoài, và những bước sóng bị hấp thu và phản xạ dài hơn.
Bước sóng ánh sáng dài hơn có nghĩa là một phần ánh sáng nhìn thấy thông thường chỉ phản xạ sẽ bị hấp thu, và ánh sáng đó nằm ở đầu xanh của quang phổ. Ánh sáng trắng là một hỗn hợp mọi màu sắc của cầu vồng, nhưng trong trường hợp vàng, khi ánh sáng bị hấp thu và phát xạ trở lại các bước sóng thường là dài hơn. Điều đó có nghĩa là hỗn hợp sóng ánh sáng mà ta thấy có xu hướng có ít màu xanh và màu tím hơn trong nó. Điều này khiến cho vàng trông có ánh hoàng kim vì ánh sáng màu vàng, cam và đỏ có bước sóng dài hơn ánh sáng xanh.
4. Vàng khó bị ăn mòn
Hiệu ứng tương đối tính trên các electron của vàng còn là một nguyên do khiến kim loại này không bị ăn mòn hoặc phản ứng với bất kì chất gì khác một cách dễ dàng.
Vàng có duy nhất một electron trong lớp vỏ ngoài cùng của nó, nhưng nó vẫn không hoạt tính như calcium hoặc lithium. Thay vậy, các electron trong vàng, vốn “nặng hơn” khối lượng thật của chúng, đều bị giữ gần hạt nhân hơn. Điều này có nghĩa là electron ngoài cùng không có khả năng phản ứng hóa học.
5. Thủy ngân là chất lỏng
Tương tự như vàng, thủy ngân cũng là một nguyên tử nặng, với các electron được giữ gần hạt nhân do tốc độ và sự tăng khối lượng của chúng. Đối với thủy ngân, liên kết giữa các nguyên tử của nó là yếu, cho nên thủy ngân nóng chảy ở nhiệt độ thấp hơn và thường ở dạng lỏng như khi ta nhìn thấy nó.
6. Ti vi cũ của bạn
Chỉ vài năm trước đây thôi, đa số ti vi và màn hình máy vi tính đều có đèn hình tia cathode. Đèn hình tia cathode hoạt động bằng cách dùng một nam châm mạnh bắn các electron vào một bề mặt phủ phosphor. Mỗi electron tạo ra một điểm sáng khi nó đi tới mặt sau của màn hình. Các electron được bắn ra để tạo nên hình ảnh chuyển động nhanh bằng 30% tốc độ ánh sáng. Các hiệu ứng tương đối tính có thể để ý thấy, và khi các nhà sản xuất tạo hình cho các nam châm, họ phải xét đến các hiệu ứng đó nếu muốn ti vi có chất lượng cao.
Ti vi màn hình tia cathode
7. Ánh sáng
Nếu như Isaac Newton đúng khi cho rằng có một hệ quy chiếu đứng yên tuyệt đối, thì ta sẽ phải đi tới một lời giải thích khác cho ánh sáng, bởi vì nó sẽ không xảy ra nữa.
“Không những lực từ sẽ không tồn tại mà ánh sáng cũng sẽ không tồn tại nốt, vì thuyết tương đối đòi hỏi các biến thiên trong một trường điện từ lan truyền ở một tốc độ hữu hạn thay vì tức thời,” phát biểu của Moore thuộc trường Pomona College. “Nếu thuyết tương đối không khắc chế yêu cầu này... thì các biến thiên trong điện trường sẽ được truyền tức thời... thay vì qua các sóng điện từ, và cả lực từ lẫn ánh sáng sẽ là không cần thiết.”
Tàn dư sao siêu mới W498. Đây là ảnh ghép hồng ngoại (đỏ, lục) và tia X (lam). Ảnh: Caltech/SSC/J. Rho and T. Jarrett và NASA/CXC/SSC/J. Keohane et al.
8. Nhà máy điện hạt nhân và sao siêu mới
Thuyết tương đối là một lí giải rằng khối lượng và năng lượng có thể biến đổi cho nhau, đó là cách nhà máy điện hạt nhân hoạt động, và lí do mặt trời tỏa sáng. Một hiệu ứng quan trọng khác là ở các vụ nổ sao siêu mới, sự kiện báo hiệu sự ra đi của những ngôi sao khối lượng lớn.
“[Sao siêu mới] tồn tại là do các hiệu ứng tương đối tính khắc chế các hiệu ứng lượng tử trong lõi của một ngôi sao khối lượng đủ lớn, cho phép nó đột ngột co lại dưới sức nặng của riêng nó cho đến khi nó trở thành một sao neutron nhỏ hơn và cứng hơn nhiều,” Moore nói.
Trong một sao siêu mới, các lớp bên ngoài của ngôi sao co lại lên trên lõi, và tạo ra một vụ nổ khổng lồ, trong số những thứ khác, tạo ra các nguyên tố nặng hơn sắt. Trên thực tế, gần như toàn bộ các nguyên tố nặng mà chúng ta quen thuộc đều được tạo ra trong các vụ nổ sao siêu mới.”
“Chúng ta được sinh ra bởi vật chất đã hình thành và phân tán bởi sao siêu mới,” Moore nói. “Nếu thuyết tương đối không tồn tại, thì ngay cả những ngôi sao đồ sộ nhất cũng sẽ kết thúc cuộc đời của chúng dưới dạng sao lùn trắng, chứ không bao giờ phát nổ, và chúng ta sẽ không có mặt để mà suy nghĩ về nó.”
Nguồn: Jesse Emspak – LiveScience
