Lịch sử về thuyết tương đối
Albert Einstein, cha đẻ của thuyết tương đối hẹp và thuyết
tương đối rộng sinh ra ở Ulm, Đức vào năm 1879. Một năm
sau đó gia đình ông chuyển đến Munich, tại đó, cha ông
– Herman và cậu ông – Jacob khởi sự kinh doanh về đồ điện nhưng
không mấy thành công. Einstein không phải là thần đồng nhưng có
người cho rằng ông là một học sinh cá biệt ở phổ thông thì lại là
một sự cường điệu. Năm 1894 công việc làm ăn của cha...
z
Lịch sử về thuyết tương đối
Cơ học lượng tử
Thuyết-M
Thuyết tương đối rộng
Màng 10 chiều
Các màng-p
Các siêu dây
Siêu hấp dẫn 11 chiều Hố đen
CHƯƠNG 1
LƯ Ợ C S Ử V Ề T H UYẾT TƯƠNG ĐỐI
Einstein thiết lập hai lý thuyết căn bản của thế kỷ hai mươi:
Lý thuyết tương đối rộng và lý thuyết lượng tử như thế nào?
Trang 3
V Ũ T R ụ T R O N G M ộ T V ỏ H ạ T
A
lbert Einstein, cha đẻ của thuyết tương đối hẹp và thuyết
tương đối rộng sinh ra ở Ulm, Đức vào năm 1879. Một năm
sau đó gia đình ông chuyển đến Munich, tại đó, cha ông
– Herman và cậu ông – Jacob khởi sự kinh doanh về đồ điện nhưng
không mấy thành công. Einstein không phải là thần đồng nhưng có
người cho rằng ông là một học sinh cá biệt ở phổ thông thì lại là
một sự cường điệu. Năm 1894 công việc làm ăn của cha ông bị đổ
bể nên gia đình chuyển đến Milan. Gia đình quyết định ông nên ở
lại để hoàn thành bậc học phổ thông, nhưng ông không thích chủ
nghĩa độc đoán của trường học nên chỉ sau đó mấy tháng ông đoàn
tụ với gia đình ở Ý. Sau đó ông tốt nghiệp phổ thông ở Zurich và
tốt nghiệp đại học trường Bách khoa liên bang vào năm 1900. Bản
tính hay tranh luận và và ác cảm với quyền lực đã không mang cho
ông một chân giáo sư ở trường Bách khoa liên bang và không một
giáo sư nào của trường mời ông làm trợ giảng, mà thời bấy giờ đó
là con đường bình thường để theo đuổi sự nghiệp khoa học. Cuối
cùng thì hai năm sau ông cũng xoay sở được một việc ở Văn phòng
sáng chế ở Bern. Ông làm việc tại đó trong thời gian ông viết ba bài
báo, trong đó hai bài đã đưa ông trở thành nhà khoa học hàng đầu
thế giới và bắt đầu hai cuộc cách mạng về tư tưởng làm thay đổi
hiểu biết của chúng ta về không gian, thời gian và bản thân thực tại
vào năm 1905.
Gần cuối thế kỷ thứ 19, các nhà khoa học tin rằng họ gần như đã mô
tả vũ trụ một cách toàn vẹn. Họ cho rằng không gian được lấp đầy
bởi một loại vật chất liên tục gọi là Ê-te (ether). Ánh sáng và các
tín hiệu vô tuyến là các sóng lan truyền trong ê-te giống như sóng
âm lan truyền trong không khí. Và tất cả các điều cần làm cho một
lý thuyết hoàn thiện là phép đo chính xác để xác định tính đàn hồi
của ê-te. Thực ra các phép đo như thế đã được xây dựng hoàn chỉnh
tại phòng thí nghiệm Jefferson ở trường đại học Harvard mà không
dùng đến một cái đinh sắt nào để tránh làm nhiễu các phép đo từ
trường yếu. Tuy vậy những người xây dựng hệ đo đã quên rằng các
viên gạch nâu đỏ xây nên phòng thí nghiệm và phần lớn các tòa nhà
ở Harvard đều chứa một lượng lớn sắt. Ngày nay các tòa nhà đó
vẫn được sử dụng, nhưng họ vẫn không chắc là nếu không có các
đinh sắt thì sàn thư viện của trường có thể nâng đỡ được sức nặng
là bao nhiêu.
Trang 4 Người dịch: da_trạ[email protected]; http://datrach.blogspot.com
L Ư ợ C S ử V ề T H U Y ế T T Ư Ơ N G Đ ố I
Albert Einstein năm 1920
Người dịch: da_trạ[email protected]; http://datrach.blogspot.com Trang 5
V Ũ T R ụ T R O N G M ộ T V ỏ H ạ T
Ánh sáng chuyển động trong ê-te
(Hình 1.1, phía trên) Vào cuối thế kỷ 19, các ý tưởng trái ngược nhau về sự có mặt của
LÝ THUYẾT Ê-TE CỐ ĐỊNH ê-te bắt đầu xuất hiện. Người ta tin rằng ánh sáng chuyển động với
một tốc độ xác định so với ê-te và nếu bạn chuyển động cùng hướng
Nếu ánh sáng là sóng trong một
với ánh sáng trong ê-te thì bạn sẽ thấy ánh sáng chuyển động chậm
loại vật chất đàn hồi được gọi
là ê-te thì vận tốc của ánh sáng
hơn, và nếu bạn chuyển động ngược hướng với ánh sáng thì bạn sẽ
đối với người ở trên tàu vũ trụ thấy ánh sáng di chuyển nhanh hơn (hình 1.1).
chuyển động ngược hướng ánh
sáng (a) sẽ nhanh hơn vận tốc Và một loạt các thí nghiệm để chứng minh điều đó đã thất bại.
của ánh sáng đối với người trong Albert Michelson và Edward Morley của trường khoa học ứng dụng
con tàu chuyển động cùng hướng ở Cleveland, bang Ohio đã thực hiện các thí nghiệm cẩn thận và
với ánh sáng (b). chính xác nhất vào năm 1887. Họ so sánh tốc độ ánh sáng của hai
chùm sáng vuông góc với nhau. Vì trái đất tự quay quanh mình và
(Hình 1.2, trang kế) quay quanh mặt trời nên dụng cụ thí nghiệm sẽ di chuyển trong ê-te
Người ta không thấy sự khác
với tốc độ và hướng thay đổi. Nhưng Michelson và Morley cho thấy
biệt về vận tốc ánh sáng theo các
hướng trong mặt phẳng quỹ đạo
rằng không có sự khác biệt giữa hai chùm sáng đó. Hình như là ánh
của trái đất và hướng vuông góc sáng truyền với tốc độ như nhau đối với người quan sát, không phụ
với mặt phẳng quỹ đạo đó. thuộc vào tốc độ và hướng của người chuyển động (hình 1.3).
Dựa trên thí nghiệm Michelson-Morley, một nhà vật lý người Ai-len
tên là George Fitzgerald và nhà vật lý người Hà Lan tên là Hendrik
Lorentz giả thiết rằng các vật thể chuyển động trong ê-te sẽ co lại
và thời gian sẽ bị chậm đi. Sự co và sự chậm lại của đồng hồ làm
cho tất cả mọi người sẽ đo được một tốc độ ánh sáng như nhau
không phụ thuộc vào việc họ chuyển động như thế nào đối với ê-
te (George Fitzgerald và Hendrik Lorentz vẫn coi ê-te là một loại
vật chất có thực). Tuy vậy, năm 1905, Einstein đã viết một bài báo
chỉ ra rằng nếu người ta không thể biết được người ta chuyển động
Trang 6 Người dịch: da_trạ[email protected]; http://datrach.blogspot.com
L Ư ợ C S ử V ề T H U Y ế T T Ư Ơ N G Đ ố I
Trái đất quay từ tây sang đông Ánh sáng vuông góc với quĩ Các tia sáng vuông góc với
đạo của trái đất quanh mặt trời nhau và đi theo chiều quay của
trái đất cũng không thể hiện sự
khác nhau về vận tốc
Người dịch: da_trạ[email protected]; http://datrach.blogspot.com Trang 7
V Ũ T R ụ T R O N G M ộ T V ỏ H ạ T
(HÌNH 1.3) ĐO VẬN TỐC ÁNH SÁNG
Trong giao thoa kế Michenson-Morley, ánh
sáng từ nguồn sáng được tách thành hai chùm
bằng một gương bán mạ. Hai chùm sáng đi
theo hai hướng vuông góc với nhau sau đó
lại kết hợp thành một chùm sáng sau khi đập
vào gương bán mạ một lần nữa. Sự sai khác
về tốc độ ánh sáng của hai chùm sáng đi theo
hai hướng có thể làm cho các đỉnh sóng của
chùm sáng này trùng với đáy sóng của chùm
sáng kia và chúng triệt tiêu nhau.
Hình phải: sơ đồ thí nghiệm được vẽ lại từ sơ
đồ được in trên tạp chí Scientific American
năm 1887.
Trang 8 Người dịch: da_trạ[email protected]; http://datrach.blogspot.com
L Ư ợ C S ử V ề T H U Y ế T T Ư Ơ N G Đ ố I
Đồng hồ trên phi cơ bay
về hướng tây ghi nhận một
khoảng thời gian lâu hơn
người anh sinh đôi của nó
bay về hướng ngược lại
Bay từ đông sang tây
Thời gian của các hành khách
trên phi cơ bay về hướng
đông sẽ ngắn hơn thời gian
Bay từ tây sang đông của những hành khách trên
phi cơ bay về hướng tây
trong không gian hay không thì khái niệm ê-te không còn cần thiết (Hình 1.4)
nữa. Thay vào đó, ông bắt đầu bằng một giả thuyết rằng các định Một phiên bản về nghịch lý anh
luật khoa học xuất hiện như nhau đối với tất cả những người quan em sinh đôi (hình 1.5) đã được
sát chuyển động tự do. Đặc biệt là họ sẽ đo được tốc độ ánh sánh kiểm tra bằng thực nghiệm từ
hai chiếc đồng hồ chính xác bay
như nhau không phụ thuộc vào tốc độ chuyển động của họ. Tốc độ
ngược chiều nhau vòng quanh
của ánh sáng độc lập với chuyển động của người quan sát và như trái đất.
nhau theo tất cả các hướng. Khi chúng gặp nhau thì đồng hồ
bay về hướng đông đã ghi lại
Ý tưởng này đòi hỏi phải từ bỏ ý nghĩ cho rằng tồn tại một đại lượng thời gian ngắn hơn chút ít.
phổ quát được gọi là thời gian có thể đo được bằng tất cả các đồng
hồ. Thay vào đó, mỗi người có một thời gian riêng của họ. Thời
gian của hai người sẽ giống nhau nếu hai người đó đứng yên tương
đối với nhau, nhưng thời gian sẽ khác nhau nếu hai người đó chuyển
động tương đối với nhau.
Giả thuyết này được khẳng định bằng rất nhiều thí nghiệm, trong
đó có một thí nghiệm gồm hai đồng hồ chính xác bay theo hướng
ngược nhau vòng quanh trái đất và quay lại cho thấy thời gian có sai
lệch chút ít. Giả thuyết gợi ý rằng nếu ai đó muốn sống lâu hơn thì
người đó nên bay về hướng đông vì như thế thì tốc độ của trái đất
sẽ bổ sung vào tốc độ của máy bay. Tuy vậy, các bữa ăn trên máy
bay sẽ rút ngắn cuộc sống của bạn gấp nhiều lần một phần nhỏ của
giây mà bạn có được.
Người dịch: da_trạ[email protected]; http://datrach.blogspot.com Trang 9
V Ũ T R ụ T R O N G M ộ T V ỏ H ạ T
Trang 10 Người dịch: da_trạ[email protected]; http://datrach.blogspot.com
L Ư ợ C S ử V ề T H U Y ế T T Ư Ơ N G Đ ố I
(Hình 1.5, trang trước)
NGHỊCH LÝ ANH EM SINH
ĐÔI
Trong thuyết tương đối, mỗi
người quan sát sẽ đo thời gian
khác nhau. Điều này có thể dẫn
đến nghịch lý anh em sinh đôi
(twin paradox).
Một người trong cặp anh em sinh
đôi (a) trong một phi thuyền thám
hiểm không gian chuyển động
với vận tốc gần bằng vận tốc ánh
sáng (c) trong khi người anh em
của anh ta (b) vẫn trên mặt đất.
Vì thời gian của (a) trong phi
thuyền chậm hơn thời gian của
(b) trên trái đất. Nên khi người
(a) trở về (a2) anh ta sẽ thấy
người anh em của anh ta trên trái
đất (b2) già hơn anh ta.
Mặc dù nó có vẻ chống lại cảm
nhận chung của chúng ta, rất
nhiều thí nghiệm chứng minh
(Hình 1.7) rằng trong kịch bản này, người
du hành vũ trụ sẽ trẻ hơn người
Giả thuyết của Einstein cho rằng các định luật khoa học xuất hiện còn lại.
như nhau đối với tất cả các người quan sát chuyển động tự do là cơ
sở của thuyết tương đối. Gọi như vậy vì nó ngụ ý rằng chỉ có chuyển (Hình 1.6, hình bên)
Một phi thuyền đi ngang qua trái
động tương đối là quan trọng. Vẻ đẹp và sự đơn giản của giả thuyết
đất từ trái sang phải với vận tốc
này đã thuyết phục rất nhiều các nhà tư tưởng, tuy nhiên, vẫn có rất bằng bốn phần năm vận tốc ánh
nhiều các ý kiến trái ngược. Einstein đã vứt bỏ hai khái niệm tuyệt sáng. Một xung ánh sáng phát ra
đối của khoa học thế kỷ 19: đứng yên tuyệt đối – đại diện là ê-te và từ cabin và phản xạ lại ở đầu kia
thời gian tuyệt đối và phổ quát mà tất cả các đồng hồ đo được. Rất (a).
nhiều người thấy rằng đây là một khái niệm không bình thường. Họ Người trên trái đất nhìn ánh sáng
hỏi, giả thuyết ngụ ý rằng tất cả mọi thứ đều tương đối, rằng không trên phi thuyền. Vì phi thuyền
có một tiêu chuẩn đạo đức tuyệt đối? Sự bứt rứt này tiếp diễn trong chuyển động nên hai ngưới sẽ
suốt những năm 20 và 30 của thế kỷ 20. Khi Einstein được trao giải quan sát khoảng cách mà ánh
Nobel vào năm 1921 về một công trình kém quan trọng hơn cũng sáng đã đi được khi phản xạ lại
không bằng nhau(b).
được ông cho ra đời vào năm 1905. Lúc đó, thuyết tương đối không
Và với họ thời gian mà ánh sáng
được nhắc đến vì nó vẫn còn gây nhiều tranh cãi (đến bây giờ tôi dùng để truyền cũng không bằng
vẫn nhận được vài ba bức thư hàng tuần nói rằng Einstein đã sai). nhau, vì theo giả thuyết của Ein-
Tuy vậy, hiện nay, các nhà vật lý hoàn toàn chấp nhận thuyết tương stein, tốc độ ánh sáng là như nhau
đối, và các tiên đoán của nó đã được kiểm chứng trong vô vàn ứng đối với tất cả các người quan sát
dụng. chuyển động tự do.
Người dịch: da_trạ[email protected]; http://datrach.blogspot.com Trang 11
V Ũ T R ụ T R O N G M ộ T V ỏ H ạ T
Một hệ quả quan trọng của thuyết tương đối là hệ thức giữa khối
lượng và năng lượng. Giả thiết của Einstein về tốc độ của ánh sáng
là như nhau đối với tất cả các người quan sát ngụ ý rằng không có
gì có thể chuyển động nhanh hơn ánh sáng. Nếu ta dùng năng lượng
để gia tốc một vật nào đó, dù là một hạt hay một tàu vũ trụ, thì khối
lượng của vật đó sẽ gia tăng cùng với tốc độ và do đó sẽ khó có thể
gia tốc thêm được nữa. Ta không thể gia tốc một hạt đến tốc độ ánh
sáng vì ta cần một năng lượng lớn vô cùng để làm điều đó. Khối
lượng và năng lượng là tương đương và điều đó được tổng kết trong
một phương trình nổi tiếng E = mc2 (hình 1.7). Có lẽ đây là phương
trình vật lý duy nhất mà chúng ta có thể nhìn thấy nó được viết trên
đường phố. Một trong số các hệ quả của phương trình trên là hạt
nhân của nguyên tử Uranium phân rã thành 2 hạt nhân nhỏ hơn có
tổng khối lượng nhỏ hơn khối lượng của hạt nhân ban đầu, việc này
sẽ giải tỏa một năng lượng vô cùng lớn (hình 1.8).
Vào năm 1939, khi mà khả năng một cuộc chiến tranh thế giới nữa
đang lờ mờ xuất hiện, một nhóm các nhà khoa học đã nhận ra tầm
Trang 12 Người dịch: da_trạ[email protected]; http://datrach.blogspot.com
L Ư ợ C S ử V ề T H U Y ế T T Ư Ơ N G Đ ố I
Bức thư tiên đoán
của Einstein gửi
tổng thống Roos-
evelt năm 1939
“Trong thời gian
bốn tháng qua,
thông qua các công
trình của Joliot
ở Pháp cũng như
Fermi và Szilard ở
Hoa Kỳ, chúng ta
có thể xây dựng
một phản ứng hạt
nhân với một khối
quan trọng và đã thuyết phục Einstein vượt qua sự lưỡng lự của bản lượng lớn Urani-
thân để điền tên của ông vào một bức thư gửi Tổng thống Roosevelt um, nhờ đó mà sinh
nhằm thúc giục Hoa Kỳ khởi động chương trình nghiên cứu hạt ra một nguồn năng
nhân. lượng lớn. Bây
giờ, chúng ta có
Việc này dẫn đến dự án Manhattan và kết quả của nó là 2 quả bom thể làm điều này
nguyên tử được ném xuống Hiroshima và Nagasaki vào năm 1945. trong một tương
Một số người đã đổ tội cho Einstein về bom nguyên tử bởi vì ông lai gần.
đã khám phá ra mối liên hệ giữa khối lượng và năng lượng; nhưng Mặc dù chưa chắc
điều này giống như là đổ tội cho Newton đã gây ra các vụ tai nạn chắn, nhưng hiện
máy bay vì đã phát hiện ra định luật hấp dẫn. tượng mới này có
khả năng dẫn đến
Sau các bài báo gây chấn động vào năm 1905, Einstein trở lên nổi việc tạo ra các
tiến trên thế giới. Nhưng đến tận năm 1909 ông mới được mời vào quả bom có sức
làm việc tại trường đại học Zurich và do đó, ông có thể từ bỏ công công phá cực lớn.”
việc ở văn phòng sáng chế Thụy Sỹ. Hai năm sau, ông chuyển sang
đại học Đức ở Prague, nhưng ông quay trở lại Zurich vào năm 1912,
nhưng lần này ông về trường Bách khoa liên bang. Mặc dù chủ
Người dịch: da_trạ[email protected]; http://datrach.blogspot.com Trang 13
V Ũ T R ụ T R O N G M ộ T V ỏ H ạ T
Uranium (U-236) (n)
Uranium (U-235)
Tia gamma
Neutron (n) bắn phá hạt nhân
(n)
(U-235) Hạt nhân (Ba-144) Hạt nhân
tổ hợp dao động tổ hợp dao động và
và bất ổn định bất ổn định
(Hình 1.8) nghĩa bài Do thái (anti-semitism) đang phổ biến ở châu Âu, ngay
NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT cả ở trong các trường đại học, nhưng ông vẫn là một tài sản quý
HẠT NHÂN của trường đại học. Có nhiều đề nghị làm việc đến từ Vienna và
Utrecht, nhưng ông đã chấp nhận một vị trí ở Viện hàn lâm khoa
Hạt nhân được tạo thành từ học Prussian ở Berlin vì ở đó ông không phải đảm nhiệm công việc
proton và neutron liên kết với giảng dạy. Ông chuyển đến Berlin vào tháng 4 năm 1914 và sau
nhau nhờ lực hạt nhân mạnh.
đó ít lâu vợ và hai con của ông cũng chuyển đến đó với ông. Cuộc
Nhưng khối lượng của hạt
nhân luôn nhỏ hơn tổng khối
hôn nhân của ông gặp nhiều sóng gió, do vậy, vợ và các con ông
lượng của các proton và neu- nhanh chóng trở lại Zurich. Mặc dầu thỉnh thoảng ông vẫn trở lại
tron riêng lẻ tạo nên chúng. Sự thăm họ nhưng cuối cùng cuộc hôn nhân của họ cũng tan vỡ. Sau
khác nhau chính là một phép đo đó Einstein lấy một người em họ tên là Elsa sống ở Berlin. Trong
năng lượng liên kết hạt nhân những năm chiến tranh ông đã sống độc thân và không có ràng buộc
mà giữ hạt nhân lại với nhau. về gia đình, có lẽ chính vì thế đây là thời kỳ thăng hoa nhất của ông
Năng lượng liên kết này có thể về mặt khoa học.
được tính từ hệ thức Einstein:
năng lượng liên kết hạt nhân = Mặc dầu thuyết tương đối rất phù hợp với các định luật điện và từ
∆mc2 trong đó ∆m là sự khác
nhưng nó lại không tương hợp với định luật hấp dẫn của Newton.
nhau giữa khối lượng hạt nhân
và tổng các thành phần.
Định luật của Newton nói rằng nếu một lượng vật chất trong một
vùng của không gian bị thay đổi thì trường hấp dẫn mà nó tạo ra
Nó giải thoát một lượng năng trong toàn vũ trụ cũng thay đổi ngay lập tức. Điều này có nghĩa là
lượng đủ để tạo nên một sức người ta có thể gửi các tín hiệu nhanh hơn ánh sáng (mâu thuẫn với
công phá khổng lồ. thuyết tương đối); để hiểu tức thời có nghĩa là gì, người ta lại cần
đến khái niệm thời gian tuyệt đối và phổ quát, chính điều này lại
loại bỏ thời gian cá nhân.
Trang 14 Người dịch: da_trạ[email protected]; http://datrach.blogspot.com
L Ư ợ C S ử V ề T H U Y ế T T Ư Ơ N G Đ ố I
Phương trình Einstein giữa Neutron liên kết
(Kr-89) Hạt nhân
tổ hợp dao động năng lượng (E), khối lượng
và bất ổn định (m), và vận tốc ánh sáng (c)
cho thấy một lượng nhỏ khối Proton
lượng tương ứng với một
Tính trung bình, phân rã năng lượng khổng lồ: E=mc2
thu được 2,4 neutron và Neutron tự do
năng lượng 215 MeV
Neutron (n) có thể khởi
động một phản ứng dây
truyền
Tia gamma
(n)
PHẢN ỨNG DÂY TRUYỀN
Một neutron từ phân rã U-235 ban đầu sẽ
bắn phá các hạt nhân khác. Quá trình này
tạo ra một phân rã hạt nhân khác và một
phản ứng dây truyền gồm các va chạm
tiếp theo bắt đầu
Nếu phản ứng này tự duy trì thì nó được
gọi là “tới hạn” và khối lượng U-235
được gọi là khối lượng tới hạn.
Người dịch: da_trạ[email protected]; http://datrach.blogspot.com Trang 15
V Ũ T R ụ T R O N G M ộ T V ỏ H ạ T
(Hình 1.9) Năm 1907, Einstein nhận ra khó khăn này khi ông còn làm việc
ở văn phòng sáng chế ở Bern, nhưng phải đến khi ông ở Prague
Một người quan sát đứng trong vào năm 1911 ông mới suy nghĩ về vấn đề này một cách nghiêm
một cái hộp không thể nhận ra túc. Ông nhận ra rằng có một mối liên hệ mật thiết giữa gia tốc và
sự khác nhau khi đứng trong một trường hấp dẫn. Một người nào đó ở trong một cái hộp đóng kín như
chiếc thang máy tĩnh trên trái đất là trong một cái thang máy chẳng hạn không thể nhận biết được cái
(a) hoặc bị gia tốc bởi một tên lửa hộp đó đang đứng yên trong trường hấp dẫn của trái đất hay đang bị
trong không gian tự do (b). gia tốc bởi một tên lửa trong không gian (tất nhiên lúc này là trước
Nếu người ta tắt động cơ của tên
kỷ nguyên của Star Trek, và Einstein nghĩ về những người đứng
lửa (c) cảm giác sẽ giống như
trong một chiếc thang máy rơi tự
trong thang máy hơn là về những con tàu vũ trụ). Nhưng người ta
do xuống đất. không thể gia tốc hoặc rơi tự do lâu được trong cái thang máy trước
khi tai nạn xảy ra! (hình 1.9)
Trang 16 Người dịch: da_trạ[email protected]; http://datrach.blogspot.com
L Ư ợ C S ử V ề T H U Y ế T T Ư Ơ N G Đ ố I
Hình (1.10)
Hình (1.11)
Nếu trái đất phẳng thì ta có thể nói rằng quả táo rơi xuống đầu (Hình 1.12) ĐỘ CONG CỦA
Newton là do hấp dẫn hoặc Newton và bề mặt trái đất bị gia tốc lên KHÔNG THỜI GIAN
trên, hai cách nói trên là tương đương (hình 1.10). Sự tương ứng
giữa gia tốc và hấp dẫn không sẽ còn đúng khi trái đất là hình cầu, Gia tốc và hấp dẫn chỉ có thể
tuy vậy- người ở mặt kia trái đất có thể bị gia tốc theo các chiều tương đương với nhau nếu một
vật thể có khối lượng lớn bẻ cong
ngược lại nhưng vẫn đứng ở những khoảng cách không đổi với
không thời gian, do đó bẻ cong
nhau (hình 1.11). cả lộ trình của các vật thể xung
quanh nó.
Nhưng khi ông quay lại Zurich vào năm 1912, ông đã có một bước
đột phá khi nhận ra rằng sự tương ứng đó là đúng nếu hình dáng của
không thời gian bị bẻ cong chứ không thẳng như người ta vẫn nghĩ
cho tới thời điểm đấy. Ý tưởng của ông là khối lượng và năng lượng
Người dịch: da_trạ[email protected]; http://datrach.blogspot.com Trang 17
V Ũ T R ụ T R O N G M ộ T V ỏ H ạ T
Nếu trái đất phẳng (hình 1.10) đã làm cong không thời gian theo một cách có thể xác định được.
thì người ta có thể giải thích Các vật thể như là quả táo hoặc là hành tinh sẽ cố gắng chuyển động
bằng một trong hai cách tương thẳng trong không thời gian, nhưng quỹ đạo của chúng sẽ bị bẻ cong
đương sau: quả táo rơi xuống đầu bởi một trường hấp dẫn do không thời gian bị cong (hình 1.12).
Newton do lực hấp dẫn hoặc do
Newton gia tốc lên phía trên. Sự
tương đương này không còn đúng Với sự giúp đỡ của Marcel Grossmann, Einstein nghiên cứu lý
khi trái đất hình cầu (hình 1.11) thuyết không gian và mặt phẳng cong do Georg Friedrich Riemann
vì những người ở mặt kia của trái phát triển trước đó. Tuy vậy, Riemann nghĩ rằng chỉ có không gian
đất sẽ rời xa nhau. Einstein đã bị bẻ cong. Điều đó làm cho Einstein nghĩ rằng không thời gian
giải quyết bài toán này bằng việc cũng bị bẻ cong. Einstein và Grossmann đã viết chung một bài báo
giả thiết không gian và thời gian vào năm 1913, trong đó họ đã đẩy ý tưởng mà chúng ta nghĩ về lực
bị cong. hấp dẫn chỉ là những biểu hiện của sự cong của không thời gian.
Tuy vậy, vì một sai lầm do Einstein gây ra (Einstein cũng rất con
Trang 18 Người dịch: da_trạ[email protected]; http://datrach.blogspot.com
L Ư ợ C S ử V ề T H U Y ế T T Ư Ơ N G Đ ố I
người và có thể nhầm lẫn), họ không thể tìm ra các phương trình
liên hệ độ cong của không gian với khối lượng và năng lượng trong
đó. Einstein vẫn tiếp tục nghiên cứu vấn đề này ở Berlin, không
bị ảnh hưởng bởi các vấn đề gia đình và chủ yếu là không bị ảnh
hưởng bởi chiến tranh, cho đến khi ông tìm thấy các phương trình
đó vào tháng 11 năm 1915. Ông đã trao đổi các ý tưởng của ông
với nhà toán học David Hilbert trong chuyến thăm trường đại học
Gottingen vào mùa hè năm 1915, và Hilbert cũng tìm ra các phương
trình tương tự một cách độc lập trước Einstein vài ngày. Tuy nhiên,
ngay cả bản thân Hilbert cũng thừa nhận, tác quyền của lý thuyết
mới là thuộc về Einstein. Ý tưởng liên hệ hấp dẫn với độ cong của
không thời gian chính là của ông. Đây cũng là một lời khen cho
nước Đức vào thời điểm đó khi các cuộc trao đổi và thảo luận khoa
học có thể diễn ra mà không bị ảnh hưởng bởi chiến tranh. Điều này
hoàn toàn trái ngược với kỷ nguyên Đức quốc xã (Nazi) 20 năm
sau đó.
Lý thuyết mới về sự cong của không thời gian được gọi là thuyết
tương đối rộng để phân biệt với lý thuyết ban đầu không có lực hấp
dẫn được mọi người biết đến với cái tên là thuyết tương đối hẹp. Lý
thuyết này được khẳng định trong một thí nghiệm rất ấn tượng vào
năm 1919, trong một cuộc thám hiểm của các nhà khoa học người
Anh về phía Tây châu Phi đã quan sát được độ lệch rất nhỏ của ánh
Người dịch: da_trạ[email protected]; http://datrach.blogspot.com Trang 19
