Thuyết tương đối của Einstein là một lý thuyết nổi tiếng, nhưng nó ít được hiểu. Lý thuyết tương đối đề cập đến hai yếu tố khác nhau của cùng một lý thuyết: thuyết tương đối rộng và thuyết tương đối hẹp. Lý thuyết tương đối hẹp được giới thiệu đầu tiên và sau đó được coi là một trường hợp đặc biệt của thuyết tương đối rộng hơn.
Thuyết tương đối rộng là một lý thuyết hấp dẫn mà Albert Einstein đã phát triển từ năm 1907 đến năm 1915, với sự đóng góp của nhiều người khác sau năm 1915.
Lý thuyết tương đối khái niệm
Lý thuyết tương đối của Einstein bao gồm sự kết hợp của một số khái niệm khác nhau, bao gồm:
- Thuyết Tương đối Đặc biệt của Einstein - hành vi cục bộ của các vật trong các khung quán tính tham chiếu, thường chỉ liên quan ở tốc độ rất gần với vận tốc ánh sáng
- Chuyển đổi Lorentz - các phương trình chuyển đổi được sử dụng để tính toán các thay đổi tọa độ theo thuyết tương đối hẹp
- Lý thuyết tương đối rộng của Einstein - lý thuyết toàn diện hơn, xử lý lực hấp dẫn như một hiện tượng hình học của một hệ tọa độ không thời gian cong, mà còn bao gồm các khung tham chiếu phi thực tế [tức là tăng tốc]
- Nguyên tắc cơ bản của thuyết tương đối
Tương đối là gì?
Thuyết tương đối cổ điển [được định nghĩa ban đầu bởi Galileo Galilei và được tinh luyện bởi Sir Isaac Newton ] liên quan đến sự chuyển đổi đơn giản giữa một vật chuyển động và một người quan sát trong một khung tham chiếu quán tính khác.
Nếu bạn đang đi trên một chuyến tàu di chuyển, và ai đó đứng yên trên mặt đất đang xem, tốc độ của bạn liên quan đến người quan sát sẽ là tổng tốc độ của bạn liên quan đến tàu và tốc độ của tàu so với người quan sát. Bạn đang ở trong một khung tham chiếu quán tính, bản thân tàu [và bất kỳ ai ngồi trên đó] đều ở trong một cái khác, và người quan sát vẫn còn ở trong cái khác.
Vấn đề với điều này là ánh sáng được tin tưởng, trong phần lớn những năm 1800, để truyền đi như một sóng thông qua một chất phổ quát được gọi là ête, được tính là một khung tham chiếu riêng biệt [tương tự như tàu trong ví dụ trên] ]. Tuy nhiên, thí nghiệm Michelson-Morley nổi tiếng đã thất bại trong việc phát hiện chuyển động của Trái Đất liên quan đến ête và không ai có thể giải thích tại sao. Có điều gì đó sai trái với cách giải thích tương đối cổ điển khi nó được áp dụng cho ánh sáng ... và do đó, trường đã chín muồi cho một giải thích mới khi Einstein đi cùng.
Giới thiệu về thuyết tương đối đặc biệt
Năm 1905, Albert Einstein xuất bản [trong số những thứ khác] một bài báo gọi là "Về điện động lực của các cơ quan chuyển động" trong tạp chí Annalen der Physik . Bài báo trình bày lý thuyết tương đối hẹp, dựa trên hai giả thuyết:
Einstein's Postulates
Nguyên lý tương đối [Đề xuất đầu tiên] : Các định luật vật lý giống nhau đối với tất cả các khung tham chiếu quán tính.Nguyên tắc của sự tồn tại của tốc độ ánh sáng [Đề xuất thứ hai] : Ánh sáng luôn lan truyền qua chân không [tức là không gian trống hoặc "không gian trống"] với vận tốc xác định, c, độc lập với trạng thái chuyển động của cơ thể phát ra.
Trên thực tế, bài báo trình bày một công thức toán học chính thức hơn về các định đề.
Sự phân tách của các định đề là hơi khác với sách giáo khoa cho sách giáo khoa vì các vấn đề về dịch thuật, từ tiếng Anh toán học sang tiếng Anh dễ hiểu.
Giả thuyết thứ hai thường được viết nhầm để bao gồm tốc độ ánh sáng trong chân không là c trong tất cả các khung tham chiếu. Đây thực sự là một kết quả có nguồn gốc của hai định đề, chứ không phải là một phần của bản đề xuất thứ hai.
Định đề đầu tiên có ý nghĩa khá phổ biến. Tuy nhiên, giả thuyết thứ hai là cuộc cách mạng. Einstein đã giới thiệu lý thuyết photon về ánh sáng trong bài báo của ông về hiệu ứng quang điện [khiến cho ether không cần thiết]. Do đó, giả thiết thứ hai là hậu quả của các photon không khối lượng di chuyển với vận tốc c trong chân không. Ête không còn có vai trò đặc biệt như một khung tham chiếu quán tính "tuyệt đối", vì vậy nó không chỉ là không cần thiết mà còn vô dụng về mặt tính chất dưới thuyết tương đối hẹp.
Đối với bản thân bài báo, mục đích là để hòa giải các phương trình Maxwell về điện và từ với chuyển động của các electron gần tốc độ ánh sáng. Kết quả của bài báo của Einstein là giới thiệu các phép biến đổi tọa độ mới, được gọi là phép biến đổi Lorentz, giữa các khung quán tính tham chiếu. Ở tốc độ chậm, các phép biến đổi này về cơ bản giống với mô hình cổ điển, nhưng ở tốc độ cao, gần với tốc độ ánh sáng, chúng tạo ra các kết quả hoàn toàn khác nhau.
Ảnh hưởng của thuyết tương đối đặc biệt
Thuyết tương đối đặc biệt mang lại một số hậu quả từ việc áp dụng phép biến đổi Lorentz ở vận tốc cao [gần tốc độ ánh sáng]. Trong số đó là:
- Thời gian giãn nở [bao gồm cả "nghịch lý đôi" phổ biến]
- Co chiều dài
- Chuyển đổi vận tốc
- Bổ sung vận tốc tương đối tính
- Hiệu ứng doppler tương đối
- Simultaneity & đồng bộ hóa đồng hồ
- Động lượng tương đối
- Năng lượng động tương đối
- Khối lượng tương đối tính
- Tổng năng lượng tương đối tính
Ngoài ra, các thao tác đại số đơn giản của các khái niệm trên mang lại hai kết quả đáng kể xứng đáng đề cập đến cá nhân.
Quan hệ khối lượng-năng lượng
Einstein có thể chứng minh rằng khối lượng và năng lượng có liên quan, thông qua công thức nổi tiếng E = mc 2. Mối quan hệ này đã được chứng minh một cách đáng kể nhất trên thế giới khi bom hạt nhân giải phóng năng lượng của khối lượng ở Hiroshima và Nagasaki vào cuối Thế chiến II.
Tốc độ ánh sáng
Không vật thể nào có khối lượng có thể đẩy nhanh tốc độ ánh sáng chính xác. Một vật thể không khối lượng, giống như một photon, có thể di chuyển với vận tốc ánh sáng. [Một photon không thực sự tăng tốc, mặc dù, vì nó luôn luôn di chuyển chính xác ở tốc độ ánh sáng .]
Nhưng đối với một vật thể, tốc độ ánh sáng là một giới hạn. Động năng ở tốc độ ánh sáng đi tới vô cùng, vì vậy nó không bao giờ có thể đạt được bằng gia tốc.
Một số người đã chỉ ra rằng một vật thể trong lý thuyết có thể di chuyển lớn hơn tốc độ ánh sáng, miễn là nó không tăng tốc để đạt tới tốc độ đó. Cho đến nay không có thực thể vật lý nào từng hiển thị thuộc tính đó.
Thông qua thuyết tương đối đặc biệt
Năm 1908, Max Planck áp dụng thuật ngữ "thuyết tương đối" để mô tả những khái niệm này, vì thuyết tương đối vai trò quan trọng được chơi trong chúng. Vào thời điểm đó, tất nhiên, thuật ngữ chỉ áp dụng cho thuyết tương đối hẹp, bởi vì chưa có thuyết tương đối rộng nào.
Thuyết tương đối của Einstein không được các nhà vật lí chấp nhận ngay lập tức bởi vì nó dường như rất lý thuyết và phản trực giác. Khi ông nhận được giải thưởng Nobel năm 1921 của mình, nó đã được cụ thể cho giải pháp của ông cho hiệu ứng quang điện và cho "những đóng góp của ông cho Vật lý lý thuyết." Thuyết tương đối vẫn còn quá gây tranh cãi để được tham chiếu cụ thể.
Tuy nhiên, theo thời gian, các dự đoán về thuyết tương đối hẹp đã được chứng minh là đúng. Ví dụ, đồng hồ bay trên khắp thế giới đã được chứng minh là làm chậm thời gian dự đoán của lý thuyết.
Nguồn gốc của biến đổi Lorentz
Albert Einstein đã không tạo ra các phép biến đổi tọa độ cần thiết cho thuyết tương đối hẹp. Anh không phải vì những biến đổi Lorentz mà anh cần đã tồn tại. Einstein là một bậc thầy trong việc thực hiện công việc trước đó và thích ứng với các tình huống mới, và ông đã làm như vậy với các phép biến đổi Lorentz giống như ông đã sử dụng giải pháp 1900 của Planck cho thảm họa tia cực tím trong bức xạ cơ thể đen để tạo ra giải pháp cho hiệu ứng quang điện . phát triển lý thuyết photon về ánh sáng .
Các biến đổi đã được Joseph Larmor xuất bản lần đầu tiên vào năm 1897. Một phiên bản hơi khác đã được xuất bản một thập kỷ trước đó bởi Woldemar Voigt, nhưng phiên bản của ông có một hình vuông trong phương trình giãn nở thời gian. Tuy nhiên, cả hai phiên bản của phương trình đã được chứng minh là bất biến theo phương trình Maxwell.
Nhà toán học và vật lý Hendrik Antoon Lorentz đã đề xuất ý tưởng "thời gian địa phương" để giải thích tính đồng thời tương đối vào năm 1895, và bắt đầu làm việc độc lập với các biến đổi tương tự để giải thích kết quả vô giá trị trong thí nghiệm Michelson-Morley. Ông xuất bản biến đổi phối hợp của mình vào năm 1899, dường như vẫn không biết về ấn phẩm của Larmor, và thêm thời gian giãn nở vào năm 1904.
Năm 1905, Henri Poincare sửa đổi các công thức đại số và gán chúng cho Lorentz với tên "biến đổi Lorentz", do đó thay đổi cơ hội của Larmor ở bất tử trong vấn đề này. Công thức của Poincare về sự biến đổi về cơ bản giống với cái mà Einstein sẽ sử dụng.
Các phép biến đổi áp dụng cho hệ tọa độ bốn chiều, với ba toạ độ không gian [ x , y , & z ] và tọa độ một lần [ t ]. Các tọa độ mới được biểu thị bằng dấu nháy đơn, được phát âm là "nguyên tố", sao cho x 'được phát âm là x -prime. Trong ví dụ dưới đây, vận tốc theo hướng xx ', với vận tốc u :
x '= [ x - ut ] / sqrt [1 - u 2 / c 2]y '= y
z '= z
t '= { t - [ u / c 2] x } / sqrt [1 - u 2 / c 2]
Các biến đổi được cung cấp chủ yếu cho mục đích trình diễn. Các ứng dụng cụ thể của chúng sẽ được xử lý riêng biệt. Thuật ngữ 1 / sqrt [1 - u 2 / c 2] thường xuất hiện trong thuyết tương đối mà nó được biểu thị bằng gamma biểu tượng Hy Lạp trong một số biểu diễn.
Cần lưu ý rằng trong các trường hợp khi u