Một Vấn Đề Trong Cơ Học Tương Đối Tính

12
452

Bài viết của anh: Nguyễn Thanh Giang trình bày quan điểm của anh về cơ học tương đối tính và thuyết tương đối hẹp

 

Từ nhiều ngàn năm về trước,khi nhìn vào thế giới chung quanh mình, người ta đã cho rằng không gian có ba chiều. Khởi đi từ quan điểm này trong dòng thời gian tuyệt đối, cơ học cổ điển đã được thành hình từ thế kỷ thứ 16, với các định nghĩa rõ ràng về vận tốc, gia tốc, động lượng, và lực,… Qua nhiều trăm năm phát triển, nổi bật nhất là sự đóng góp của nhà khoa học thiên tài người Anh, Isaac Newton, nó đã đạt được những thành tựu vượt bực, như là giải thích được quỹ đạo hình bầu dục của các hành tinh, tìm được thêm Hải Vương Tinh, Thiên Vương Tinh, và tiểu hành tinh (dwarf planet) Diêm Vương trong Thái Dương Hệ, cũng như giúp người ta tính ra được các phương trình quỹ đạo của các vệ tinh nhân tạo và phi thuyền trong không gian. Cơ học Newton đã là một lý thuyết rất thành công. Nó đơn giản, rõ ràng và chặt chẽ.

 

Nhưng đến đầu thế kỷ 20, khoa học gia người Đức gốc Do Thái, Albert Einstein, đã đề xuất một ý tưởng mới lạ. Ông ta cho rằng thời gian chính là chiều thứ tư của không gian. Ông gộp chung không gian và thời gian lại với nhau, và gọi chúng là không-thời-gian (spacetime). Ý tưởng của ông đã được đại đa số các nhà vật lý ủng hộ và thuyết tương đối đã trở thành một trong hai cột trụ vững chắc nhất của khoa học hiện đại. Sự ra đời của thuyết tương đối hẹp và sau đó là thuyết tương đối rộng, đã tạo ra một chấn động mãnh liệt trong khoa học. Einstein đã khai mở một cuộc cách mạng về nhận thức, làm sụp đổ hoàn toàn một quan điểm đã có từ thuở xa xưa của nhân loại, quan điểm tuyệt đối về không gian và thời gian. Trong bài “Khối Lượng và Phương Trình của Thế Kỷ”, giáo sư Phạm Xuân Yêm có viết: Đã không có hiện tại thì nói chi đến quá khứ và tương lai, đó là nội dung triết học quá ư kinh ngạc của thuyết tương đối hẹp và rộng trong nhận thức về thời gian, nó không phải là mũi tên trôi một chiều từ quá khứ đến tương lai mà chỉ là một trong bốn thành phần của một thực tại mang tên gọi không-thời gian chẳng cứng nhắc mà đàn hồi [1].

 

Tất cả các khái niệm cơ học cơ bản về vận tốc, gia tốc, động lượng, lực,…mà chúng ta đã quen thuộc trong cơ học Newton, đều được định nghĩa lại trong thuyết tương đối. Các định nghĩa mới nàyđã không hề được đưa ra một cách tùy tiện, mà chúng được mô phỏng theo cơ học cổ điển. Ý nghĩa vật lý của chúng cũng tương tự như ý nghĩacủa các khái niệm trong cơ học Newton. Điều khác biệt giửa hai hệ là, một bên là các vector trong không gian ba chiều (3D-vector) trong dòng thời gian tuyệt đối; còn một bên là các tứ-vector (four-vector) trong không-thời-gian bốn chiều [2]. Và tất cả mọi người sẽ phải cúi đầu khâm phục trí tuệ phi thường của nhà khoa học vĩ đại Albert Einstein, nếu từthuyết tương đối hẹp, người ta có thể đi đến mối tương quan giửa năng lượng và khối lượng E = mc2 mang tên ông.

 

Nhưng sự thật thì không phải lúc nào cũngđược như mong đợi, các tứ-vector đã không thể dẫn đến phương trình thế kỷ, một hiện thực khá phũ phàng mà người ta đã tránh nói ra một cách minh bạch. Trước thực trạng này, các nhà khoa học ủng hộ thuyết tương đối đã tìm ra một cách giải quyết rất là “quyền nghi”. Để có được phương trình kỳ diệu, họ đã đưa ra một lý thuyết cơ học, mà họ gọi là cơ học tương đối tính (relativistic mechanics, còn được dịch là động lực học tương đối tính). Cần phải nói cho rõ ràng ở đây rằng, dù được gọi là “tương đối tính”, nhưng trong lý thuyết này, các khái niệm về vận tốc, gia tốc, động lượng, và lực lại được định nghĩa trong không gian…ba chiều, với sự hiện diện chỉ một lần của hệ số tương đối tính (Lorentz factor, gamma = (1-v2/c2)-1/2) trong định nghĩa về động lượng p = gamma.mov[3].

 

Thực tại có thể là dòng thời gian lưu chuyển bất tận trong không gian ba chiều như đã được mô tả trong cơ học cổ điển [4]. Thực tại cũng có thể là không-thời-gian bốn chiều co giãn như giáo sư Phạm Xuân Yêm đã viết. Nếu thực tại thật sự là không-thời-gian bốn chiều, thì tại sao các tứ-vector trong thuyết tương đối hẹp lại không thể nào dẫn đến phương trình E = mc?Thực tại cũng có thể là một cái gì khác. Nhưng dù nó là cái gì đi nữa, thì không gian và thời gian cũng không thể vừa tuyệt đối, vừa tương đối.  Động lực học tương đối tính với các khái niệm cơ học cơ bản, vừa được định nghĩa trong không gian ba chiều, vừa có sự hiện diện của Lorentz factor, đã vi phạm nguyên tắc nhất quán trong khoa học. Con đường dẫn đến phương trình thế kỷ của cơ học tương đối tính là một tòa lâu đài lộng lẫy ẩn hiện trong các tầng mây xanh xanh, tím tím, lơ lửng giữa không trung bao la, bát ngát. Cảnh tượng thần tiên này chỉ tồn tại trong những câu chuyện cổ tích, trong cõi mộng, trong trí tưởng tượng của con người mà thôi.

 

Nguyễn Giang Thành

 

  1. https://www.diendan.org/khoa-hoc-ky-thuat/khoi-luong-va-phuong-trinh
  2. https://en.wikipedia.org/wiki/Four-vector
  3. http://www.iop.vast.ac.vn/~nvthanh/cours/phys/Physics_II_ch6.pdf
  4. Beyond the World of Relativity to the World of Invariance, nhà xuất bản iUniverse, 2016, trình bày một phương cách dẫn đến phương trình E = mc2 từ các khái niệm vật lý cơ bản được định nghĩa trong không gian và thời gian tuyệt đối.
Thuyết tương đối hẹp ( wikipedia)

Thuyết tương đối hẹp hay thuyết tương đối đặc biệt (tiếng Anh: special relativity hay the special theory of relativity) là thuyết vật lý được chấp nhận về mối quan hệ giữa không gian và thời gian. Nó được dựa trên hai định đề: (1) các định luật vật lý là bất biến (giống hệt nhau) trong tất cả các hệ thống quán tính (không tăng tốc hệ quy chiếu); và (2) tốc độ của ánh sáng trong chân không là như nhau cho tất cả các người quan sát, không phụ thuộc vào chuyển động của nguồn ánh sáng.

Thuyết này do Albert Einstein đề xuất vào năm 1905 trong báo cáo “Về điện động học của các vật di chuyển”.[1] Sự bất nhất của cơ học Newton với phương trình Maxwell về điện không có khả năng phát hiện chuyển động của Trái Đất trong chân không dẫn đến sự phát triển của thuyết tương đối hẹp, trong đó thay đổi các quy tắc cơ học để xử lý các tình huống liên quan đến chuyển động gần tốc độ ánh sáng. Tính đến hôm nay, thuyết tương đối hẹp là mô hình chính xác nhất của chuyển động tại bất kỳ tốc độ nào. Mặc dù vậy, cơ học Newton vẫn còn hữu dụng (do sự đơn giản và độ chính xác cao của nó) khi vận tốc tương đối nhỏ so với tốc độ ánh sáng.

Thuyết tương đối hẹp bao hàm một loạt các hệ quả đã được kiểm tra bằng thực nghiệm,[2] bao gồm thu hẹp độ dài, giãn nở thời gian, khối lượng tương đối, chuyển đổi tương đương khối lượng-năng lượng, giới hạn tốc độ phổ quát, và thuyết tương đối của sự đồng thời. Nó đã thay thế khái niệm thông thường của một thời gian phổ quát tuyệt đối với khái niệm của một thời gian phụ thuộc vào hệ quy chiếu và vị trí không gian. Thay vì một khoảng thời gian bất biến giữa hai sự kiện, có một khoảng thời gian không-thời gian bất biến. Kết hợp với các định luật khác của vật lý, hai định đề của lý thuyết tương đối hẹp dự đoán được sự chuyển đổi tương đương giữa khối lượng và năng lượng, thể hiện trong công thức biến đổi tương đương khối lượng-năng lượng E = mc2, trong đó c là tốc độ ánh sáng trong chân không.[3][4]

Một đặc điểm nổi bật của thuyết tương đối hẹp là sự thay thế của những biến đổi Galilê của cơ học Newton với biến đổi Lorentz. Thời gian và không gian không thể được xác định riêng biệt với nhau. Không gian và thời gian cần được đan xen vào một mô hình liên tục duy nhất được gọi là mô hình không-thời gian. Sự kiện xảy ra cùng một lúc cho một người quan sát này có thể xảy ra vào các thời điểm khác nhau đối với một người quan sát khác.

Lý thuyết này được gọi là “hẹp” vì nó áp dụng các nguyên tắc của thuyết tương đối trong các trường hợp đặc biệt của hệ quy chiếu quán tính. Einstein sau đó xuất bản một bài báo về thuyết tương đối rộng vào năm 1915 để áp dụng các nguyên tắc trong trường hợp chung, đó là, với bất kỳ khung không thời gian nào để xử lý phối hợp biến đổi nói chung, và các hiệu ứng hấp dẫn.

Giả thuyết này giải thích cho kết quả của thí nghiệm Michelson-Morley và vì vận tốc truyền ánh sáng là như nhau theo mọi phương nên không thể sử dụng công thức cộng vận tốc Galileo cho ánh sáng.

Thực tế giả thuyết này có thể suy trực tiếp từ tiên đề đầu tiên. Mọi phương trình vật lý không thay đổi khi đi từ hệ quy chiếu quán tính này sang hệ quy chiếu quán tính khác, nghĩa là các phương trình Maxwell cũng bất biến, và một kết quả của nó là tiên đoán về tốc độ ánh sáng cũng phải bất biến. Do đó giả thuyết này không thể là tiên đề, chỉ là hệ quả của tiên đề tổng quát đầu tiên, nếu coi lý thuyết điện từ Maxwell là đúng.

Cũng có thể chú ý rằng, giả thuyết thứ hai có thể đứng độc lập thành một tiên đề, nếu không công nhận lý thuyết điện từ Maxwell hoặc không cần dùng đến hiểu biết về trường điện từ.

Đây là quan điểm riêng của tác giả, các bạn có thể có ý kiến ở comment ở dưới. Nếu bạn lần đầu comment trên blog này thì sẽ phải mất một khoảng thời gian để Admin xác thực, các lần sau comment sẽ publish ngay lập tức. 

Nếu bạn có bài viết muốn chia sẻ có thể gửi email về Chienluocsong.com@gmail.com. Bài viết phải do bạn viết mà không phải là sự sao chép từ trên mạng. Bài viết sẽ được đăng tại chuyên mục Bài viết của bạn đọc 

Comments

comments

12 COMMENTS

  1. Đề nghị anh Thành trình bày trên trang này đầy đủ từ A đến Z lý thuyết của riêng anh. Tôi nghĩ rằng anh có băn khoăn nào đó về lý thuyết tương đối (thuyết hẹp). Anh có một cách giải thích nào tốt hơn về các thí nghiệm vốn đã minh chứng cho lý thuyết tương đối không? Xin cảm ơn nếu anh tham gia.

  2. Chào các bạn,

    Nhiều tháng đã trôi qua, vẫn không có ai nhận lời tranh luận về thuyết tương đối. Không thể làm được gì khác hơn, tôi đành phải … độc diễn tại một diễn đàn bình thường, vì các diễn đàn, gọi là khoa học, không hoan nghênh tôi.

    Các bạn nào muốn biết kỳ quan khoa học của thế kỷ 20 sụp đổ như thế nào, có thể vào xem tại kết nối dưới đây:

    http://diendan.lyhocdongphuong.org.vn/chu-de/34694-tranh-lu%E1%BA%ADn-v%E1%BB%81-thuy%E1%BA%BFt-t%C6%B0%C6%A1ng-%C4%91%E1%BB%91i/

    Cám ơn nhiều,

    • Đa số bạn đọc của blog này là những người trẻ và quan tâm tới lĩnh vực kinh doanh, phát triển bản thân. Lĩnh vực của anh là lĩnh vực khoa học cơ bản, sẽ phù hợp với sinh viên ngành này nhiều hơn.
      Anh có thể dẫn đường link sang một blog hoặc một diễn đàn khác dành cho những ai quan tâm.
      cảm ơn anh.

  3. Kính thưa quý vị,

    Tôi xin phép được gởi đến các nhà khoa học ủng hộ thuyết tương đối một lời mời gọi chính thức và nghiêm chỉnh cho một cuộc tranh luận khoa học công khai về thuyết tương đối. Xin các vị đừng từ chối.

    Trân trọng,

    Nguyễn Giang Thành
    thanhgn@Hotmail.com

  4. Lần đầu tiên đọc bài viết của tác giả thì có hiểu một chút
    Đọc lại vài lần thì cảm giác mình chưa hiểu gì.
    Lên google xem các bài viết về mối liên hệ giữa không gian và thời gian thì thấy kiến thức vật lý của mình là con số 0
    Cảm ơn tác giả, có lẽ mình sẽ phải dành thêm thời gian để tìm hiểu.
    Kiến thức về vật lý quả là quá rộng lớn.

  5. E nghĩ thời gian trong cơ học tương đối tính ko phải t mà là t’ = γ( t -vx/c^2)
    vậy nên các khái niệm đều được định nghĩa trong không gian 4 chiều.

    • Chào Tin,

      Tôi không rõ Tin muốn nói gì.
      Nhưng trong link dẫn tới Wikipedia – Four Vector (chú thích 2), có trình bày các định nghĩa của các tứ-vector vận tốc, gia tốc, ở mục thứ 5 (Kinematics) & động lượng, lực ở mục thứ 6 (Dynamics).

      Trong quá trình dẫn đến phương trình E = mc2 của cơ học tương đối tính, dù trong bài của tiến sĩ Ngô Văn Thanh (chú thích 3), hay trong bài của giáo sư Phạm Xuân Yêm (chú thích 1), đều không có mặt của bốn tứ-vector vận tốc, gia tốc, động lượng, và lực này một cách rõ ràng.

      Mô hình spacetime co giản là mô hình của thuyết tương đối hẹp dùng để mô tả thực tại. Các tứ-vector trong không-thời-gian bốn chiều là nền móng cho các tính toán của thuyết tương đối hẹp. Những tính toán mà không có mặt của các tứ-vector này, thì không phải là tính ‘theo thuyết tương đối hẹp’.

      Nếu có người nào, xuất phát từ bốn tứ-vector được định nghĩa rõ ràng trên trang Wikipedia ở trên, mà có thể dẫn đến phương trình E = mc2, thì xin vui lòng trình bày trong một bài viết. Tôi nhất định sẽ tìm hiểu và nếu tôi không tìm được luận cứ chống lại, tôi sẽ chấp nhận E = mc2 là một hệ quả của thuyết tương đối hẹp.

  6. Đây là một bài phản biện, chống lại thuyết tương đối hẹp và cơ học tương đối tính. Với thuyết tương đối hẹp, người viết nói rằng, câu chuyện ‘E = mc2 là một hệ quả của thuyết tương đối hẹp’ chỉ là một huyền thoại. Thuyết tương đối hẹp vốn không dẫn đến phương trình này, mà E = mc2 là kết quả của một lý thuyết gọi là cơ học tương đối tính. Với cơ học tương đối tính, người viết nói rằng nó bất nhất, và vì thế, nó không phải là một lý thuyết khoa học.
    Quý đọc giả ủng hộ thuyết tương đối có thể viết các bài phản-phản biện, chống lại bài viết này.

    Nguyễn Giang Thành

    • Hi anh;
      anh có thể nói rõ hơn một chút được không về quan điểm này dưới góc độ là người không có chuyên môn, kiến thức hiểu biết về lĩnh vực này đọc có thể hiểu được.

      Em nghĩ rằng bản thân một học thuyết nào đó tồn tại lâu như vậy thì cũng có lý do của nó. Nếu có chứng minh nó không đúng sẽ phải cần rất nhiều lập luận và dẫn chứng.

      Việt

      • Chào Việt,
        Theo lời yêu cầu của Việt, tôi xin được nói thêm.

        Phần 1: Chúng ta bắt đầu với cơ học cổ điển:
        Nhiều trăm năm trước, bằng cách quan sát các hình ảnh và hiện tượng thiên nhiên, người ta cho rằng thực tại (vũ trụ chung quanh ta) gồm có thời gian và ba chiều không gian. Dựa trên nhận thức này mà các nền móng của cơ học cổ điển được thiết lập. Một trong các nền tảng của một lý thuyết khoa học là gì? Là phải có những định nghĩa rõ ràng cho những khái niệm cơ bản. Cơ học Newton đáp ứng tiêu chí này. Chẳng hạn, người ta lấy một thanh gổ, vạch hai vạch, rồi gọi khoảng cách giửa hai vạch là một mét – không gian đã được cụ thể hóa. Tương tự như thế, người ta gọi chu kỳ dao động của một con lắc là một giây – thời gian đã được cụ thể hóa. Lấy một cục vàng, gọi nó là một 1kg. Từ chuyện không gian và thời gian được đo bằng mét và giây này, lần lượt các khái niệm khác được định nghĩa rõ ràng: Vận tốc v = ds/dt. Khi xác định thế nào là vận tốc rồi thì đến gia tốc a = dv/dt, rồi kế đến là động lượng p = mv và lực F = ma = mdv/dt. Cả bốn khái niệm này đều được định nghĩa là bốn vector trong không gian ba chiều và trong dòng thời gian tuyệt đối. Cơ học Newton là một lý thuyết có nền móng vững chắc.

        (Xin xem tiếp phần 2)

        • Phần 2: Thuyết tương đối hẹp

          Đầu thế kỷ 20, với nhà khoa học thiên tài Albert Einstein, một mô hình khác về thực tại được thành lập. Và khi mà thuyết tương đối hẹp đã được xác lập một cách rõ ràng, thì để là một lý thuyết khoa học, nó phải có những định nghĩa cho các khái niệm cơ bản. Các khái niệm cơ bản này trong mô hình mới, được định nghĩa như thế nào? Mô hình mới cho rằng thời gian là một chiều của không gian, và thực tại là không-thời-gian (spacetime) có bốn chiều. Với mô hình này, các khái niệm cơ bản được định nghĩa là các tứ-vector (four-vector). Các bạn có thể tham khảo chú thích số 2 trong bài cho các tứ-vector này. Thuyết tương đối hẹp, sau khi được phát triển, cũng là một lý thuyết khoa học có nền móng vững chắc. Vậy thì nó có vấn đề gì? Vấn đề của nó là các tứ-vector về vận tốc, gia tốc, lực, và động lượng trong thuyết tương đối hẹp đã không thể nào dẫn đến phương trình E = mc2. Bằng chứng là người ta phải cho ra đời của một lý thuyết gọi là cơ học tương đối tính để có được phương trình kỳ diệu trên.

          Xin xem tiếp phần 3)

          • Phần 3: Cơ học tương đối tính

            Cơ học tương đối tính được thiết lập mà không dựa trên mô hình nào trong hai mô hình trên một cách rõ ràng: Vận tốc, gia tốc và lực được định nghĩa trong thời gian tuyệt đối và không gian ba chiều, cụ thể v = ds/dt, a = dv/dt, F = dp/dt. Riêng động lượng p thì mang hai dòng máu, nó vẫn được định nghĩa trong thời gian tuyệt đối và không gian ba chiều, nhưng được ghép thêm hệ số tương đối tính gamma: p = gamma.m.ds/dt. (các bạn có thể tham khảo thêm chú thích 3).
            Như vậy, cơ học tương đối tính có vấn đề: Thứ nhất, dù mang tên “tương đối”, các định nghĩa nền tảng đã không được thiết lập trong mô hình không-thời-gian bốn chiều. Với cái tên “tương đối tính” này, cơ học tương đối tính đã mang trong nó một yếu tố ngụy biện (gọi là nhập nhằng), để ngụy tạo ra chuyện phương trình E = mc2 là hệ quả của thuyết tương đối hẹp. Thứ hai, không gian và thời gian không thể vừa ba chiều, vừa bốn chiều; vừa tương đối vừa tuyệt đối. Cơ học tương đối tính không phải là một lý thuyết khoa học, khi nó bất nhất. Táo là táo; cam là cam.

LEAVE A REPLY