Một Vấn Đề Trong Cơ Học Tương Đối Tính

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.m_ov[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 = mc² ?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