[Series] Gần bằng tốc độ ánh sáng thì sao?

Mở đầu

Vật lý là sở thích hồi còn nhỏ của mình. Hồi đó rất say mê tìm đọc các sách báo về Vật lý, các thí nghiệm vui rồi làm theo, nhưng đặc biệt thích những vấn đề xoay quanh Thuyết Tương đối của Einstein. Ông cũng là thần tượng của mình luôn từ đó đến giờ. Lúc mới đọc thì chỉ cần một buổi đã tự hào rằng mình hiểu rồi, nắm hết được ý tưởng của lý thuyết này rồi, và cũng ghi vào sổ ý hiểu của mình. Nhưng càng về sau càng đọc thêm thì nhận ra nó chẳng đơn giản. Một phần cũng vì sách báo phổ thông viết vắn tắt, không đầy đủ các vấn đề liên quan. Hiện tại, đã “lớn”, đi làm, công việc chán ngán, có hứng thú tìm hiểu lại, may mắn tìm được một số sách giải thích khá dễ hiểu và đầy đủ. Series bài viết này chỉ là ghi lại ý hiểu của mình sau khi đọc chúng, một lần ghi lại cũng là một lần nhớ và đào sâu suy nghĩ.
Và cũng để chia sẻ với các bạn nữa!

Thuyết tương đối đặc biệt (The Special Theory of Relativity – series này cũng chỉ nói trong phạm vi thuyết này) dựa trên 2 định đề (Trình bày theo Wikipedia):

• Các định luật vật lý là bất biến (giống hệt nhau) trong tất cả các hệ quy chiếu quán tính (không tăng tốc hệ quy chiếu).
• 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 tương đối đặc biệt có một loạt các hệ quả, trong đó mình sẽ mở đầu với 3 hệ quả, tìm hiểu tại sao nó xảy ra, cụ thể:

* Tèo đang ngồi trên một con tàu vận động và di chuyển với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Khi đó sẽ có 3 hiện tượng kỳ lạ xảy ra ( xảy ra so với người quan sát khác, là bạn, không cùng ngồi trên tàu với Tèo. Đối với bạn, Tèo đang hoạt động tương đối so với bạn đang đứng ở một điểm quan sát giả định nào đó ) :

• Thời gian trên con tàu sẽ trôi chậm hơn
• Chiều dài con tàu sẽ ngắn lại
• Khối lượng con tàu cũng sẽ tăng lên

** Nên nhớ những thay đổi này chỉ được quan sát thấy bởi người quan sát bên ngoài, đối với bản thân Tèo và con tàu, mọi thứ vẫn y nguyên như lúc con tàu “đứng yên” so với bạn. Những hiện tượng này chỉ đáng chú ý khi con tàu di chuyển với tốc độ rất nhanh, gần bằng tốc độ ánh sáng, có thể là 50%, 70%, 90%… Khi vật chuyển động với tốc độ thông thường như bạn thấy thường ngày, chúng có xảy ra nhưng cực kỳ nhỏ, khó quan sát thấy.
Đó cũng là một phần lý do Einstein khai sinh ra Thuyết tương đối. Ở tốc độ rất nhỏ, cơ học Newton vẫn được vận dụng đơn giản và chính xác. Nhưng khi lên tới tốc độ rất cao, gần bằng ánh sáng thì chúng không còn đúng nữa.*

Trong khi khám phá mình cũng đã phải đọc lại những định luật vật lý khác nhau, thậm chí còn như là những Định luật về hoạt động của Newton, Định luật bảo toàn động lượng … Lâu quá trời lâu nên đã quên gần sạch rồi ! Hiểu được yếu tố nào mình sẽ viết luôn về yếu tố đó. Bây giờ thì ta khởi đầu với …

I. Thời gian

Thời gian là gì? Làm thế nào để khám phá nó?
Nói đến thời gian hẳn bạn sẽ nghĩ ngay đến đồng hồ, là một cách để khám phá nó. Nhưng không phải chiếc đồng hồ đeo tay hay đồng hồ quả lắc trong nhà bạn, nó gọi là đồng hồ ánh sáng:

Cấu tạo của đồng hồ đeo tay gồm có 2 tấm gương quay mặt phản xạ vào nhau, và song song nhau. Tia sáng dội lại giữa 2 tấm gương, mỗi lần chạm một gương, bạn sẽ đếm một tiếng tích. Như vậy nếu khoảng cách giữa 2 gương là 30 cm, thì trong một giây bạn phải đếm 1 tỉ lần, nếu bạn dùng nó khi luộc trứng, bạn phải đếm 200 tỉ lần ( Tốc độ ánh sáng : 299.792.458 m / s, ta cứ làm tròn lên 300 triệu m / s ). Khó dùng nhỉ, nhưng nó chỉ là một chiếc đồng hồ đeo tay tưởng tượng. Các ” thí nghiệm ” của Einstein hầu hết cũng là tưởng tượng, bằng sức tưởng tượng khác thường của ông, do tại vào thời đó làm gì có những thiết bị mô phỏng hay kỹ thuật cao nào cung ứng được sáng tạo độc đáo của ông đâu ! Ý tưởng của Einstein luôn đi trước thời đại rất xa .
Và hãy tưởng tượng một lần nữa là bạn đủ nhanh để nhìn thấy ánh sáng chuyển dời giữa 2 tấm gương, giống như bạn đang xem một trận quần vợt với quả bóng đánh tennis bay qua bay lại giữa 2 vận động viên vậy .
Bây giờ, bạn sẽ là người quan sát, còn thằng Tèo sẽ cầm đồng hồ đeo tay ánh sáng đứng ngay trước mặt bạn. Giả sử là buổi tối luôn đi, để nhìn cho rõ, bạn sẽ thấy gì ? Dĩ nhiên là bạn sẽ thấy tia sáng vẫn siêng năng chạy lên chạy xuống chạm vào gương để phát ra tiếng ” tick “, và nó vẫn vận động và di chuyển với tốc độ ánh sáng .

Tiếp theo, Tèo sẽ khởi đầu đi với tốc độ bằng một phần tư ánh sáng, vẫn cầm theo đồng hồ đeo tay, bạn sẽ thấy gì ?

Bạn mở màn tưởng tượng ra được rồi đúng không ? Bây giờ Tèo sẽ mở màn chạy với tốc độ bàn thờ cúng :

Chúng ta sẽ thấy là Tèo vận động và di chuyển càng nhanh, thì ánh sáng cũng phải vận động và di chuyển xa hơn để chạm vào mặt gương. Vậy, Tóm lại, Tèo chuyển dời càng nhanh thì ánh sáng vận động và di chuyển càng nhanh .
Bạn có thấy gì đó sai sai không ? Hãy đọc lại định đề thứ 2 mà mình đã nêu ở trên. Cho bạn 10 giây .
Xong chưa ?

Vậy nếu ánh sáng phải di chuyển một quãng đường xa hơn mà tốc độ không đổi, nghĩa là nó mất thời gian dài hơn, hay chúng ta có thể nói: đồng hồ chạy chậm lại.

Hoặc dùng cụm từ thời hạn co và giãn, nếu bạn thích .
Ừm … nó chạy chững lại, nhưng với ai ? Với chính bạn ! Bản thân Tèo đang chuyển dời, cái đồng hồ đeo tay cũng vận động và di chuyển theo nó, tức là Tèo và chiếc đồng hồ đeo tay ” đứng yên ” so với nhau, vì thế nó chỉ thấy tia sáng đi lên và đi xuống thẳng đứng, quãng đường và thời hạn vận động và di chuyển của tia sáng so với Tèo không đổi .
Đã hiểu … Nhưng tại sao phải mắc công làm một chiếc đồng hồ đeo tay ánh sáng rồi phải chạy vèo vèo trong đêm hôm với tốc độ bàn thờ cúng vậy ? Ở tốc độ thường ngày, bạn không hề quan sát thấy gì cả ! Giữa tốc độ bàn thờ cúng và tốc độ thường ngày, những điều xảy ra rất khác nhau. Ví dụ, Tèo có một quả bóng đánh tennis, nó đứng yên tại chỗ và ném quả bóng xuống đất cho bật ngược lại, rồi lại túm lấy quả bóng và ném xuống, cứ thế. Giả sử mất 1 s cho cả chiều xuống và lên của quả bóng. Bây giờ Tèo ( lại ) vận động và di chuyển về phía trước ( đi bộ thông thường thôi ), vẫn đập quả bóng xuống đất, quả bóng vẫn mất 1 s cho cả 2 chiều xuống và lên, và nó cũng vận động và di chuyển theo đường zig-zag ( với người quan sát bên ngoài ), nghĩa là quãng đường dài hơn. Về tốc độ, quả bóng vừa chuyển dời theo tốc độ cũ của nó ( lúc Tèo đứng yên ), cộng thêm tốc độ vận động và di chuyển của Tèo, nghĩa rằng tổng tốc độ sẽ lớn hơn, để vận động và di chuyển quãng đường xa hơn. Đó chính là những gì bạn vẫn nghĩ và vẫn xảy ra hàng ngày, ở tốc độ thường .

Hay lắm! Còn gì nữa không? À còn một điều nho nhỏ. Không biết bạn đã nghe tới Nghịch lý anh em sinh đôi chưa? Nó như sau:

Có hai anh em sinh đôi, người anh ở lại Trái Đất, còn người em được gửi lên một con tàu vũ trụ di chuyển với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Lúc này theo Thuyết tương đối, đối với người anh, thì thời gian trên con tàu của người em sẽ trôi chậm lại. Giả sử người em du hành vào vũ trụ và quay về mất 5 năm, thì ở Trái Đất thực ra đã trải qua 10 năm rồi, và người anh thấy rằng mình đã già hơn người em khá nhiều. Cho dù họ vẫn là anh em sinh đôi.
Hoặc nếu bạn nào đã xem phim Interstellar, người cha (có một cô con gái nhỏ) nhận nhiệm vụ vào vũ trụ để tìm kiếm một nơi chốn mới cho loài người khi mà Trái Đất đang dần trở nên cằn cỗi. Khi hoàn thành nhiệm vụ trở về, con gái ông ta đã là một bà cụ sắp sửa xuống lỗ, còn bản thân ông không già đi là bao. Nhưng trong phim thì ngoài tác động của tốc độ, thời gian còn chịu ảnh hưởng bởi trọng lực, chúng ta sẽ tìm hiểu vấn đề này sau 😀 Đây lại là một phim rất hay nữa của đạo diễn thiên tài Christopher Nolan nhé, hơi hại não tí nhưng đáng xem! Cực kỳ nhiều các kiến thức Vật lý thiên văn được vận dụng, và vận dụng khá chính xác vào phim, xem phê cả người!

Sau những điều này, bạn hoàn toàn có thể cho rằng : ” Ồi, đơn thuần vầy, thế thì mình cũng chả cần Einstein để tìm ra nó ! “. Không phải vậy, vì bạn không khi nào ( tối thiểu là cho tới hiện tại ) hoàn toàn có thể chuyển dời đủ nhanh để những hiện tượng kỳ lạ quái gở xảy ra rõ ràng cho bạn quan sát được .

P/s: Một số quyển sách mà bạn có thể tham khảo, đều là sách có bản dịch tiếng Việt, có quyển mình đã đọc hết, có quyển thì bỏ dở vì khó hiểu quá:

• Einstein và vũ trụ giãn nở – Dr. Mike Goldsmith
• Thuyết tương đối cho mọi người – Martin Gardner
• Vũ trụ trong vỏ hạt dẻ – Stephen Hawking
• Lược sử Thời gian – Stephen Hawking
• Chìa khoá vũ trụ của George – Lucy & Stephen Hawking.

Mình cũng rất “khoái” bác Stephen Hawking nhưng chưa có đọc nhiều về các nghiên cứu của bác, có lẽ để khi nào có đủ kiến thức nền đã ^^!
Ngoài ra có một bộ phim tên The Theory of Everything kể về cuộc đời của Stephen Hawking rất hay, những ai là fan của bác cũng nên xem phim này.

Tham khảo:* Wikipedia* Hình minh hoạ chụp lại từ cuốn "Einstein và vũ trụ giãn nở", nhưng lời giải thích là của mình nha.

Source: https://mix166.vn
Category: Công Nghệ