ThuyetTuongDoiChoMoiNguoi THUYẾT TƯƠNG ĐỐI CHO MỌI NGƯỜI M Gardner Dịch Giả Đàm Xuân Tảo MỤC LỤC Lời giới thiệu Tuyệt đối hay tương đối Chuyển động phải chăng là tương đối Thí nghiệm của Maikenson Moo[.]
THUYẾT TƯƠNG ĐỐI CHO MỌI NGƯỜI M Gardner Dịch Giả: Đàm Xuân Tảo MỤC LỤC Lời giới thiệu Tuyệt đối hay tương đối Chuyển động phải tương đối Thí nghiệm Maikenson-Moocly Thuyết tương đối hẹp Phần I Thuyết tương đối hẹp Phần II Thuyết tương đối tổng quát Lực hấp dẫn không gian - thời gian Ngun lý Makhơ Câu chuyện cặp song sinh Mơ hình vũ trụ Phần kết: Vụ nổ hay trạng thái ổn định Lời giới thiệu Không đến tên tuổi Albert Einstein, không hiểu tư đầy sáng tạo ơng Có lẽ độc đáo có khơng hai ơng cịn chỗ chăng? Nhân loại bước qua năm 2001, năm mở đầu kỷ 21, năm thiên niên kỷ thứ Vào dịp chuyển giao trọng đại hai thiên niên kỷ Tạp chí Mỹ Time Magazine bầu chọn tên tuổi sáng chói - Albert Einstein - nhà vật lý học lừng danh giới, người có cống hiến vĩ đại loài người - làm danh nhân tiêu biểu số loài người vòng trăm năm kỷ 20 Chắc hẳn chia sẻ hoan hỉ bầu chọn đầy tính thuyết phục Nhưng đáng suy nghĩ thiên tài kỳ vĩ nhân loại dường xa lạ với chúng ta, ơng giới thiệu với đông đảo công chúng nước ta Nhà vật lý học người Mỹ Gardner, tác giả sách mà dịch nói rằng, giới có chừng mươi mười hai người hiểu ông, kể nhà vật lý tầm cỡ Lại nữa, chuyện vui đối thoại Einstein vua Charles Chaplin kể Chaplin thừa nhận tiếng hiểu cịn Einstein thừa nhận tiếng không hiểu! Nhưng may thay gần trăm năm trở lại đây, kể từ Einstein công bố phát minh thuyết tương đối hẹp vào năm 1905 thuyết tương đối tổng quát vào năm 1916, có nhiều nhà khoa học mến mộ ơng tìm cách "diễn nghĩa" tư tưởng ông với đông đảo bạn đọc, có thành cơng đáng kể Bectơrăng với ABC thuyết tương đối gần Martin Gardner với Thuyết tương đối cho người (Relativity for the million) v v Với tất xúc, trăn trở hội có được, mạo muội đề xuất việc dịch sang tiếng việt sách M Gardner mừng ý tưởng Nhà xuất Đại học Quốc gia ủng hộ Nhưng trình độ có hạn thời gian gấp gáp, chắn dịch khơng tránh khỏi thiếu sót nội dung thuật ngữ Vượt lên tất mong có đóng góp nhỏ bé để tư tưởng vĩ đại Einstein ngày đến gần với người hơn, có thân người dịch, đồng thời để hướng đến năm 2005 kỷ niệm 100 năm ngày đời thuyết tương đối 50 năm ngày mà Anbert Einstein, giống chàng Atlas huyền thoại để lại trái đất cho nhân loại bay vào vũ trụ vĩnh niềm thương tiếc biết ơn vô hạn nhân loại trường sinh Xin chân thành cảm ơn Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội giáo góp ý đơng đảo bạn đọc gần xa Tuyệt đối hay tương đối Hai chàng thuỷ thủ Jo Mo, sau tai nạn đâm tàu, dạt vào hoang đảo Nhiều năm trôi qua, hôm Jo phát chai bị sóng đánh dạt vào bờ Đó vỏ chai đề nhãn bên "Coca - cola", Jo tái mặt - Này Mo - Anh ta kêu lên - Chúng ta bé nhiêu? Từ câu nói vui rút học nghiêm túc, phán đoán đối tượng khác so sánh với kích thước đối tượng khác Người Liliput xem người Gulivơ khổng lồ Đối với dân chúng vùng Bropdingơ người Gulivơ lại loại chim chích Vậy cầu lớn hay nhỏ? Dường cực lớn so với nguyên tử, lại cực nhỏ so với trái đất Jun Andre Poangcare, nhà toán học tiếng người Pháp kỷ XIX, tiên đoán nhiều luận điểm thuyết tương đối đề cập vấn đề sau (các nhà khoa học gọi phương pháp ông phương pháp tiếp cận tư thực nghiệm Cũng tức phép thực nghiệm suy tưởng không thực thực tế): Chúng ta hình dung rằng, ơng nói, vào ban đêm, ngủ say, thứ vũ trụ trở nên lớn gấp hàng ngàn lần trước Ở đây, Poangcare muốn nói thứ hữu điện tử, nguyên tử, độ dài sóng ánh sáng, thân chúng ta, giường ta nằm, nhà ta ở, trái đất, mặt trời Bạn nói tỉnh giấc có điều xảy chăng? Có thể dẫn thí nghiệm tưởng chứng minh bạn thay đổi kích thước? - Khơng, Poangcare nói, thí nghiệm không thực Thực vậy, vũ trụ dường giống y hệt trước đó, thật vơ lý nói vũ trụ trở nên lớn "Lớn hơn" điều có nghĩa khác vật khác Trong trường hợp khơng có vật khác Cũng vơ lý nói tồn vũ trụ co lại kích thước Như vậy, kích thước tương đối Khơng có phương pháp tuyệt đối xác định kích thước đối tượng khơng thể nói có kích thước đó, hay kích thước tuyệt đối Có thể xác định kích thước cách sử dụng thước đo khác, ví như, thước đo độ dài thước mét Nhưng thước mét có độ dài bao nhiêu? Trước ngày tháng giêng năm 1962, đơn vị mét xác định độ dài platin xác định, bảo quản nhiệt độ không đổi hầm ngầm Sevrơ thuộc nước Pháp Từ ngày tháng giêng năm 1962, tiêu chuẩn mét 1650763,73 độ dài sóng ánh sáng màu da cam, kiểu xác định phát chân không nguyên tử Kripton - 86 Tất nhiên, vũ trụ, kể độ dài sóng xạ tăng giảm theo tỷ lệ định, khơng phương pháp thực nghiệm nhận thay đổi Điều mặt thời gian Cần "nhiều" hay "ít" thời gian để trái đất quay vòng quanh mặt trời? Đối với em bé, thời gian từ năm sang năm khác dường vô tận Cịn nhà địa chất quen tính tốn thời gian hàng triệu năm năm giống nháy mắt Khoảng thời gian tính khoảng cách đo cách khác so sánh với khoảng thời gian khác Một năm xác định thời gian trái đất quay xung quanh mặt trời, ngày thời gian cần thiết để trái đất quay vịng quanh trục Giờ thời gian kim lớn đồng hồ quay vịng Ln có khoảng thời gian đo cách so sánh với khoảng thời gian khác G Well có viết truyện khoa học viễn tưởng tiếng có nhan đề Máy gia tốc mới, rút học từ câu nói đùa hai chàng thuỷ thủ, song học không đụng chạm đến không gian, mà đến thời gian Một nhà bác học phát minh phương pháp tăng tốc trình diễn thể Trái tim đập nhanh Bạn thử đốn xem chuyện xảy Mọi thứ gian dường bị chậm lại đến kinh khủng, khơng nói dừng lại hồn tồn Nhà bác học dạo bước thủng thẳng cho không khí bị cọ sát khơng làm cho bốc cháy quần mặc Phố xá chật cứng người tượng Đàn ông bị đông cứng vào thời điểm đảo mắt nhìn hai gái qua Trong công viên dàn nhạc chơi phát thứ âm chát chúa Con ong vo vo không trung di chuyển với tốc độ loài sên Chúng ta dẫn thí nghiệm tưởng tượng Giả sử thời điểm định, vật vũ trụ bắt đầu chuyển động chậm nhanh hơn, giả hồn tồn dừng lại vài triệu năm, sau lại chuyển động trở lại, liệu ta nhận thấy thay đổi khơng? Khơng thể có thí nghiệm để nhận chân điều Thời gian, tương tự khoảng cách không gian tương đối Nhiều khái niệm khác mà ta biết từ sống hàng ngày tương đối Chúng ta thử xem xét khái niệm "lên trên" "xuống dưới" Nhiều kỷ qua lồi người khơng dễ dàng hiểu người phía bên trái đất lại lộn xuống mà tồn máu khơng bị đổ dồn lên đầu Bây trẻ em nhờ mà lần hiểu trái đất có hình trịn Giá trái đất làm kính suốt bạn nhìn qua kính viễn vọng xun suốt, hẳn bạn nhìn thấy thực tế người đứng lộn đầu xuống chân chổng ngược lên, tức trái với chiều đứng bạn Trên mặt đất hướng "lên trên" hướng tính từ tâm trái đất Hướng "xuống dưới" hướng tâm trái đất Trong khoảng không tuyệt đối khơng có khái niệm khơng có hành tinh để sử dụng "hệ thống đọc số" Ta hình dung tàu vũ trụ dạng trống lớn chuyển động hệ mặt trời Nó bị quay tạo lực ly tâm làm thành trường lúc nhân tạo Khi bên tàu, nhà du hành vũ trụ lại thành nhà Đối với họ "xuống dưới" tức từ phía tâm tàu, "lên trên" tức hướng phía tâm, tức ngược hẳn với vị trí hành tinh quay Như vậy, bạn thấy vũ trụ khơng có "phía trên" "phía dưới" cách tuyệt đối Lên xuống phương hướng hướng hoạt động trọng trường Thật vơ nghĩa nói lúc bạn ngủ toàn vũ trụ lộn đầu đi, làm có hệ thống đọc số để lý giải vấn đề vũ trụ có vị trí Một kiểu thay đổi khác có ý nghĩa tương đối, thay đổi đối tượng phản chiếu gương Nếu chữ R hoa in ngược lại ta chữ Я, bạn nhận chữ phản chiếu gương chữ R Nhưng toàn vũ trụ (kể bạn) bất ngờ phản chiếu qua gương bạn có hội phát thay đổi tương tự Tất nhiên, có người phản chiếu qua gương (về điều ) G Well viết truyện có nhan đề Truyện Pletttner, cịn vũ trụ lại nguyên cũ, tức tưởng thứ đảo lộn Muốn đọc sách cần phải đưa gần gương, giống chàng Alice gương ranh mãnh đọc chữ in gương thi phẩm Jabberwocky, giữ thi phẩm trước gương Nhưng tất đảo lộn khơng thực nghiệm phát thay đổi Cũng thật phi lý mà nói có biến đổi tương tự xảy ra, giống nói vũ trụ đảo lộn tăng lên gấp đơi kích thước Vậy chuyển động có tuyệt đối khơng? Có loại cơng cụ chứng minh đối tượng chuyển động hay đứng yên? Chuyển động phạm trù tương đối, khẳng định đem so sánh vị trí đối tượng với vị trí đối tượng khác? Hoặc giả chuyển động hàm chứa độc đáo khiến khác với phạm trù liên quan xem xét trên? Bạn dừng lại suy nghĩ thêm vấn đề xác trước chuyển sang chương Chính đáp ứng vấn đề mà Anhxtanh phát triển thuyết tương đối Thuyết ơng mang tính cách mạng, trái ngược với "tư lành mạnh" khiến cho chí đến tận lúc có hàng trăm nhà khoa học (kể nhà vật lý) gặp khó khăn để hiểu nguyên lý giống hệt trẻ em muốn lý giải người nam ban cầu khơng rơi khỏi trái đất Nếu bạn cịn trẻ lợi lớn so với nhà khoa học Trong đầu óc bạn cịn chưa ăn sâu tư kiểu đường mòn Nhưng dù tuổi tác bạn nữa, bạn sẵn sàng rèn luyện trí lực khơng cịn lý ngăn cản bạn có cảm xúc nhà giới mẻ kỳ lạ thuyết tương đối Chuyển động phải tương đối Sau phút suy nghĩ, hẳn bạn nghiêng câu trả lời: "Vâng, tất nhiên" Bạn hình dung tàu hoả chuyển động lên phía bắc với vận tốc 60 km/giờ Một người tàu ngược lên phía nam với vận tốc 3km/giờ Anh ta chuyển động theo hướng vận tốc Hoàn toàn rõ ràng trả lời câu hỏi mà khơng hệ thống tính tốn So với tàu chuyển động phía nam với vận tốc km/giờ So với trái đất, chuyển động phía bắc với vận tốc 60 trừ 3, tức 57km/giờ Có thể nói vận tốc người so với trái đất (57 km/giờ) vận tốc thực tuyệt đối khơng? Khơng, có hệ thống khác có tỉ lệ cịn lớn Bản thân trái đất chuyển động Nó quay xung quanh trục nó, đồng thời chuyển động xung quanh mặt trời Mặt trời hành tinh khác chuyển động bên thiên hà Thiên hà quay chuyển động so với thiên hà khác Các thiên hà lại tạo thành đoạn thiên hà chuyển động nhau, chuỗi chuyển động thực tế tiếp tục đến bao xa, khơng có cách thức rõ ràng xác định chuyển động đối tượng đó; nói khác khơng có hệ thống đọc số cố định theo đo chuyển động Chuyển động đứng yên, giống lớn nhỏ, nhanh chậm, dưới, trái phải, người biết, hoàn toàn tương đối Khơng có cách đo chuyển động bất kì, ngồi việc so sánh chuyển động với chuyển động đối tượng khác Thật không đơn giản chút nào! Cịn giới hạn vào điều nói tính tương đối chuyển động hẳn khơng cần thiết để Anhxtanh sáng lập thuyết tương đối Nguyên rắc rối sau: có hai phương pháp đơn giản phát chuyển động tuyệt đối Một phương pháp sử dụng chất ánh sáng, cịn phương pháp khác tượng khác quán tính xuất thay đổi đối tượng chuyển động đường đạn vận tốc Thuyết Tương đối hẹp Anhxtanh có liên quan đến phương pháp đầu tiên, cịn thuyết Tương đối tổng qt liên quan đến phương pháp thứ hai Ở chương hai chương đề cập đến phương pháp đầu, làm chìa khố để hiểu chuyển động tuyệt đối, tức phương pháp vận dụng chất ánh sáng Ở kỷ XIX, trước Anhxtanh, nhà vật lý hình dung không gian chứa đầy loại chất đặc biệt, không chuyển động khơng nhìn thấy, gọi ête Thường người ta gọi ête "mang ánh sáng", ngụ ý vật mang sóng ánh sáng Ete chất đầy tồn vũ trụ Nó thẩm thấu vào toàn thực thể vật chất Nếu tất khơng khí lúc lắc chng kính bị chất đầy ête, mà ánh sáng qua chân khơng được? Ánh sáng chuyển động sóng Như vậy, có xuất dao động Bản thân ête tồn dao động (nếu khơng nói khơng bao giờ) chuyển động so với đối tượng vật chất, vật chuyển động nhanh qua tương tự chuyển động dây bột nước Chuyển động tuyệt đối sao, hành tinh đối tượng khác đơn giản hoá (các nhà vật lý thời kỳ tin tưởng vậy), chuyển động xem xét với biển ête khơng chuyển động, khơng nhìn thấy Nhưng, bạn hỏi rằng, ête thực thể phi vật chất khơng thể nhìn thấy được, khơng thể nghe thấy được, cảm thấy, ngửi nếm vị nó, nghiên cứu chuyển động, chẳng hạn, trái đất so với nó? Câu trả lời thật đơn giản Người ta đo nhờ so sánh chuyển động trái đất với chuyển động chùm ánh sáng Muốn hiểu điều đó, ta xem xét thời gian chất ánh sáng Trên thực tế, ánh sáng phần nhỏ bé nhìn thấy phổ xạ điện từ mà thành phần gồm có sóng vơ tuyến, sóng cực ngắn, tia hồng ngoại, tia tử ngoại tia gamma Trong sách này, sử dụng từ "ánh sáng" để kiểu xạ điện từ, từ ngắn từ "bức xạ điện từ" ánh sáng chuyển động mang tính sóng Suy nghĩ chuyển động mà không suy nghĩ đồng thời ête vật chất dường nhà vật lý thời trước thật phi lý, giống hệt suy nghĩ sóng nước mà khơng suy nghĩ chất nước Nếu bắn từ máy bay phản lực chuyển động theo hướng chuyển động máy bay, vận tốc viên đạn trái đất lớn vận tốc viên đạn bắn từ súng trường mặt đất, vận tốc viên đạn trái đất thu cách cộng vận tốc máy bay vận tốc viên đạn Trong trường hợp này, vận tốc chùm sáng không phụ thuộc vào vật thể mà từ ánh sáng phát - thực tế chứng minh thực nghiệm vào cuối kỷ XIX đầu kỷ XX từ với nhiều lần khẳng định Lần kiểm tra cuối tiến hành vào năm 1955 nhà thiên văn Xô - Viết cách sử dụng ánh sáng từ phía đối lập mặt trời tự quay Một rìa Mặt Trời ln chuyển động phía chúng ta, cịn rìa phía đối lập Đã tìm thấy ánh sáng từ hai rìa tới trái đất với vận tốc Các thí nghiệm tương tự tiến hành hàng chục năm trước với ánh sáng kép chuyển động Mặc dù có chuyển động nguồn sáng, vận tốc ánh sáng khoảng trống nhau, khoảng 300.000 km/giây Thử xem cách mà kiện tạo phương pháp cho nhà khoa học (chúng ta gọi họ nhà quan sát) tính vận tốc tuyệt đối Nếu ánh sáng truyền bá qua môi trường ête không chuyển động, không thay đổi với vận tốc định vận tốc khơng phụ thuộc vào vận tốc chuyển động nguồn sáng, vận tốc ánh sáng dùng làm tiêu chuẩn để xác định chuyển động tuyệt đối người quan sát Người quan trắc chuyển dịch hướng với chùm sáng hẳn phát rằng, chùm sáng qua với vận tốc nhỏ c: người quan trắc chuyển dịch ngược với chùm sáng hẳn phải nhận thấy chùm sáng đến gần với vận tốc lớn c Nói khác đi, kết đo vận tốc ánh sáng hẳn phải thay đổi tuỳ thuộc vào chuyển dịch người quan trắc so với chùm sáng Những thay đổi hẳn phản ánh chuyển dịch tuyệt đối thực thông qua môi trường ête