1. Trang chủ
  2. » Giáo án - Bài giảng

bài giảng vật lý ii

159 264 0

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

THÔNG TIN TÀI LIỆU

Thông tin cơ bản

Định dạng
Số trang 159
Dung lượng 5,44 MB

Nội dung

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG  HUỲNH HỮU NGHĨA BÀI GIẢNG VẬT LÝ II Lời mở đầu ôn Vật lý đại cương II là môn học Vật lý Hiện đại được phát triển từ những năm đầu cuả thế kỷ XX với các lãnh vực Vật lý mới, mở đầu cho một kỷ nguyên với những tên tuổi cuả các nhà Vật lý như: A. Einstein, L. de Broglie, H.A. Lorentz, E. Schrodinger, M. Planck,…đó là: . Lý thuyết Tương đối . Vật lý Lượng tử . Công nghệ Vật liệu Cùng với những khám phá mới về Hạt nhân - Nguyên tử trong những thập niên 30 cuả thế kỷ XX, và những thành tựu mới nhất cuả Vật lý học thu được gần đây, các Vật liệu điện và từ, Bán dẫn,Tinh thể lỏng. Vật liệu quang: Laser, Maser, Quang học phi tuyến, Thông tin quang,… Việc biên soạn tập Vật lý Đại cương này không ngoài mục đích dùng làm tài liệu hoc tập cho các Sinh viên và cũng có thể là tài liệu tham khảo cho những ai quan tâm. Để phải chuyển tải một nội dung (như vừa liệt kê), chúng tôi cũng đã cố gắng nhiều để thể hiện một cách tương đối hợp lý, nhưng cũng không thể tránh được những sơ sót, mong đón nhận các ý kiến đóng góp. Tiến sĩ vật lý Huỳnh Hữu Nghĩa M VẬT LÝ HỌC Vật lý học là gì Vật lý, hiểu theo nghĩa của nó, là ngành khoa học nghiên cứu về tự nhiên. Trong tiếng Anh, từ vật lý (physics) bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp φύσις (phusis) có nghĩa là tự nhiên và φυσικός (phusikos) là thuộc về tự nhiên. Vật lý học nghiên cứu tự nhiên từ thang vi mô (các hạt cấu tạo nên vật chất) cho đến thang vĩ mô (các hành tinh, thiên hà và vũ trụ). Vật lý còn được xem là ngành "khoa học cơ bản" bởi vì các ngành khoa học tự nhiên khác như sinh học, hóa học, địa lý học chỉ nghiên cứu từng phần cụ thể của tự nhiên và đều phải tuân thủ các định luật vật lý. Ví dụ, tính chất hoá học của các chất đều bị chi phối bởi các định luật vật lý về cơ học lượng tử, nhiệt động lực học và điện từ học. Vật lý có quan hệ mật thiết với toán học. Các lý thuyết vật lý là bất biến khi biểu diễn dưới dạng các quan hệ toán học, và sự xuất hiện của toán học trong các thuyết vật lý cũng thường phức tạp hơn trong các ngành khoa học khác. Sự khác biệt giữa vật lý và toán học là ở chỗ, vật lý luôn gắn liền với thế giới tự nhiên, trong khi toán học lại biểu diễn các mô hình trừu tượng độc lập với thế giới tự nhiên. Tuy vậy, sự khác biệt không phải lúc nào cũng rõ ràng. Thực tế có một ngành nghiên cứu thuộc lãnh vực trung gian giữa toán học và vật lý, đó là Toán vật lý - ngành học phát triển các cấu trúc toán học để phục vụ cho các lý thuyết vật lý. Lịch sử vật lý học Từ xa xưa, con người đã cố gắng tìm hiểu về các đặc điểm của vật chất và đặt ra các câu hỏi như: tại sao một vật lại có thể rơi được xuống đất? Tại sao vật chất khác nhau lại có các đặc tính khác nhau? Và vũ trụ kia vẫn là điều bí ẩn: Trái đất được hình thành như thế nào? đặc điểm của các thiên thể như Mặt trời hay Mặt trăng ra sao? Một vài thuyết đã được đưa ra, nhưng đa phần đều không chính xác. Những thuyết này mang đậm nét triết lý và chưa từng qua các bước kiểm chứng như các thuyết hiện đại. Một số ít được công nhận, số còn lại đã lỗi thời, ví dụ như nhà tư tưởng người Hy Lạp, Archimedes, đưa ra nhiều miêu tả định lượng chính xác về cơ học và thủy tĩnh học. Isaac Newton Cuốn Principia Mathematica cũng giới thiệu một vài thuyết thuộc ngành thủy động lực học. Cơ học cổ điển được mở rông bởi Joseph Louis Lagrange, William Rowan Hamilton, và một số nhà vật lý khác, là các người đã xây dựng lên các công thức, nguyên lý và kết quả mới. Định luật hấp dẫn mở đầu cho ngành vật lý thiên văn, ở đó miêu tả các hiện tượng thiên văn dựa trên các thuyết vật lý. Bước sang thế kỷ thứ 18, nhiệt động lực học được ra đời bởi Robert Boyle, Thomas Young và một số nhà vật lý khác. Năm 1733, Daniel Bernoulli sử dụng phương pháp thống kê với cơ học cổ điển để đưa ra các kết quả cho nhiệt động lực học, từ đó ngành thống kê cổ điển được ra đời. Năm 1798, Benjamin Thompson chứng minh được việc chuyển hóa cơ năng sang nhiệt, và năm 1847, James Prescott Joule dặt ra định luật bảo toàn năng lượng, dưới dạng nhiệt cũng như năng lượng cơ học, cơ năng. James Clerk Maxwell Năm 1905, Albert Einstein xây dựng Thuyết tương đối đặc biệt, kết hợp không gian và thời gian vào một khái niệm chung, không-thời gian. Thuyết tương đối hẹp dự đoán một sự biến đối khác nhau giữa các điểm gốc hơn là cơ học cổ điển, điều này dẫn đến việc phát triển cơ học tương đối tính Thế kỷ thứ 17, Galileo Galilei là người đi tiên phong trong lĩnh vực sử dụng thực nghiệm để kiểm tra tính đúng đắn của lý thuyết, và nó là chìa khóa để hình thành nên ngành khoa học thực nghiệm. Galileo xây dựng và kiểm tra thành công nhiều kết quả trong động lực học, cụ thể là Định luật quán tính. Năm 1687, Isaac Newton công bố cuốn sách Principia Mathematica, miêu tả chi tiết và hoàn thiện hai thuyết vật lý: Định luật chuyển động Newton, là nền tảng của cơ học cổ điển, và Định luật hấp dẫn, miêu tả lực cơ bản của hấp dẫn. Cả hai thuyết trên đều được công nhận bằng thực nghiệm. Đặc điểm của điện và từ tính được nghiên cứu bởi Michel Faraday, Georg Ohm, cùng với một số nhà vật lý khác. Năm 1855, James Clerk Maxwell thống nhất hai ngành điện học và từ học vào làm một, gọi chung là Điện từ học, được miêu tả bằng các phương trình Maxwell. Dự đoán của thuyết này đó là ánh sáng là một dạng sóng điện từ. Năm 1895, Wilhelm Conrad Roentgen khám phá ra tia X quang, là một dạng tia phóng xạ điện từ tần số cao. Độ phóng xạ được tìm ra từ năm 1896 bởi Henri Becquerel, và sau đó là Marie Curie (Maria Skłodowska-Curie), Pierre Curie, cùng với một số nhà vật lý khác. Từ đó khai sinh ra ngành vật lý hạt nhân. để thay thế cơ học cổ điển. Với trường hợp vật tốc nhỏ, hai thuyết này dẫn đến cùng một kết quả. Năm 1915, Einstein phát triển thuyết tương đối đặc biệt để giải thích lực hấp dẫn, thuyết này do đó được gọi là Thuyết tương đối tổng quát hay Thuyết tương đối rộng, thay thế cho định luật hấp dẫn của Newton. Trong trường hợp khối lượng và năng lượng thấp, hai thuyết này cũng cho một kết quả như nhau. Năm 1911, Ernest Rutherford suy luận từ thí nghiệm tán xạ về sự tồn tại của hạt nhân nguyên tử, với thành phần mang điện tích dương được đặt tên là proton. Neutron, thành phần của hạt nhân nguyên tử không mang điện tích, được phát hiện ra năm 1932 bởi James Chadwick. Bước sang thế kỷ thứ 20, Max Planck, Einstein, Niels Bohr cùng với một số nhà vật lý khác xây dựng thuyết lượng tử để giải thích cho các kết quả thí nghiệm bất thường bằng việc miêu tả các lớp năng lượng rời rạc. Năm 1925, Werner Heisenberg và năm 1926 Erwin Schrodinger và Paul Dirac công thức hóa cơ học lượng tử, để giải thích thuyết lượng tử bằng các công thức toán học. Trong cơ lương tử, kết quả của các đo đặc vật lý tồn tại dưới dạng xác suất, và lý thuyết này đã rất thành công khi miêu tả các đặc điểm và tính chất của thế giới vi mô. Cơ lượng tử là công cụ cho ngành vật lý vật chất rắn, một ngành nghiên cứu các tính chất vật lý của chất rắn và chất khí, bao gồm các đặc tính như cấu trúc mạng tinh thể, bán dẫn và siêu dẫn. Người đi tiên phong trong ngành vật lý vật chất đặc đó là Felix Bloch, người đã sáng tạo ra một bộ mặt lượng tử các tính chất của electron trong cấu trúc tinh thể năm 1928. Trong thời Đệ nhị thế chiến, các nghiên cứu khoa học đã phần hướng về ngành vật lý hạt nhân với mục đích tạo ra bom nguyên tử. Sự cố gắng của người Đức, dẫn đầu bởi Heisenberg, đã không thành công, nhưng dự án Manhattan của Mỹ đã đạt được được mục đích. Nhóm khoa học người Mỹ, đứng đầu là Enrico Fermi đã là người đầu tiên xây dựng lò phản ứng hạt nhân năm 1942, và chỉ 3 năm sau, năm 1945, vụ thử hạt nhân đầu tiên đã diễn ra tại Trinity, gần Alamogorgo, New Mexico. Richard Feynman Hai lý thuyết vật lý chính của thế kỷ 20, thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử, hiện không tương thích với nhau. Cơ học lượng tử mô tả vật Lý thuyết trường lượng tử được xây dựng để phát triển cơ lượng tử, với việc kết hợp thuyết tương đối hẹp. Một phiên bản mới được hình thành vào cuối năm 1940 bởi Richard Feynman, Julian Schwinger, Tomonaga và Freeman Dyson. Họ đã công thức hóa thuyết điện động lực học lượng tử để miêu tả tương tác điện từ. Thuyết trường lượng tử tạo nền cho ngành vật lý hạt, ở đó nghiên cứu các lực tự nhiên và các hạt cơ bản. Năm 1945. Dương Chấn Ninh và Robert Mills phát triển một dạng thuyết gauge, tạo cơ sở cho Mô hình chuẩn. Mô hình chuẩn đã được hoàn chỉnh vào năm 1970, với thành công là việc miêu tả tất cả các hạt biết được khi ấy. chất trong kích thước nhỏ hơn nguyên tử, trong đó không-thời gian là tuyệt đối, trong khi thuyết tương đối rộng mô tả vũ trụ trên khoảng cách rộng lớn giữa các hành tinh trong hệ mặt trời cho rằng không thời gian bị bẻ cong bởi vật chất. Để thống nhất hai thuyết này, lý thuyết dây đã ra đời, mô tả không- thời gian như một đa không gian, không phải của các điểm, mà của các vật có hình dạng một chiều, gọi là dây. Lý thuyết này cho ra những kết quả nhiều hứa hẹn, nhưng chưa thể được kiểm chứng. Cuộc tìm kiếm các thí nghiệm để kiểm tra lý thuyết dây vẫn đang được tiến hành. Khái quát các nghiên cứu của Vật lý học. Vật lý lý thuyết và vật lý thực nghiệm. Các nghiên cứu trong vật lý được chia ra làm hai loại riêng biệt, vật lý lý thuyết và vật lý thực nghiệm. Từ thế kỷ thứ 20, đa phần các nhà vật lý thuộc một trong hai lĩnh vực này; chỉ có một số ít các nhà vật lý thành công trên cả hai lĩnh vực cùng một lúc. Ngược lại, hầu hết các kết quả thành công trong sinh học hay hóa học thuộc lĩnh vực thực nghiệm. Nói chung, các nhà lý thuyết xây dựng và phát triển các lý thuyết để giải thích cho những kết quả của thực nghiêm, và dự đoán cho những kết quả trong tương lại, trong khi các nhà thực nghiệm xây dựng và thiết lập các thí nghiệm kiểm chứng để khám phá ra những hiện tượng mới hay kiểm tra tính đúng đắn của các dự đoán trong lý thuyết. Mặc dầu ngành lý thuyết và ngành thực nghiệm được phát triển một cách độc lập, song giữa hai ngành này lại có một mối quan hệ tương hỗ với nhau. Trong quá trình thí nghiệm, có nhiều kết quả khác biệt so với dự đoán ban đầu, do đó cần đến những lý thuyết mới để giải thích cho kết quả tìm ra, và miêu tả những dự đoán mới. Nếu không có thực nghiệm, các nghiên cứu lý thuyết có thể đi lạc đường, một thí dụ điển hình chính là thuyết M, một thuyết rất phổ biến trong ngành vật lý năng lượng cao, nhưng lại chưa từng có một thí nghiệm kiểm chứng nào được hình thành. Các thuyết vật lý chính. Mặc dầu đối tượng của vật lý được trải dài trên một khoảng rộng, từ thang vi mô đến thang vĩ mô, song chỉ có một vài lý thuyết vật lý chính, bao quát được hết các hệ thống trong đó. Mỗi thuyết, về cơ bản, đều mô tả đúng trên một phạm vi nhất định. Đầu tiên đó là thuyết cơ học cổ điển, miêu tả chính xác chuyển động của vật, với điều kiện vật này lớn hơn nhiều so với kích thước của nguyên tử và có vận tốc nhỏ hơn nhiều so với vận tốc ánh sáng. Với sự ra đời của Ba định luật chuyển động của Newton, làm nền tảng cho các nghiên cứu trong thế giới trung mô, thế giới mà chúng ta đang sống. Thuyết này vẫn tiếp tục được nghiên cứu, một trong những thành công của nó chính là sự ra đời của lý thuyết hỗn độn (chaos) ở thế ký thứ 20. Tuy nhiên, một số nhà vật lý cho rằng thuyết cơ học cổ điển vẫn có nhiều điểm hạn chế như khi được đặt ở một phạm vi khác, như thế giới vi mô hay thế giới vĩ mô, thì cơ học cổ điển không còn miêu tả chính xác nữa. Cơ học cổ điển vấn rất gần gũi với chúng ta, bởi vì nó miêu tả đúng những gì trong thế giới mà chúng ta đang sống. Thuyết Chủ đề chính Các khái niệm Cơ cổ điển Định luật chuyển động của Newton, Cơ học Chiều, Không gian, Thời gian, Chuyển động, Kích thước, Vận tốc, Lagrangian, Cơ học Hamiltonian, Lý thuyết Chaos, Thủy động lực học, Cơ học Continuum Khối lượng, Động lượng, Lực, Năng lượng, Mômen góc, Mômen quay, Định luật bảo toàn, Dao động điều hòa, Sóng, Công cơ học, Cơ năng, Điện từ học Tĩnh điện, Tính điện, Từ tính, Phương trình Maxwell Điện tích, Dòng điện, Điện trường, Từ trường, Điện từ trường, Bức xạ điện từ, Từ đơn cực Nhiệt động lực học và Cơ học thống kê Động cơ nhiệt, Thuyết động lực học Hằng số Boltzmann, Entropy, Năng lượng tự do, Nhiệt, Hàm thành phần, Nhiệt độ Thuyết lượng tử Tích phân quỹ đạo, Phương trình Schrödinger, Lý thuyết trường lượng tử Hàm số Hamiltonian, Hằng số Planck, Vướng víu lượng tử, Dao động điều hòa lượng tử, Hàm sóng, Điểm năng lượng 0 Thuyết tương đối Thuyết tương đối hẹp, Thuyết tương đối rộng Nguyên lý tương đương, Gốc tọa độ, Không-thời gian, Vận tốc ánh sáng Các ngành của vật lý học. Các nghiên cứu hiện tại trong vật lý được chia ra làm một số ngành riêng biệt, nhằm mục đích tìm hiểu các khía cạnh khác nhau của thế giới vật chất. Vật lý chất rắn được cho là ngành lớn nhất, quan tâm tới tính chất của phần lớn các vật chất, như chất rắn và chất lỏng trong thế giới thường ngày của chúng ta, dựa trên các đặc tính và tương tác giữa các nguyên tử. Ngành vật lý nguyên tử, phân tử và quang tử quan tâm tới đặc điểm riêng biệt của các nguyên tử và phân tử, ví dụ như việc chúng hấp thụ và bức xạ ánh sáng. Ngành vật lý hạt, được coi là ngành vật lý năng lượng cao ở đó nghiên cứu các tính chất của các hạt hạ nguyên tử, như các hạt cơ bản cấu thành nên vật chất. Và sau cùng là ngành vật lý thiên văn, ở đó ứng dụng các định luật của vật lý để giải thích các hiện tượng thiên văn học, với đối tượng là Mặt trời, các thiên thể trong Hệ mặt trời cũng như toàn vũ trụ. Ngành Lĩnh vực Các thuyết chính Các khái niệm chính Vật lý chất rắn Vật lý chất rắn, Vật lý vật liệu, Vật lý Polymer Thuyết BCS, Sóng Bloch, Khí Fermi, Dung dịch Fermi, Pha, Chất khí, Chất lỏng, Chất rắn, Trạng thái đông đặc Bose- Einstein, Siêu dẫn, Siêu chảy, Tính điện, Từ tính, Tự liên kết, Spin, Phá vỡ đối xứng tức thời Vật lý Nguyên tử, Phân tử, và Quang tử Vật lý nguyên tử, Vật lý phân tử, Quang học Quang lượng tử Nhiễu xạ, Bức xạ điện từ, Laser, Phân cực, Đường phổ Vật lý hạt Máy gia tốc, Vật lý hạt nhân Mô hình chuẩn, Thuyết thống nhất, M-theory Lực cơ bản (Lực hấp dẫn, Lực điện từ, Tương tác yếu, Tương tác mạnh), Hạt cơ bản, Phản vật chất, Spin, Phá vỡ đối xứng tức thời, Thuyết vạn vật Năng lượng chân không Vật lý thiên văn Vũ trụ học, Khoa học hành tinh, Vật lý Plasma Big Bang, Lạm pháp vũ trụ, Thuyết tương đối rộng, Định luật hấp dẫn Lỗ đen, Bức xạ phông, Ngân hà, Lực hấp dẫn, Sóng hấp dẫn, Hành tinh, Hệ mặt trời, Sao Vật lý ngày mai. Năm 2004 qua đi, bên cạnh những thành công đạt được, vật lý học vẫn phải đối diễn với những câu hỏi lớn chưa có lời giải. Trong ngành vật lý chất rắn, vấn đề lý thuyết lớn nhất vẫn chưa được giải quyết là việc giải thích tính chất siêu dẫn ở nhiệt độ cao. Ngoài ra còn có sự nỗ lực, cùng với một khối lượng lớn các thí nghiệm được thực hiện, với mục đích xây dựng các máy spintronic và máy tính lượng tử. Trong ngành vật lý hạt, bằng chứng đầu tiên trong thí nghiệm của Mô hình chuẩn mở rộng đã được tìm ra. Cùng với nó là việc công nhận neutrino có khối lượng khác không. Những thí nghiệm này hình thành sẽ giải quyết các vấn đề còn tồn tại bấy lâu nay trong bài toán neutrino của Mặt Trời, thuộc ngành vật lý Thái dương hệ. Vật lý neutrino đang ở thời kỳ phát triển, với một số lượng lớn các nghiên cứu trên cả hai lĩnh vực lý thuyết và thực nghiệm. Trong vài năm tới, các máy gia tốc thang đo TeV sẽ hoàn thành, ở đó các nhà thực nghiệm đặt nhiều hy vọng để phát hiện ra hạt Higgs boson và các hạt siêu đối xứng. Trong ngành thiên văn học, vẫn còn có nhiều hiện tượng chưa thể giải thích được, bao gồm sự tồn tại của tia vũ trụ năng lượng cao và tốc độ quay dị thường của các thiên hà. Các nhà vật lý đã đưa ra lời đề nghị về việc giải quyết những vẫn đề bao gồm thuyết tương đối hẹp kép, động lực học Newton sửa đổi và sự tồn tại của vật chất tối. Thêm vào đó, các dự đoán thiên văn của vài thập niên trở lại đây đều mâu thuẫn với những bằng chứng hiện tại về việc vũ trụ mở rộng có gia tốc. Trên lĩnh vực lý thuyết, các nhà vật lý nỗ lực thống nhất cơ lượng tử vào trong thuyết tương đối rộng, để thành một thuyết thống nhất, thuyết hấp dẫn lượng tử. Công việc này đã được nghiên cứu trong suốt 50 năm qua, tuy nhiên một thuyết hấp dẫn lượng tử hoàn chỉnh vẫn chưa được ra đời. Bên cạnh đó, còn phải kể đến những cố gắng trong việc xây dựng các thuyết hiện đại, nổi bật như thuyết M, thuyết dây và thuyết hấp dẫn lượng tử vòng. Năm 2005 là năm được tổ chức UNESCO của Liên Hợp Quốc chọn làm Năm vật lý thế giới. Đây là một hoạt động nhằm kỉ niệm và tôn vinh những thành tựu vật lý đã đạt được đối với khoa học cũng như đối với cuộc sống thường ngày trong những năm qua Mô tả lý thuyết. Trong lý thuyết tương đối, các hiện tượng vật lý được xem xét trong các hệ quy chiếu. Đối với lý thuyết tương đối rộng, các hệ quy chiếu này có thể chuyển động tùy ý và tương đối với nhau. Điều này khác với trong lý thuyết tương đối hẹp, các hệ quy chiều chuyển động thẳng đều, chúng được gọi là các hệ quy chiếu quán tính. Hãy xét ví dụ về một người chuyển động trên quỹ đạo (hệ quy chiếu quỹ đạo) của Trái Đất (hệ quy chiếu Trái Đất). Người đó sẽ cảm thấy phi trọng lượng giống như khi bị rơi xuống Trái Đất. Trong lý thuyết hấp dẫn Newton, chuyển động của người đó, tính được từ công thức hấp dẫn giữa người này và Trái Đất với khoảng cách đã cho, là do có một lực hấp dẫn giữa Trái Đất và người đó làm cho người đó quay xung quanh Trái Đất. Trong lý thuyết tương đối rộng, tình huống trên được giải thích khác hẳn. Trái Đất làm biến dạng (làm cong) hình dáng của không gian và người du hành sẽ chuyển động như thể Trái Đất tác dụng một lực giữ người này trên quỹ đạo. Nói cách khác, sự có mặt của vật chất làm ảnh hưởng đến không-thời gian trong đó các sự kiện xảy ra. Đây là một ý tưởng rất tuyệt vời vì tất cả các lý thuyết vật lý trước đó đều phải xây dựng các cấu trúc của không-thời gian trước khi xây dựng lý thuyết. Thực ra, người chuyển động trên quỹ đạo cũng làm cong không thời gian xung quanh anh ta, nhưng độ cong này rất nhỏ so với độ cong mà Trái Đất tạo ra nên sự ảnh hưởng của người lên Trái Đất có thể được bỏ qua so với ảnh hưởng của Trái Đất lên người. Ta cũng cần lưu ý rằng, sự phân bố của lượng vật chất đã cho sẽ xác định không-thời gian một lần cho mãi mãi. Ở đây cần quan tâm các vấn đề sau: . Vì không-thời gian liên quan đến vật chất nên nếu không có vật chất thì việc xác định không-thời gian không được chính xác. Chính vì thế người ta cần các giả thuyết đặc biệt như là các tính đối xứng để các nhà vật lý lý thuyết có thể thao tác các không-thời gian khả dĩ, sau đó mới tìm xem vật chất cần phải nằm ở đâu để xác định các tính chất hợp lý, . Các điều kiện biên (còn gọi là điều kiện ban đầu) có thể là vấn đề khó khăn. Sóng hấp dẫn có thể vi phạm ý tưởng không-thời gian được xác định một lần cho mãi mãi. Người ta thường hay mường tượng độ cong của không-thời gian như sau: một vũ trụ của những sinh vật sống trong một chiều không gian và một chiều thời gian. Mỗi một mẩu vật chất không được biểu diễn bằng một điểm trên một mặt cong mà là một vũ trụ tuyến hướng từ quá khứ tới tương lai. Sự cong của không-thời gian do vật chất phân bố bên trong nó gây ra có thể được tính một cách chính xác từ phương trình Einstein. Nguyên lý tương đương. Các hệ quy chiếu quán tính, trong đó các vật thể giữ nguyên trạng thái chuyển động nếu không bị tác động của các vật thể bên ngoài, khác biệt với các hệ quy chiếu phi quán tính, ở đó các vật thể chuyển động tự do dưới một gia tốc từ chính hệ quy chiếu đó. Lực gây ra gia tốc được giả thiết là do bản thân hệ quy chiếu chứ không phải trực tiếp do vật chất gây ra. Ví dụ, khi đi trên xe đến chỗ ngoặt, chúng ta cảm thấy bị gia tốc, gia tốc đó sẽ được coi là do hệ quy chiếu - lúc này chính là chiếc xe gây ra. Tương tự như vậy các lực coriolis và lực ly tâm xuất hiện khi xem hệ quy chiếu dựa trên các vật thể quay như Trái Đất hoặc chiếc đu quay. Trong cơ học Newton, hai lực trên xuất hiện từ việc chọn hệ quy chiếu quay. Trong lý thuyết tương đối rộng, về cục bộ, các lực này không có điểm khác biệt so với các lực khác của bất kỳ hệ quy chiếu phi quán tính nào. Nguyên lý tương đương trong lý thuyết tương đối rộng phát biểu rằng, không có một thí nghiệm cục bộ nào có thể phân biệt sự rơi tự do không quay trong trường hấp dẫn với chuyển động thẳng đều khi không có trường hấp dẫn. Nói tóm lại, không có lực hấp dẫn trong hệ quy chiếu của sự rơi tự do ngoài lực hấp dẫn thủy triều có thể biến dạng vật thể chứ không gia tốc vật thể. Thực ra các cố gắng để thu được sóng hấp dẫn chỉ phụ thuộc vào lực thủy chiều. Từ quan điểm này thì hấp dẫn quan sát được từ bề mặt Trái Đất là lực của hệ quy chiếu xác định từ vật chất tại bề mặt (vật chất này không tự do mà bị cản trở bởi các vật chất khác nữa bên dưới lòng đất không cho nó rơi xuống) tương tự như gia tốc ta cảm thấy khi đi xe đến chỗ ngoặt. Trong quá trình nghiên cứu lý thuyết tương đối rộng, Einstein đã sử dụng một khái niệm đã biết từ thời Galileo là khối lượng hấp dẫn và khối lượng quán tính của vật thể. Ông dùng khái niệm này làm cơ sở cho nguyên lý tương đương để mô tả hiệu ứng hấp dẫn và gia tốc như là các mặt khác nhau của cùng một thực thể (ít nhất là khi xem xét cục bộ), và ông phát biểu vào năm 1907: Do vậy, chúng ta cho rằng có một sự tương ứng hoàn toàn giữa trường hấp dẫn và gia tốc của một hệ quy chiếu. Giả thuyết này sẽ mở rộng lý thuyết tương đối hẹp tới chuyển động gia tốc của các hệ quy chiếu quán tính. Nói cách khác là ông đã phát biểu rằng, về cục bộ, trường hấp dẫn đều và gia tốc đều là tương đương. Ý nghĩa của nguyên lý tương đương dẫn được mở rộng cho rằng, các phép đo vật lý trong các hệ quy chiếu không gia tốc không bao giờ có thể xác định trạng thái chuyển động của nó. Điều này ngụ ý rằng không thể đo và do đó sẽ rất vô nghĩa khi thảo luận về sự thay đổi các hằng số cơ bản như là khối lượng nghỉ, điện tích của các hạt cơ bản khi chúng ở các trạng thái chuyển động khác nhau. Cho nên, bất kỳ sai khác nào xuất hiện trong các phép đo đều là do sai số hoặc là minh chứng về sai lầm hoặc không hoàn thiện của lý thuyết tương đối rộng. Nguyên lý tương đương giải thích quan sát thực nghiệm là khối lượng quán tính và khối lượng hấp dẫn là tương đương. Nguyên lý cũng nói rằng một số hệ quy chiếu cần phải tuân theo hình học phi Euclide: không-thời gian bị bẻ cong (bởi vật chất và khối lượng trong đó); và hấp dẫn chỉ là hệ quả của sự cong hình học thuần túy. Điều này đưa đến rất nhiều tiên đoán như là dịch chuyển đỏ hấp dẫn, các ngôi sao bẻ cong hướng truyền của ánh sáng, các hố đen, sự chậm dần của thời gian trong trường hấp dẫn, sửa đổi chút ít về định luật hấp dẫn trong trường hấp dẫn yếu. Tuy nhiên, nguyên lý tương đương không phải là nguyên lý quyết định duy nhất đến các phương trình trường về không gian cong mà còn được bổ sung bởi một hằng số được gọi là hằng số vũ trụ. Nguyên lý hiệp biến Từ tinh thần của lý thuyết tương đối hẹp, nguyên lý hiệp biến rộng phát biểu rằng tất các các hệ tọa độ là tương đương đối với các công thức toán học. Còn về mặt toán học thì nguyên lý này nói rằng các định luật vật lý là các phương trình tensor. Cơ sở hình học. Trong một thời gian rất dài, người ta tin rằng vũ trụ tuân theo các tiên đề của hình học Euclide bao gồm định lý về hai đường thẳng song song. [...]... trình này với các phương trình trường khác trong vật lý (ví dụ, hệ phương trình Maxwell là hệ tuyến tính trong trường điện từ, phương trình Schrodinger là tuyến tính với các hàm sóng) Đó cũng chính là điểm khác nhau căn bản của lý thuyết tương đối rộng với các lý thuyết vật lý khác Liên hệ với các lý thuyết vật lý khác Lý thuyết tương đối hẹp Trong lý thuyết tương đối hẹp, tất cả các sự kiện đều được... không hoàn hảo đó là lý thuyết này không bao gồm cơ học lượng tử Do vậy, lý thuyết tương đối rộng sẽ không còn đúng khi năng lượng đủ cao Một thách thức rất lớn của vật lý hiện đại là kết hợp lý thuyết tương đối rộng với lý thuyết lượng tử để giải quyết các vấn đề ở quy mô rất nhỏ trong không thời gian Phần lớn các nhà khoa học nghiên cứu về vấn đề này đều cho rằng lý thuyết-M và lý thuyết hấp dẫn lượng... Nguyên lý Huyghens - Fresnel - Nhiễu xạ ánh sáng tạo bởi sóng cầu Hiện tượng ánh sáng bi lệch khỏi phương truyền thẳng khi đi gần các vật cản được gọi là hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng * Vật cản là gì ? - Như thế nào thì được gọi là vật cản ? Sóng cầu ? (Sóng phẳng ?) - Phân lọai sóng dựa vào tính chất gì ? Có mấy cách phân lọai ? Dùng hình vẽ minh họa Nguyên lý Huyghens – Fresnel ? 9 Vật Lý Đại Cương II. .. dẫn lượng tử vòng là các lý thuyết có triển vọng Nếu làm được điều này thì giấc mơ của Einstein về một lý thuyết thống nhất lớn, bao gồm các lực cơ bản của tự nhiên sẽ thành công và đúng đắn dưới tất cả các điều kiện Các lý thuyết khác Lý thuyết Brans-Dicke và lý thuyết Rosen là các thay đổi của của lý thuyết tương đối rộng và hiện nay vẫn chưa bị thí nghiệm nào bác bỏ Xem lý thuyết Einstein-Cartan... trình xoắn Lý thuyết Kaluza-Klein và lý thuyết chuẩn Weyl cố gắng kết hợp lực hấp dẫn và lực điện từ Einstein bắt đầu nghiên cứu về lý thuyết tương đối rộng từ năm 1907 khi ông công bố một vài báo về ảnh hưởng của hấp dẫn và gia tốc lên tính chất của ánh sáng trong lý thuyết tương đối hẹp Phần lớn công trình về lý thuyết tương đối rộng được thực hiện vào khoảng năm 1911–1915, bắt đầu bằng bài báo thứ... đắn của lý thuyết tương đối rộng Tiên đoán của Eddington năm 1919 về độ lệch của ánh sáng bởi Mặt Trời làm lý thuyết được chấp nhận rộng rãi Từ đó đến nay, rất nhiều các thí nghiệm khác được thực hiện và khẳng định lý thuyết là đúng, ví dụ, tín hiệu vô tuyến phát từ cánh tay của Mặt Trời, sai khác đồng hồ trên hệ thống định vị toàn cầu, Tài liệu từ: www.vi.wikipedia.org 1 Vật Lý Đại Cương II Chương... hẹp song song Cách tử nhiễu xạ 1.8 Phân cực ánh sáng - Phân cực do lưỡng chiết 1.8.1 Ánh sáng tự nhiên 1.8.2 Ánh sáng phân cực 1.8.3 Phân cực do lưỡng chiết 1.9 Bài tập 2 Vật Lý Đại Cương II * Quang học là gì ? Quang học là một ngành của vật lý nghiên cứu về sự lan truyền của ánh sáng trong các môi trường Vì ánh sáng là chỉ là một trường hợp riêng của bức xạ điện từ, quang học có thể coi như là một... sát Lý thuyết tương đối rộng bổ sung thêm là không-thời gian cục bộ có thể bị bẻ cong do khối lượng của vật chất trong đó Do đó, đường thẳng trong khôngthời gian có thể được chúng ta cảm nhận là các đường cong trong không gian mà chúng ta trải nghiệm Định luật thứ nhất của Newton được thay thế bằng định luật chuyển động của lý thuyết tương đối Lý thuyết lượng tử Một vấn đề lý thuyết để cho rằng lý thuyết... chiều dương 0x với vận tốc là u, thì người quan sát tại 0 sẽ thấy ánh sáng truyền đi với vận tốc là: 20 Vật Lý Đại Cương II v = c + u > c ? Nếu đúng như vậy thì c chưa phải là vận tốc giới hạn? 2.2.2 Thí nghiệm Michelson Cuối thế kỷ XIX đa số các nhà vật lý tin rằng vũ trụ được lấp đầy bởi một môi trường vật chất đặc biệt gọi là ether hỗ trợ cho sự lan truyền của sóng điện từ Ðiều mà giả thuyết này dựa... điểm mà lý thuyết dự đoán là sáng thì thực tế là tối, và ngược lại Như vậy hệ thống vân đã dời đi một nửa khoảng vân 7 Vật Lý Đại Cương II Điều đó buộc ta phải thừa nhận rằng hiệu pha của hai dao động tại M không 2 2 phải là Như vậy pha dao động của ( L1 L2 ) mà sẽ là ( L1 L2 ) một trong hai tia phải thay đổi một lượng là Vì rằng pha dao động của tia OM truyền trực tiếp từ O đến M không có lý do gì . tra lý thuyết dây vẫn đang được tiến hành. Khái quát các nghiên cứu của Vật lý học. Vật lý lý thuyết và vật lý thực nghiệm. Các nghiên cứu trong vật lý được chia ra làm hai loại riêng biệt, vật. HUỲNH HỮU NGHĨA BÀI GIẢNG VẬT LÝ II Lời mở đầu ôn Vật lý đại cương II là môn học Vật lý Hiện đại được phát triển từ những. 21020102010 cos2 IIIII Vì rằng 2 01 2 01 EE , 2 02 2 02 EE . Do đó: 21020102010 cos2 IIIII Theo định nghĩa về giá trị trung bình ta có: 21 cos = dt t t 0 21 cos 1 (1.9) 5. Vật Lý Đại

Ngày đăng: 10/02/2015, 10:04

Nguồn tham khảo

Tài liệu tham khảo Loại Chi tiết
1. Lương Duyên Bình (chủ biên). Vật lý đại cương. Tập 3, phần 1: Quang học - Vật lý nguyên tử và hạt nhân. NXB. Giáo dục, 2000 Sách, tạp chí
Tiêu đề: Vật lý đại cương
Nhà XB: NXB. Giáo dục
2. Lương Duyên Bình. Bài tập vật lý đại cương. Tập 3; Quang học - Vật lý lượng tử. NXB. Giáo dục, 2001 Sách, tạp chí
Tiêu đề: Bài tập vật lý đại cương
Nhà XB: NXB. Giáo dục
3. Đỗ Trần Cát, Đặng Quang Khang et al. Vật lý đại cương. Tập 3, phần 2. NXB. Giáo dục, 1999 Sách, tạp chí
Tiêu đề: Vật lý đại cương
Nhà XB: NXB. Giáo dục
4. Nguyễn Hữu Chí, Trần Tuấn. Vật lý Laser. NXB. Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, 2001 Sách, tạp chí
Tiêu đề: Vật lý Laser
Nhà XB: NXB. Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
5. Nguyễn Ngọc Giao. Hạt cơ bản. NXB. Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, 1999 Sách, tạp chí
Tiêu đề: Hạt cơ bản
Nhà XB: NXB. Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
6. Phạm Duy Hiển. Vật lý nguyên tử và hạt nhân. NXB. Giáo dục, 1983 Sách, tạp chí
Tiêu đề: Vật lý nguyên tử và hạt nhân
Nhà XB: NXB. Giáo dục
7. Huỳnh Huệ. Quang học. NXB. Giáo dục, 1981 Sách, tạp chí
Tiêu đề: Quang học
Nhà XB: NXB. Giáo dục
8. Mai Văn Nhơn. Vật lý hạt nhân đại cương. NXB. Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, 2001 Sách, tạp chí
Tiêu đề: Vật lý hạt nhân đại cương
Nhà XB: NXB. Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh

TỪ KHÓA LIÊN QUAN

TRÍCH ĐOẠN

TÀI LIỆU CÙNG NGƯỜI DÙNG

TÀI LIỆU LIÊN QUAN