NHỮNG VẤN ĐỀ TRIẾT HỌC TRONG THUYẾT TƯƠNG ĐỐI RỘNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH - KHCN & QHĐN BÀI TIỂU LUẬN TRIẾT HỌC ĐỀ TÀI Học viên thực hiện: Đoàn Văn Huyên Mã số học viên: CH1301091 Giảng viên phụ trách: TS. Bùi Văn Mưa TP. Hồ Chí Minh, tháng 8/2014 GIỚI THIỆU Cũng như các khoa học khác, vật lý học cũng tuân thủ theo các quy luật tồn tại, phát triển chung nhất mà triết học đã nghiên cứu, khái quát hóa. Có thể phân vật lý học thành hai giai đoạn khác nhau là: vật lý học cổ điển và vật lý học NHỮNG VẤN ĐỀ TRIẾT HỌC TRONG THUYẾT TƯƠNG ĐỐI phi cổ điển. Trong đó, “thuyết tương đối” của Albert Einstein có thể nói là thành tựu vĩ đại, là bước đệm, là “điểm nút” giúp vật lý học thay đổi từ “chất cổ điển” sang “chất phi cổ điển”. Đặc biệt là “thuyết tương đối rộng”, giúp ta thay đổi hoàn toàn cách nhìn về thế giới vật chất, về các quy luật. Nó phá vỡ, làm sụp đổ hoàn toàn bức tranh vật lý học cổ điển. Các nhà vật lý học phải xây dựng lại toàn bộ bức tranh vật lý học. Trong bài tiểu luận này, nguồn gốc hình thành, tư duy lý luận và quá trình phát triển của thuyết tương đối rộng sẽ được làm rõ. Những vấn đề triết học ẩn xâu bên trong thuyết tương đối rộng sẽ được mở ra. Đồng thời làm rõ, củng cố tính khái quát, chân lý của các quy luật, các nguyên lý, các phạm trù triết học. Từ đó làm rõ những mối liên hệ giữa triết học và các khoa học khác mà ở đây là vật lý học. Tiểu luận được chia làm ba phần: - Phần một: sơ lược về thuyết tương đối rộng, quá trình hình thành, phát triển - Phần hai: phân tích các vấn đề triết học trong thuyết tương đối rộng - Phần ba: kết luận những mối quan hệ giữa triết học và vật lý học cũng như những khoa học khác Tiểu luận tham khảo giáo trình, bài giảng triết học dành cho cao học của TS. Bùi Văn Mưa, một số sách triết học và vật lý học, những nguồn thông tin được sàn lọc trên internet. 2 THUYẾT TƯƠNG ĐỐI RỘNG Năm 1905, Albert Einstein phát biểu thuyết tương đối hẹp bao gồm hai tiên đề. Một là: “Mọi hiện tượng vật lý (cơ học, nhiệt động lực học, điện từ học ) đều xảy ra như nhau trong các hệ qui chiếu quán tính”. Hai là: “Tốc độ ánh sáng trong chân không là một đại lượng không đổi trong tất cả các hệ qui chiếu quán tính” 1 . Ngay sau đó ông đã nhận thấy sự mâu thuẫn giữa thuyết này và lực hấp dẫn của Newton. Ông nhận ra mối liên hệ giữa lực hấp dẫn và hệ quy chiếu gia tốc. Ông nêu ra một thí nghiệm suy tưởng đơn giản là một người quan sát đứng trong thang máy rơi tự do. Sau nhiều năm theo đuổi, nghiên cứu, đến năm 1915 ông đã đưa ra phương trình trường hấp dẫn mà ngày nay gọi là phương trình trường Einstein. Năm 1916, Einstein công bố thuyết tương đối rộng hay còn gọi là thuyết tương đối tổng quát. Thuyết tương đối rộng thống nhất thuyết tương đối hẹp và định luật vạn vật hấp dẫn của Newton, đồng thời miêu tả lực hấp dẫn (trường hấp dẫn) như là một tính chất hình học của không gian và thời gian (không thời gian). Đặc biệt, độ cong của không thời gian có liên hệ chặt chẽ trực tiếp với năng lượng và động lượng của vật chất và bức xạ. Liên hệ này được xác định bằng phương trình trường Einstein, một hệ phương trình đạo hàm riêng phi tuyến. Nhiều tiên đoán và hệ quả của thuyết tương đối rộng khác biệt hoàn toàn so với vật lý cổ điển, đặc biệt khi đề cập đến sự trôi đi của thời gian, hình học của không gian, chuyển động của vật thể khi rơi tự do và sự lan truyền của ánh sáng, sự giãn thời gian do hấp dẫn, thấu kính hấp dẫn, dịch chuyển đỏ do hấp dẫn của ánh sáng và sự trễ thời gian do hấp dẫn. Mọi quan sát và thí nghiệm đều xác nhận các hiệu ứng này cho tới nay. Kết hợp với cơ học lượng tử, thuyết tương đối rộng phá vỡ hoàn toàn hệ thống vật lý học cổ điển, buộc các nhà vật lý học hiện đại phải xây dựng lại phần lớn hệ thống tri thức về vật lý học, thay đổi bức tranh vật lý học từ cổ điển sang phi cổ điển. Thuyết tương đối rộng có nhiều ứng dụng quan trọng trong thiên văn vật lý. Nó chỉ ra trực tiếp sự tồn tại của lỗ đen – những vùng của không thời gian 1 Thuyết tương đối hẹp, http://vi.wikipedia.org 3 trong đó không gian và thời gian bị bóp méo đến mức ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát ra được – một trạng thái cuối cùng của các ngôi sao khối lượng lớn. Sự bẻ cong đường đi của tia sáng dẫn tới một hiệu ứng gọi là thấu kính hấp dẫn, trong đó có nhiều ảnh của cùng một thiên thể được nhìn thấy trên bầu trời. Thuyết tương đối rộng cũng tiên đoán sự tồn tại các sóng hấp dẫn. Hơn nữa, thuyết tương đối rộng còn là cơ sở cho các mô hình vũ trụ học hiện đại về sự giãn nở không ngừng của vũ trụ. Sau khi công bố thuyết tương đối rộng, nhiều hệ quả lần lượt ra đời và được kiểm chứng một cách rõ ràng. Và mãi cho đến ngày nay vẫn còn nhiều hệ quả của thuyết vẫn đang được các nhà khoa học tìm tòi, mổ sẻ. Một số hệ quả: - Sự giãn thời gian do hấp dẫn và dịch chuyển tần số: Einstein đã chứng tỏ trường hấp dẫn ảnh hưởng tới sự trôi đi của thời gian. Khi ánh sáng truyền vào trường hấp dẫn mạnh thì tần số của nó tăng lên và ngược lại thì tần số giảm xuống. Có nghĩa là khi gần một thiên thể có khối lượng lớn thì mọi quá trình sẽ diễn ra chậm hơn và diễn ra nhanh hơn khi xa thiên thể đó. - Ánh sáng bị lệch và sự trễ thời gian do hấp dẫn:ánh sáng sẽ bị bẻ cong trong trường hấp dẫn, tức là sẽ bị kéo về phía vật thể có khối lượng lớn. Hiệu ứng này đã được nhiều nhà khoa học, thiên văn học chứng minh tính xác thực. - Hiệu ứng quỹ đạo và tính tương đối của phương hướng:chuyển động quỹ đạo của vật thể được tiên đoán khác so với cơ học cổ điển. Thuyết tương đối rộng tiên đoán sự tiến động của điểm cận nhật của quỹ đạo hành tinh, cũng như sự giảm chu kỳ quỹ đạo do hệ phát ra sóng hấp dẫn và các hiệu ứng liên quan đến tính tương đối của phương hướng. Theo đó quỹ đạo của một hành tinh không phải hình elip mà là đường cong như cánh hoa hồng và chỉ gần giống elip khi nó quay quanh khối tâm. Khoảng cách quỷ đạo sẽ giảm dần do sự mất năng lượng khi hệ sao đôi phát ra sóng hấp dẫn. Thuyết tương đối rộng đã mang lại rất nhiều ứng dụng cho việc nghiên cứu vật lý học và thiên văn học: 4 - Thấu kính hấp dẫn: Sự lệch ánh sáng do hấp dẫn dẫn đến một hiện tượng thiên văn vật lý mới. Nếu có một thiên thể khối lượng lớn nằm giữa kính thiên văn và vật thể ở xa thì chúng ta sẽ thu được nhiều hình ảnh bị méo mó của vật này. Thấu kính hấp dẫn trở thành một công cụ quan trọng trong thiên văn quan sát. Các nhà vũ trụ học sử dụng nó để phát hiện và ước tính sự phân bố của vật chất tối, họ sử dụng "thấu kính tự nhiên" để quan sát các thiên hà ở xa và có được phương pháp độc lập nhằm ước tính hằng số Hubble. Nhờ phân tích, đánh giá thống kê từ dữ liệu các thấu kính đã cung cấp những manh mối quan trọng trong sự tiến hóa cấu trúc của các thiên hà 2 . - Lỗ đen và các thiên thể nén đặc: Theo dự đoán, bất cứ khi nào tỉ số giữa khối lượng của vật và bán kính của nó đủ lớn vượt qua một giới hạn nào đó thì sẽ hình thành lỗ đen, vùng của không thời gian mà không một thứ gì có thể thoát ra đượckể cả ánh sáng. Trong những mô hình được chấp nhận hiện nay về quá trình tiến hóa sao, các sao neutron với khối lượng xấp xỉ 1,4 lần khối lượng Mặt Trời, và các lỗ đen có khối lượng từ vài lần đến vài chục lần khối lượng Mặt Trời được cho là trạng thái cuối cùng trong quá trình tiến hóa của các ngôi sao có khối lượng lớn. Tại tâm của các thiên hà thường có lỗ đen siêu khối lượng với khối lượng từ vài triệu tới một chục tỷ lần khối lượng Mặt Trời, và sự có mặt của nó được cho là có vai trò quan trọng trong quá trình hình thành thiên hà cũng như các cấu trúc ở cấp độ lớn hơn. Thuyết tương đối rộng là một trong hai trụ cột của vật lý hiện đại, trụ cột kia chính là thuyết lượng tử, cơ sở cho hiểu biết của chúng ta về vật chất từ các hạt cơ bản đến vật lý trạng thái rắn. Tuy nhiên, câu hỏi mở về mối liên hệ giữa hai lý thuyết vẫn là bài toán khó của vật lý hiện đại. Tuy nhiên một số mối liên hệ đã được đưa ra như: Lý thuyết trường lượng tử trong không thời gian cong và hấp dẫn lượng tử. Thuyết tương đối nói chung và thuyết tương đối rộng nói riêng cũng chỉ mô tả một cách tương đối mọi sự vật hiện tượng, các quy luật vận động của thế 2 Thuyết tương đối rộng, http://vi.wikipedia.org, Thấu kính hấp dẫn 5 giới vật chất. Và trong những trường hợp cụ thuể thì có thể tuyệt đối một quy luật vận động nào đó, một quy luật riêng trong những quy luật chung. NHỮNG VẤN ĐỀ TRIẾT HỌC TRONG THUYẾT TƯƠNG ĐỐI RỘNG Thống nhất và đấu tranh của các mặt đối lập: Bản thân thuyết tương đối rộng cũng ra đời từ sự thống nhất giữa thuyết tương đối hẹp và định luật vạn vật hấp dẫn. Theo quy luật tất yếu, các mâu thuẫn biện chứng xuất hiện sau đó dần dần thống nhất với nhau. Không gian, thời gian những phạm trù hoàn toàn khác nhau nhưng sau đó đã nảy sinh những mâu thuẫn từ những vấn đề bên trong thuyết tương đối rộng. Cuối cùng một phạm trù mới ra đời là không thời gian, sự thống nhất, chuyển hóa giữa không gian và thời gian. Các mâu thuẫn biện chứng đã thúc đẩy quá trình vận động phát triển của mọi sự vật, hiện tượng thông qua quá trình thống nhất – đấu tranh và chuyển hóa lẫn nhau của các mặt đối lập. Thay đổi về lượng dẫn đến thay đổi về chất và ngược lại: Các ngôi sao có khối lượng lớn không ngừng chuyển động, không ngừng tiến hóa, tăng trưởng về khối lượng, đến khi đạt được một tỉ lệ giữa khối lượng và bán kính đủ vượt qua điểm nút thì chúng sẽ biến thành các lỗ đen, nơi mà bất cứ thứ gì rơi vào đều không thể thoát ra được kể cả ánh sáng. Khối lượng thiên thể càng cao thì trường hấp dẫn càng lớn, khi khối lượng đạt tới một giới hạn nhất định thì lực hấp dẫn sẽ đạt đến cực độ và mọi vật chất đi ngang nó đều bị hút vào nó. Nhưng không hẳn lỗ đen sẽ tồn tại vĩnh cửu, sau một khoảng thời gian, khi mà năng lượng cạn kệt dần, trường hấn dẫn của lỗ đen cũng giảm theo và một trạng thái mới ra đời, trạng thái giãn nở. Các lỗ đen bắt đầu giải phóng vật chất mà nó đã hấp thụ tạo ra những đám mây vật chất mới và cuối cùng là những thiên thể, hành tinh mới. Giai đoạn này diễn ra rất chậm có thể kéo dài đến vài tỷ năm và diễn ra như một chu kỳ giữa co cụm và giãn nở. Sự chuyển động của vũ trụ là một quá trình thay đổi về lượng dẫn đến thay đổi về chất và khi chất mới sinh ra sẽ quy định cho nó một lượng mới với các độ và điểm nút khác nhau. Khi lượng thay đổi trong giới hạn độ điếm cực điểm là điểm nút sẽ thực hiện một bước nhảy để tạo ra một chất mới. 6 Phủ định cái phủ định:Vật lý học phi cổ điển, bao gồm thuyết tương đối và cơ học lượng tử đã phủ định các thành quả từ vật lý học cổ điển. Tuy nhiên, phủ định này không phải hoàn toàn, mà chỉ ở quy luật chung nhất. Có thể xem vật lý học cổ điển là một trường hợp riêng với những điều kiện nhất định và các giá trị của nó được giữ nguyên trong trường hợp đó. Khi có mâu thuẫn xảy ra, sự vật hiện tượng sẽ xuất hiên các mặt đối lập, để phát triển cần phải giải quyết mâu thuẫn đó bằng đấu tranh – thống nhất các mặt đối lập, sau khi giải quyết các mâu thuẫn, một mặt đối lập sẽ bị loại bỏ hoặc giảm thiểu nói cách khác là bị phủ định. Tuy nhiên trong quá trình vận động và phát triển không ngừng, cái bị phủ định vẫn có thể được khẳng định ở một phương diện khác, phủ định cái phủ định cũng là một quy luật phát triển của mọi sự vật, hiện tượng. Cái chung, cái riêng: Mọi sự vật hiện tượng trong thế giới vật lý đều tồn tại theo một quy luật chung. Chuyển động ánh sáng, vận động của vũ trụ, tính không thời gian, trường hấp dẫn,… đều là những quy luật chung mà thuyết tương đối rộng mô tả. Tuy nhiên trong những trường hợp nhất định sẽ xuất hiện những cái riêng. Những cái riêng này là một phần của cái chung và luôn tồn tại bên trong cái chung đó, bổ sung cho cái chung và là yếu tố hỗ trợ cho quá trình vận động phát triển. Nguyên nhân, kết quả: Thuyết tương đối rộng đã mở ra những cơ sở để các nhà vật lý học có thể tìm ra nơi bắt đầu của thiên hà chúng ta, điểm xuất phát của Thái Dương Hệ, quá trình vận động phát triển và dự đoán được điểm kết thúc của vạn vật xung quang ta. Thuyết tương đối rộng gải thích nguyên nhân của những hiện tượng vật lý vẫn thường gặp như: sự cong của ánh sáng, trường hấp dẫn, sự lệch của quỹ đạo,… mang đến những cơ sở cho sự phát triển của vật lý học, thiên văn học, khoa học vũ trụ. Nội dụng, hình thức: Cả nội dung lẫn hình thức vận động, phát triển của thế giới vật chất được miêu tả đầy đủ trong thuyết tương đối rộng. Mối liên hệ giữa không gian và thời gian được mô tả bằng không thời gian. Độ lệch của sóng, độ cong của ánh sáng, trường hấp dẫn,… và tất cả chuyển động của thế giới vật chất được mô tả bằng phương trình trường Einstein. 7 Tất nhiên, ngẫu nhiên:Tất cả vận động của thế giới vật chất là tất nhiên, theo một quy luật nhất định. Tuy nhiên trong một số trường hợp đặc biệt, những cái ngẫu nhiên sẽ diễn ra. Từ những cái ngẫu nhiên đó sẽ là một yếu tố làm thay đổi một vận động nào đó trong thế giới vật chất. Sự co giãn của vũ trụ, sự xuất hiện của các hành tình, sự tách khỏi hoặc kết hợp giữa các thiên thể đều là những cái tất nhiên và là quy luật vận động của vũ trụ. Sự xuất hiện của Trái đất – hành tinh xanh – có thể là một cái ngẫu nhiên, từ đó sự sống ra đời và phát triển. Nhưng tất nhiên, một thời điểm nào đó, khi các lỗ đen trong Thái Dương Hệ hình thành và lớn lên thì trái đất cũng sẽ diệt vong và hình thành một Thiên hà mới, nơi mà có thể những cái ngẫu nhiên mới sẽ xuất hiện và sự sống mới sẽ ra đời. Bản chất, hiện tượng: Các hiện tượng vật lý như sự cong của ánh sáng, sự co giản của thời gian, lỗ đen,… những hiện tượng mà vật lý học cổ điển vẫn chưa thể giải thích, chưa thể tìm ra bản chất của nó. Thuyết tương đối rộng đã đưa ra những mô tả cơ bản bản chất của những hiện tượng đó. Và hơn hết những bản chất đó đã được chứng minh từ thực nghiệm. Từ những thực nghiệm đó mà bản chất của các hiện tượng được mô tả trong thuyết tương đối rộng trở thành chân lý. Và từ bản chất đó nhiều hiện tượng khác cũng được giải thích một cách hợp lý. Khả năng, hiện thực: Thuyết tương đối mô tả hiện thực tồn tại và phát triển của thế giới vật chất. Ngoài ra nó phỏng đoán những khả năng có thể xảy ra trong tương lai theo quy luật vận động của thế giới vật chất.Tuy nhiên, phải kết hợp hiện thực từ nhiều khía cạnh khác nhau do đó cũng không thể dự đoán chính xác các khả năng có thể xảy ra. 8 KẾT LUẬN Triết học cung cấp các quy luật, các phạm trù, các nguyên lý chung nhất về thế giới quan, cung cấp phương pháp luận cho các khoa học khác nhằm tìm ra vận động trong từng lĩnh vực cụ thể. Dựa vào phương pháp luận triết học mà các khoa học khác, cụ thể là vật lý học đã tìm ra được quy luật vận động của thế giới vật chất. Và sự phát triển của vật lý học cũng đúng với quy luật của triết học. Tùy từng giai đoạn phát triển khác nhau, tùy từng phương pháp luận khác nhau, và tùy từng trường phái triết học khác nhau đang phát triển mạnh mẽ trong từng giai đoạn của lịch sử mà vật lý học phát triển ở mức độ khác nhau. Ở thời cổ đại, triết học với các quy luật và phương pháp luận còn thô sơ thì vật lý học cũng pháp triển thô sơ, sự hiểu biết của con người về thế giới vật chất cũng hạn hẹp. Theo thời gian, triết học dần phát triển, các quy luật dần hướng đến chân lý, các phương pháp luận dần hoàn thiện thì vật lý học cũng dần phát triển, và hiểu biết của con người dần hướng đến chân lý của thế giới vật chất. Tuy nhiên, sự phát triển của các khoa học khác cũng là tiền đề làm thay đổi nhận thức thậm chí thay đổi phương pháp luận của triết học. Khi mà vật lý học chưa làm rõ bản chất của các hiện tượng vật lý thì triết học phát triển ở mức duy tâm, siêu hình. Dần dần, vật lý học phát triển, sự hiểu biết về thế giới vật chất được khai thông, nhận thức, phương pháp luận triết học cũng thay đổi, từ duy tâm, siêu hình sang duy vật, biện chứng. Theo quy luật, vật lý học và cả triết học hiện tại vẫn sẽ phải thay đổi có thể là một phần nhỏ hoặc cả hệ thống lớn để dần hướng đến chân lý. Và triết học và các khoa học khác nói chung, vật lý học nó riêng sẽ luôn tương tác lẫn nhau, bổ sung cho nhau, cùng nhau phát triển và hoàn thiện. 9 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. TS. Bùi Văn Mưa, Bài giảng “Triết học dành cho cao học” 2. TS. Bùi Văn Mưa, Tài liệu “Những quy luật và hình thức cơ bản của tư duy biện chứng” 3. TS. Bùi Văn Mưa, Triết học – Phần 1 – Đại cương lịch sử triết học, 2010 4. TS. Bùi Văn Mưa,Triết Học & Bức tranh Vật lý học về thế giới, NXB ĐH Quốc Gia TP.HCM, 2007 5. TS. Bùi Văn Mưa, TS. Nguyễn Ngọc Thu, Đại cương lịch sử Triết học, NXB Tổng hợp TP.HCM, 2003 6. Thuyết tương đối hẹp, http://vi.wikipedia.org/ 7. Thuyết tương đối rộng, http://vi.wikipedia.org/ 10 . vấn đề triết học trong thuyết tương đối rộng - Phần ba: kết luận những mối quan hệ giữa triết học và vật lý học cũng như những khoa học khác Tiểu luận tham khảo giáo trình, bài giảng triết học. thành hai giai đoạn khác nhau là: vật lý học cổ điển và vật lý học NHỮNG VẤN ĐỀ TRIẾT HỌC TRONG THUYẾT TƯƠNG ĐỐI phi cổ điển. Trong đó, thuyết tương đối của Albert Einstein có thể nói là. chất. Và trong những trường hợp cụ thuể thì có thể tuyệt đối một quy luật vận động nào đó, một quy luật riêng trong những quy luật chung. NHỮNG VẤN ĐỀ TRIẾT HỌC TRONG THUYẾT TƯƠNG ĐỐI RỘNG Thống