các hệ quả thú vị của thuyết tương đối hẹp và rộng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ  BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN VẬT LÝ ĐỀ TÀI : CÁC HỆ QUẢ THÚ VỊ CỦA THUYẾT TƯƠNG ĐỐI HẸP VÀ RỘNG GVHD: NGUYỄN NHƯ SƠN THỦY LỚP: TPHCM ,16/05/2018 Thuyết Tương Đối Lý thuyết gây chấn động vật lý I/ Thuyết tương đối hẹp Tiên đề 1: tốc độ ánh sáng có giá trị bất biến hệ quy chiếu quán tính Tiên đề 2: Tất định luật có dạng hệ quy chiếu quán tính Ý nghĩa: a) Tiên đề 1: thừa nhận ánh sáng truyền chân không không thừa nhận tồn hệ quy chiếu đứng yên tuyệt đối -Khẳng định tốc độ ánh sáng số dù nguồn sáng hay người quan sát có vận tốc - Tiên đề phủ nhận hồn tồn cơng thức cộng vận tốc học cổ điển, nhiên thực tế đời sống, quen thuộc với vật chuyển động với vận tốc nhỏ so với vận tố ánh sáng nên biểu thức cộng vận tốc học cổ din963 sử dụng rộng rãi hiệnnay b)Tiên đề : mở rộng nguyên lý tương đối Gallileo từ tượng học sang tượng vật lý khác điện từ học, quang học,… CÁC HIỆU ỨNG TƯƠNG ĐỐI TÍNH: Theo Eistein, ta coi hai tiên đề kiện thực nghiệm mà ta không nên cố gắng giải thích lại vậy, mà nên hướng vào việc xác định hệ chúng Eistein vận dụng hai tiên đề vào thí nghiệm tưởng tượng từ đưa hệ lý thú vô ngạc nhiên Và bốn hiệu ứng kinh điển cho thấy minh chứng rõ tưởng tương đối tính : 1) Sự tính đồng thời: Xét thí nghiệm sau : tàu vũ trụ có đặt nguồn sáng máy thu Con tàu chuyển động với vận tốc v so với mặt đất người quan sát A đứng tàu, người quan sát B đứng trê mặt đất Cho nguồn sáng phát chớp sáng Hỏi ánh sáng có đập vào máy thu lúc không ? Theo người quan sát A, ánh sáng đập vào máy thu lúc Gọi l’ khoảng cách từ nguồn sáng đến máy thu, t’ thời gian chớp sáng tới máy thu t’(trái)= t’(phải)= Hình Nhưng theo người quan sát B thứ khác , máy thu bên trái nhận ánh sáng trước máy thu bên phải gọi l khoảng cách từ nguồn sáng đến máy thu , t thời gian chớp sáng tới máy thu t(trái)= ; t(phải)= nên t(trái)< t(phải) Hình Như kiện ánh sáng đập vào máy thu xảy đồng thời hệ quy chiếu O’ xảy không đồng thời hệ quy chiếu O Rút kết luận , tính đồng thời hai kiện bị hai hệ quy chiếu khác Sự trôi chậm ( hay giãn nỡ )của thời gian: Xét thí nghiệm tàu, đặt nguồn sáng sàn tàu gương trần tàu cách độ cao h Con tàu chuyên động thẳng với vạn tốc v so với mặt đất người quan sát A đứng tàu, ngưới quan sát B đứng mặt đất Cho nguồn sáng phát chớp sáng Ánh sáng tới gương phản xạ lại sàn Theo người quan sát A thời gian : t’A = Hình Theo người quan sát B tì tàu chuyển động nên thời gian là: t B= với 2L = vtB HÌNH Thay vào ta : tB = hay tB = ɤt’A với ɤ= t’ gọi thời gian riêng HQC chuyển động đo đồng hồ treo HQC Rút kết luận: đồng hồ chuyển động chạy chậm đồng hồ đứng yên Hay so với HQC đứng n thời gian HQC chuyển động trơi chậm 3 Sự co chiều dài ( theo phương chuyển động): HÌNH Xét thí nghiệm sau: đặt gương đầu tàu, nguồn sáng cuối tàu Đối với NQS A đứng tàu l’ chiều dài tàu ,t’ thời gian ánh sáng từ nguồn tới gương phản xạ trở nguồn t’= Đối với NQS B đứng yên mặt đất tàu chuyển động thẳng với vận tốc v, chiều dài tàu l , thời gian ánh sáng từ nguồn sáng đến gương phản xạ đến gương t= t= Mà t= ɤt’ Suy ra: HÌNH l= Như chiều dài vật chuyển động ngắn so vơi chiều dài vật đứng yên Trong l’gọi chiều dài riêng vật – chiều dài đo HQC đứng n so với vật Nhấn mạnh khơng có co lại chiều dài theo phương vng góc với phương chuyển động Một câu hỏi hóc búa thuyết tương đối “thực chiều dài tàu ?”… Đây câu hỏi vô nghĩa Ta phải đặt câu hỏi xác chiều dài vật HQC cho bao nhiêu?” Đồng hồ đằng sau chạy nhanh đồng hồ đằng trước ( xét theo phương chuyển động): Xét thí nghiệm sau: tàu chuyển động thẳng so với mặt đất đặt hai đồng hồ , đầu tàu, cuối tàu NQS A đứng tàu thấy hai đồng hồ chạy chậm đồng bộ, NQS B đứng mặt đất thấy đồng hồ đằng sau chạy nhanh đồng hồ đằng trước Ta giải thích sau: Theo NQS B, phải đặt nguồn sáng vị trí tàu để ánh sáng (photon) đập vào hai đồng hồ lúc ( tính theo đồng hồ B) Vận tốc tương đối đồng hồ photon (c+v)và (c-v t== = Suy ra: lsau= ; ltrước = HÌNH NQS A tàu thấy nguồn sáng đặt vị trí cách hai đồng hồ khoảng theo tỉ lệ: L’sau=; l’trước = Trong HQC O’ ánh sáng phải đoạn đường dài để đến đồng hồ sau khoảng thời gian dài 5) PHÉP BIẾN ĐỔI LORENTZ: Mỗi kiện xác định tọa độ khơng gian thời gian Ví dụ :sự kiện A xác định HQC O tọa độ (x,y,z,t) HQC O’ tọa độ (x’,y’,z’,t’) Chúng ta xét hai kiện tìm mối liên hệ ∆x ∆t HQC O với ∆x’ ∆t’ HQC O’ Chúng ta già sử mối liên hệ tuyến tính có dạng sau: ∆x= A∆x’+ B∆t’ ∆t= C∆t’+ D∆x’ Trong A,B,C,D số mà ta phải xác định Để tìm số ta phải dựa vào hiệu ứng Nếu HQC O’, Hai kiện xảy chỗ(∆x’=0) thời điểm khác (∆t’khác 0) theo (b) ta có ∆t=ɤ∆t’, ta suy C=ɤ Nếu HQC O’ hai kiện xảy thời điểm (∆t’=0) hai nơi cách khoảng ∆x’, theo (a) ta có ∆x=A∆x’ Đối chiếu với hiệu ứng ∆x=ɤ∆x’, ta suy ra: A=ɤ Nếu HQC O ó vật đứng yên , ∆x=0 theo NQS A HQC O’, vật chuyển động với vận tốc –v Ta có ∆x’ =-v∆t’ ∆x=0 theo (a)ta có ∆x’= -∆t’ ta suy hay B=ɤv (vì A=ɤ) Hiệu ứng nói NQS B nhìn thấy đồng hồ trongHQC O’ thấy đồng hồ phía sau chạy nhanh đồng hồ phía trước lượng ∆t = với ∆x’= L’ Trong NQS A lại thấy hai đống hồ chạy đồng tức ∆t’=0 Mặt khác theo (b) ∆t’=0 ta có ∆t=D∆x’ Từ suy D= Cuối ta thu : ∆x= ɤ(∆x’ + v∆t’) ∆t =ɤ(∆t’ + ) ∆y = ∆y’ với ( ɤ = ) ∆z =∆z’ Ta chọn gốc tọa độ gốc thời gan rại thời điểm ban đầu nên: x= ɤ(x’+vt’) t=ɤ(t’ + ) x’ = ɤ(x-vt) t’ = ɤ(t-) Các phép biến đổi gọi phép biến đổi Lorentz Từ phép biến đổi dễ dàng suy công thức cộng vận tốc HQCkhác nhau: Viết cơng thức THUYẾT TƯƠNG ĐỐI RỘNG: Mọi người có tự đặt cạu hỏi Eistein lại không dừng lại thuyết tương đối hẹp mà tiếp tục nảy ý tưởng lý thuyết tổng quát Tất có nguyên Câu trả lời tơi giải thích Mặc dù thuyết tương đối hẹp phù hợp tốt với định luật điện từ khơng tương thích với định luật vạn vật hấp dẫn Newton.Theo Eistein, tất tương đối , thử xét thí nghiệm sao: Những người đứng thang máy , thang máy chuyển động thẳng đều, nhóm người đứng thang máy đứng yên, có phải tất họ biết rõ đươc thang máy chuyển động hay đứng yên không Trừ thang máy đột ngột thay đổi vận tốc thang máy bị đứt dây rơi tự người thang máy cảm nhận thang máy chuyển động hay đứng yên Vậy xét đến thí nghiệm táo rơi Newton, trái đất phẳng, ông ném táo lên trời rơi xuống dùng thuyết tương đối hẹp Eistein để giải thích ta nói táo rơi xuống mặt đất nói trái đất bị gia tốc lên phía táo, tất tương đối.Eistein nhận thức khó khăn vào năm 1907 làm việc văn phòng cấp sáng chế Bern Nhưng đến năm 1911 ,ở Praha, ông nhận mối quan hệ khăn khít gia tốc trường hấp dẫn Tuy nhiên tương đương gia tốc hấp dẫn dường khơng trái đất tròn ,bởi lẽ người phía cực nam cực bắc trái đất phải bị gia tốc ngược chiều Từ Eistein ý tưởng ý nghĩa mối tương đương hình học khơngthời gian cong khơng phải phẳng người nghĩ Ý tưởng ông khối lượng lượng uốn cong khơng thời gian theo cách Các vật thể trái táo hay trái đất cố gắng chuyển động theo đường thẳng đường chúng bị uốn cong không – thời gian cong.Từ Eistein giải vấn đề hóc búa mà giới vật lý đặt thời ông rút kết luận “lực hấp dẫn chẳng qua thể khôngthời gian cong mà thôi” Lý thuyết không- thời gian cong gọi ly thuyết tương đối rộng để phân biệt với lý thuyết khởi đầu khơng bao gồm lực hấp dẫn Nó xác nhận cách ngoạn mục đoàn thám hiểm Anh đến Tây Phi để quan sát nhật thực tàn phần, đài thiên văn đo đạt ánh sáng bị bẻ cong góc 17 độ 59 phút qua mặt trăng Và lúc đó, buổi tối, Eistein tiếng khắp nơi giới “Sai lầm lớn đời tôi”: Khi nghiên cứu nghiệm mơ tả phương trình , Eistein nhận nghiệm ngầm tồn vũ trụ tĩnh, không thay đổi theo thời gian Thay từ bỏ quan niệm cho vũ trụ tĩnh hầu hết ông người tin , ông lại sửa chữa chúng thêm vào số gọi “HẰNG SỐ VŨ TRỤ”.Đây xem sai lầm lớn vật lý thuyết nói chung đời ơng nói riêng.Nếu ơng có thẽ kiên trì với phép tính phương trình ban đầu chắn ơng tiên đoán vũ trụ dãn nở Ký hiệu số vũ trụ mà Eistein đưa ra: LỊCH SỬ , QUÁ TRÌNH RA ĐỜI: Giả thuyết Ete Khoảng cuối kỷ XIX, nhà khoa học tin họ gần đạt đến mô tả đầy đủ vũ trụ Họ hình dung không gian lấp đầy mơi trường gọi ete Các tia sáng tín hiệu vơ tuyến ete giống âm sóng áp suất khơng khí Nhưng vào cuối lỷ chia rẻ ý tưởng mơi trường ete bắt đầu xuất ười ta không đo vận tốc ete hình dung chúng Theo thuyết , bạn chuyển động Ete chiều ánh sáng nhận tốc độ ánh sáng thấp so với chuyển động ngược chiều ánh sáng.Thế hàng loạt thí nghiệm kiểm chứng thất bại Chính xác thí nghiệm tiếng Albert Michelson Từ ngài Hendrik Lorentz nảy ý tưởng ánh sáng dường chuyển động với vận tốc nhau, kết thí nghiệm cho sai lệch Chính ý tưởng sở để Eistein công bố báo vào năm 1905, ơng cho khơng thể nhận biết chuyển động so với ete khái niệm ete không cần thiết Thay vào ơng đề xuất tiên đề cho định luật khoa học có dạng người quan sát chuyển động tự , cụ thể họ phải đo vận tốc ánh sáng nhau, không phụ thuộc vào họ chuyển động Tiên đề Eistein lật đổ quan niệm tuyệt đối tiêu biểu kỷ 19: đứng yên tuyệt đối tiêu biểu ete, thời gian tuyệt đối học cổ điển Newton Nhưng nhiều người không chấp nhận quan niệm , cho ơng sai lầm Sự bân khuân kéo dày năm 1920 1930 Thậm chí đến Eistein nhận giải Nobel vào năm 1921 cho cơng trình hiệu ứng quang điện , cơng trình khơng nói thuyết tương đối Tuy nhiên thuyết tương đối rõ rãng ứng dụng rỗng rãi đóng vai trò vo quan trọng tính tốn chuyển động vệ tinh đến tivi nhà ta, ỨNG DỤNG VỀ MẶT LÝ THUYẾT CỦA THUYẾT TƯƠNG ĐỐI TỔNG QUÁT Phần đặt biệt: Những vấn đề cộm xung quanh thuyết tương đối vật lý đại( nhóm sưu tầm biên soạn): Tranh cãi người tìm thuyết tương đối Lorentz Eistein ? Điểm khác biệt hai người Một người nhà toán học, người nhà vật lý học Thực Lorentz người tìm phương trình tiếng cho thấy mối quan hệ lượng khối lượng, nhà toán học dựa vào phép biến đổi để đưa cơng thức , tìm phương trình ,Lorentz nhỡ bình thường Nhưng Eisteinn khác, nhà vật lý học từ chất vấn đề để xây dựng nên phương trình, ơng hiểu rõ tầm quan trọng đến mứcđộ n phương trình Hình ành Eistein Lorentz Tại đạt vận tốc ánh sáng tưởng tượng: Trong mối quan hệ khối lượng lượng phương trình tiếng Eistein, cho thấy lượng tỉ lệ thuận với tích khối lượng bình phương vận tốc ánh sáng Vậy thử nghĩ xem ,nếu muốn chuyển động với tốc độ ánh sáng định cần phải trự nguồn lượng cực lớn, lúc lượng giải phóng , nên phần lượng dự trữ lại chuyển hóa thành khối lượng làm kiềm hãm tăng tốc, “CHỈ CĨ NHỮNG VẬT KHƠNG CĨ KHỐI LƯỢNG NỘI TẠI MỚI CĨ THỂ CHUYỂN ĐỘNG VỚI TỐC ĐỘ CỦA ÁNH SÁNG “( trích câu nói tiếng Stephen Hawking) Thời gian khơng gian quan hệ chặt chẽ thuyết tương đối: Hình dạng thời gian:Lý thuyết tương đối Eistein phù hợp với nhiều thí nghiệm cho thấy mối quan hệ chặc chẽ chúng Không thể uốn cong thời gian mà khơng động chạm đến thời gian Như thời gian phải có hình dạng Tuy nhiên đầu tàu hình minh họạ Vấn đề hot vật lý lý thuyết nay: Vấn đề vô quan vật lý tìm lý thuyết thống cuối thuyết tương đối tổng quát thuyết học lượng từ.Vậy ta phải cần tìm lý thuyết Các bạn hình dung xem, thành phố Tất vấn đề lại có luật giao thơng quy định rạch ròi Nếu đột ngột có đến luật giao thông ban hành áp dụng vào giao thơng thành phố, thử hỏi xem giao thơng có hỗn loạn đến mức nào, có tai nạn xảy ra.Cách hình dung giống vật lý Người giới tìm điểm chung hai lý thuyết áp dụng chúng vào việc lý giải vũ trụ Stephen Hawking Chắc người nghe nhắc đến xạ Hawking Hawking giả thuyết chứng minh thành cơng rằng, có loại hạt khỏi lực hút cực mạnh hố đen giaỉ phóng lượng lượng cực lớn dạng xạ có tần số vùng ánh sáng khả kiến Nên chúng phát ánh sáng Từ Stephen Hawking đưa câu nói tiếng gây bàng hồng ngành vật lý “hố đen khơng thực q đen” Điều đưa khái niệm khơng thễ có vật đen tuyệt đối tồn Khơng thế, hố đen mà khối lượng, đến thời điểm chúng biến “hư khơng trở lại hư khơng” , nói chứng minh tuyệt vời Hawking Nhưng Stephen Hawking xem phát nhỏ mối quan hệ lý thuyết ấy.Ông cống hiến đời tìm lý thuyết thống cuối đến ơng thứ dang dở Và có nhiều lý thuyết đưa bật số lý thuyết dây thuyết M nhóm xin trình lý thuyết dây bảng báo cáo này( phần mở rộng nhóm tự tìm hiểu diễn giải tóm tắt) Lý thuyết dây tuyên bố thẳm sâu loại hạt higgs, quark,… tồn xung lượng dao động khơng ngừng mà chúng hình dung dây, độc đáo cha đẻ lý thuyết lại đồng nghiệp Hawking Cambrige Lý thuyết dây dù lý thuyết xây dựng đến ngày chưa chấp nhận hoàn toàn Vậy sao? Thật mà nói lý thuyết thứ khơng đúng, lẽ định nghĩa lý thuyết dùng để tiên đoán tượng Nếu chúng tiên đốn nhiều tượng thực tế chúng tin dụng cần tượng khơng tiên đốn chúng cần sửa chửa khơng sụp đổ hồn tồn Đều thuyết dây điểm khác biệt thuyết dây chưa tiên đoán tương gần với thực Điều gây nhiều tranh cãi, lẽ vật lý môn khoa học thực nghiệm Chính lý thuyết dây lại đưa tiên đốn xa vời thực tế khách quan mà cơng nghệ chưa kiểm chứng Vì lý thuyết dây lý thuyết xa vời Nhưng điều thú vị tượng tiên đoán lại cách tiếp cận hiệu thời điểm Các chiều không gian khác có tồn hay khơng ? Và câu chuyện bí ẩn người vơ danh : Một điều độc lạ cha đẻ thuyết dây cố tìm cách để giải thích điều vơ lý, lý thuyết dây họ cần phải giả sử tồn thêm chiều không gian khác Và nay, lý thuyết dây tiên đốn có đến 11 chiều khơng gian tồn Thật cách nhận có thêm chiều không gian khác tồn đưa lâu từ thời Eistein Vào năm 1920, Eistein vừa công bố thuyết tương đối rộng , theo câu chuyện bí ẩn kể lại rằng, có nhà tốn học vơ danh gửi đến nhà Eistein vài tờ giấy ghi cách tính tốn tun bố ơng ta chứng minh tồn thêm chiều khơng gian khác ngồi chiều mà Eistein đề cập Ơng ta nói chiều không gian không nằm đâu khác xa, mà sợi dây không – thời gian Bởi lẽ chúng nhỏ nên không để ý đến không nhận tồn Do nhà tốn học đến nên Eistein bỏ qua khơng xem xét Đây cách hình dung sau lại vậy: KẾT LUẬN: vật lý trải qua hành trình dài kể từ thời cổ đại Từ quan niệm cho trái đất phẳng cõng lưng vị thần, có người Ai Cập kể lại có người bị rơi ngồi rìa trái đất Cho đến định luật hấp dẫn Newton đưa ra, sử dụng hiệu đến tận ngày Đến lý thuyết tương đối Eistein giải thích cách tổng quát chuyển động hành tinh, sao, đến quy luật học lượng tử - lý giải cách vận động loại hạt nhỏ bé mà không hiểu nổi,… Có thể nói kỷ 21 giai đoạn mùi nhất, lẽ tranh vẻ đẹp vật lý hoàn tất, thiếu mảnh ghép cuối cùng.Đó lý thuyết cuối để thống thuyết tương đối( lý giải cho giới vĩ mô )và thuyết học lượng tử( lý giải cho giới vi mơ), lý thuyết giải thích thứ đời này- thuyết vạn vật-THEORY OF EVERYTHING NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ... DỤNG VỀ MẶT LÝ THUYẾT CỦA THUYẾT TƯƠNG ĐỐI TỔNG QUÁT Phần đặt biệt: Những vấn đề cộm xung quanh thuyết tương đối vật lý đại( nhóm sưu tầm biên soạn): Tranh cãi người tìm thuyết tương đối Lorentz... dừng lại thuyết tương đối hẹp mà tiếp tục nảy ý tưởng lý thuyết tổng quát Tất có nguyên Câu trả lời tơi giải thích Mặc dù thuyết tương đối hẹp phù hợp tốt với định luật điện từ khơng tương thích.. .Thuyết Tương Đối Lý thuyết gây chấn động vật lý I/ Thuyết tương đối hẹp Tiên đề 1: tốc độ ánh sáng có giá trị bất biến hệ quy chiếu quán tính Tiên đề 2: Tất định luật có dạng hệ quy chiếu