CHƢƠNG 3 : TÍNH BẤT ĐỊNH CÁC ĐỊNH LUẬT VẬT LÝ
1. Thuyết tƣơng đối hẹp Einstein
Thuyết tƣơng đối hẹp Einstein là một môn cơ học tổng quát, áp dụng cho các vật chuyển động với vận tốc từ rất bé cho đến cỡ vận tốc ánh sáng và coi cơ học Newton nhƣ một trƣờng hợp giới hạn của mình. Chƣơng này nghiên cứu các tiên đề của thuyết tƣơng đối hẹp Einstein, phép biến đổi Lorentz cùng các hệ quả của nó và động lực học tƣơng đối tính của chất điểm chuyển động.
Cơ học Newton đã đạt đƣợc nhiều thành tựu to lớn trong suốt hai thế kỷ đến nỗi nhiều nhà vật lý trong thế kỷ XIX đã cho rằng việc giải thích một hiện tƣợng vật lý bất kỳ đều có thể thực hiện đƣợc bằng cách đƣa nó về một quá trình cơ học tuân theo các định luật Newton. Tuy nhiên với sự phát triển của khoa học ngƣời ta đã phát hiện ra các hiện tƣợng mới không nằm trong phạm vi của cơ học cổ điển. Chẳng hạn, ngƣời ta đã gặp những vật chuyển động nhanh với vận tốc vào cỡ vận tốc ánh sáng trong chân không (c = 3.108 m/s). Khi đó xuất hiện sự mâu thuẫn với các quan điểm của cơ học Newton, cụ thể là không gian, thời gian và vật chất phụ thuộc vào chuyển động, chứ không phải độc lập với chuyển động nhƣ Newton quan niệm. Ngƣời ta nhận xét rằng cơ học Newton chỉ đúng đối với các vật chuyển động với vận tốc nhỏ hơn vận tốc ánh sáng trong chân không rất nhiều. Để mô tả sự chuyển động với vận tốc so sánh đƣợc với vận tốc ánh sáng, Einstein đã xây dựng môn cơ học tƣơng đối tính, gọi là thuyết tƣơng đối hẹp, vào năm 1905.
Sự đúng đắn của thuyết tƣơng đối hẹp Einstein cho đến nay không cần bàn cãi gì nữa vì nó đã đƣợc thử thách qua vô số thí nghiệm trong suốt thế kỷ qua. Hiện nay nó trở thành tiêu chuẩn để đánh giá sự đúng đắn của mọi thí nghiệm vật lý. Nếu một thí nghiệm nào đó mà kết quả mâu thuẫn với thuyết tƣơng đối hẹp thì các nhà vật lý không đặt vấn đề nghi ngờ thuyết tƣơng đối mà mặc nhiên khẳng định rằng trong thí nghiệm đặt ra có cái gì đó chƣa ổn. Thuyết tƣơng đối hẹp Einstein xây dựng trên hai nguyên lý là nguyên
lý tương đối Einstein và nguyên lý bất biến của vận tốc ánh sáng. Hai nguyên lý đó phát
biểu nhƣ sau:
- Nguyên lý tƣơng đối Einstein: Mọi định luật vật lý đều như nhau trong các hệ quy chiếu quán tính.
- Nguyên lý về sự bất biến của vận tốc ánh sáng: Vận tốc ánh sáng trong chân không đều bằng nhau theo mọi phương và đối với mọi hệ qui chiếu quán tính. Nó có giá trị c =
3.108 m/s và là giá trị vận tốc cực đại trong tự nhiên.
Nguyên lý tƣơng đối Einstein là sự mở rộng của nguyên lý tƣơng đối Galilée.
x
y y’
z
z’
rộng ra cho tất cả các định luật vật lý nói chung. Theo Einstein thì tất cả các định luật
của tự nhiên là như nhau trong tất cả các hệ quy chiếu quán tính. Vậy nguyên lý tƣơng
đối Einstein đã mở rộng nguyên lý tƣơng đối Galilée từ các hiện tượng cơ học sang các
hiện tượng vật lý nói chung.
Nguyên lý về sự bất biến của vận tốc ánh sáng phản án rõ ràng sự khác nhau về vận tốc tƣơng tác trong hai lý thuyết cổ điển và tƣơng đối. Trong lý thuyết tƣơng đối, vận tốc truyền tƣơng tác là hữu hạn và nhƣ nhau trong tất cả các hệ quy chiếu quán tính. Thực nghiệm chứng tỏ vận tốc không đổi này là cực đại và bằng vận tốc ánh sáng trong chân không c = 3.108
m/s. Trong cơ học Newton, quan niệm sự tƣơng tác giữa các vật là tức thời, tức vận tốc tƣơng tác là vô cùng. Điều này giải thích đƣợc do vận tốc trong cơ học cổ điển có giá trị rất bé, v << c. Vì vậy vận tốc ánh sáng có thể coi là lớn vô cùng trong cơ học cổ điển. Nhƣ vậy về mặt hình thức có thể chuyển từ thuyết tƣơng đối Einstein sang cơ học Newton bằng cách cho c → ∞ trong các công thức của cơ học tƣơng đối tính.[4]
2. MỘT SỐ HỆ QUẢ CỦA THUYẾT TƢƠNG ĐỐI HẸP 2.1 Phép biến đổi Lorentz