2.1 Sự ra đời của thuyết tơng đối hẹp Eistein
Vật lí học vào thời kỳ trớc khi thuyết tơng đối ra đời đã đạt đợc nhiều thành tựu to lớn. Đặc biệt là cơ học Newton và thuyết điện từ Maxwell. Cùng với những thành tựu đã đạt đợc thì vật lí cũng gặp phải những mâu thuân trong các lí thuyết khi tiến hành giải thích hiện tợng tinh sai, thí nghiệm Fizeau, thí nghiệm Michelson-Moriley. Để giải quyết mâu thuẫn trên phải cần tới sự ra đời một thuyết vật lí mới
Cơ học Newton khẳng định rằng, khi nói tới đứng yên hay chuyển động bao giờ cũng phải gắn với một vật nào đó, gọi là vật quy chiếu hay là hệ quy chiếu. Chẳng hạn nếu lấy ôtô chuyển động làm hệ quy chiếu thì hành khách trong xe ở trạng thái đứng yên, nhng nếu lấy bến xe làm hệ quy chiếu thì ngời hành khách đó lại đang trong trạng thái chuyển động.
Từ kết quả này suy ra chuyển động của vật bao giờ cũng đợc mô tả trong hệ quy chiếu xác định. Đối với cá hệ quy chiếu khác nhau thì chuyển đọng sẽ diễn ra khác nhau. Ví dụ một hành khách ngồi yên trên một xe đang chuyển động đều trên một đờng thẳng thì đối với một ngời đứng yên trên quỹ đạo chuyển động của hành khách đó là một đờng thẳng, trên đó hành khách chuyển động không có gia tốc. Nhng cũng chiếc xe đó đối với một ngời đang
đi trên một đoạn đờng vòng thì quỹ đạo của khách lúc này là một đờng cong, và chuyển động của hành khách lúc này có gia tốc. Bây giờ nếu xét chuyển động của hành khách đối với ngời thứ ba đang đi xe đạp, xe đạp chuyển động thẳng đều so với ngời đang đứng yên trên đờng, khi đó chuyển động của hành khách trên ôtô là chuyển động theo quỹ đạo thẳng và không có gia tốc
Theo ngôn ngữ của cơ học thì ở đây ta đã xét chuyển động của một vật đối với ba hệ quy chiếu khác nhau. Đối với hệ quy chiếu thứ nhất và thứ ba thì chuyển động của vật vẫn là chuyển động thẳng đều, nghĩa là quy luật chuyển động của vật trong hai hệ quy chiếu đó là nh nhau. Hai hệ quy chiếu này đợc gọi là hệ quy chiếu quán tính. Các hệ quy chiếu quán tính chuyển động thẳng đều với nhau. Quy luật chuyển động của vật nh nhau trong các hệ quy chiếu quán tính .
Từ sự nghiên cứu, khảo sát chuyển động chuyển động của vật trong các hệ quy chiếu quán tính, Gallilê đã đa ra giả thuyết gọi là nguyên lí Galilê mà ta đã xét ở chơng I.
Đến giữa thế kỷ XIX thuyết trờng điện từ của Maxwell ra đời đã tiên đoán rằng trờng điện từ cũng lan truyền trong không gian duới dạng sóng, gọi là sóng điện từ. Tiên đoán này đợc Hetz chứng minh bằng thực nghiệm dẫn đến sự thắng lợi hoàn toàn của lý thuyết sóng điện từ.
Dựa vào lý thuyết của mình Maxwell đã tính ra vận tốc truyền sóng điện từ, nó có giá trị bằng giá trị của vận tốc ánh sáng thu đợc bằng thực nghiệm. Từ đó Maxwell đa ra giả thuyết rằng ánh sáng cũng là sóng điện từ. Lý thuyết điện từ không phải là lý thuyết cơ học, nó vợt ngoài phạm vi cơ học. Nhng vào thời kì bấy giờ những quan điểm cơ học Newton còn đang giữ địa vị độc tôn. Vì vậy ngời ta đã cố giải thích lý thuyết Maxwell và những lý thuyết khác theo quan điểm cơ học. Điều đó đã dẫn đến sự xuất hiện môi tr- ờng mới (thuật ngữ mới) đó là ête ánh sáng (môi trờng đàn hồi để truyền ánh sáng) và ête từ (môi trờng đàn hồi để truyền sóng điện từ).
Và khi coi ánh sáng là sóng điện từ thì ête ánh sáng và ête từ đợc coi là đồng nhất và gọi là ête vũ trụ.
Theo tính toán thì ête vũ trụ có những tính chất khó hiểu ví dụ nh môi tr- ờng đó phải là môi trờng trong suốt, thấm vào mọi vật nhng lại có khối lợng rất lớn.
Sau đây ta đi tìm hiểu các tính chất của ête vũ trụ để xem môi trờng đó có thật sự tồn tại hay không? Ta tiến hành nghiên cứu các thí nghiệm sau:
2.1.1 Thí nghiệm Fizeau
Đây là thí nghiệm đo vận tốc của ánh sáng trong dòng nứơc. Sơ đồ thí nghiệm nh (hình 2.1)
Tia sáng SA xuất phát từ nguồn S tới gặp một mặt g- ơng phản xạ bán phần tại A. Tại đó SA tách thành hai tia kết hợp truyền theo hai đờng khác nhau đó là: ABCDAG và ÂDCBAG (tại B, C, D có các gơng phản xạ) rồi cùng đi tới
giao thoa kế taị G. Trên đờng đi mỗi tia sáng phải truyền hai lần qua nớc đang chuyển động với vận tốc V trong một ống uốn gấp khúc, một tia truyền theo chiều v (v là vận tốc của dòng nớc), một tia truyền theo chiều ngợc lại. Do đó thời gian truyền của hai tia lệch nhau và tại G có hiện tợng giao thoa ánh sáng. Biết hình ảnh giao thoa tại G có thể tính đợc hiệu thời gian ∆t của hai tia. Xác định đợc ∆t có thể tính đợc vận tốc truyền ánh sáng theo chiều xuôi và ngợc so với chuyển động của dòng nớc.
Nếu gọi vận tốc của ánh sáng trong chân không là c, chiết suất của nớc là n thì vận tốc của ánh sáng trong nớc đứng yên là c/n. Theo công thức cộng
vận tốc cổ điển thì vận tốc ánh sáng trong nớc là: v n