thuyết tơng đối hẹp của eistein
2.1.2Hiện tợng tinh sa
Giả sử có một ngôi sao ở đỉnh đầu, khi muốn quan sát ngôi sao đó ngời ta không cần hớng ống kính thiên văn vuông góc với mặt đất mà hớng kính lệch đi góc so với phơng nằm ngang
Góc α đợc xác định bằng điều kiện tgα = α =c/v. Hiện tợng này đ- ợc giải thích bằng thuyết ête đứng yên: trong ête đứng yên ánh sáng truyền từ S đến A với vận tốc bằng c và bắt đầu đi vào vật kính, sau đó truyền theo AB’ trong thời gian t: AB’ = c.t
Trong khoảng thời gian đó thị kính đã di chuyển đợc một đọan bằng v.t (v là vận tốc dài của trái đất trong vũ trụ). Để ánh sáng từ A rơi đúng đợc vào thị kính B thì BB’ = v.t Từ đó ta suy ra: tgα =α = c/v
Công thức thu đợc phù hợp với thực nghiệm và phù hợp với giả thtuyết coi ête là đứng yên khi trái đất chuyển động hay nói cách khác ête đứng yên hòn toàn không bị các chuyển động kéo theo.
Qua hiện tợng tinh sai và thí nghiêm Fizeau ta nhận thấy xuất hiện một mâu thuẫn nội tại trong lí thuyết: khi thì coi ête đứng yên hoàn toàn cùng với chuyển động, khi thì coi ête bị kéo theo một phần. Còn có tính chất nào của ête nữa không?
2.1.3 Thí nghiệm Michelson- Moriley
Mục đích cuả thí nghiệm Michelson-Moriley là nhằm phát hiện ra sự chuyển động của trái đất trong môi trờng ête vũ trụ. T tởng về thí nghiệm phát hiện chuyển động tuyệt đối của Trái đất đã đợc Maxwell đề xuất với nghuyên tắc nh nguyên tắc của thí nghiệm Fizeau. Biết rằng trái đất chuyển động với vận tốc 30km/s. vì ête đợc coi là đứng yên tuyệt đối nên lấy Trái đất làm hệ quy chiếu thì có thể coi nh có một luồng gió ête có vận tốc 30km/s thổi song song với mặt đất. Cho ánh sáng truyền cùng chiều và ngợc chiều gió ête, sau đó so sánh vận tốc ánh sáng truyền theo hai chiều ngợc đó ta có thể rút ra vận tốc của chuyển động của trái đất ở thời điểm thí nghiệm.
Xuất phát từ t tởng của Maxwell, Michelson-Moriley đã thực hiện thí nghiệm năm 1881, tuy
nhiên ông đã không tìm thấy sự khác nhau của vận tốc ánh sáng. Năm 1887 Michelson-Moriley đã thực hiện thí nghiệm bằng những dụng cụ và phơng tiện chính xác. Sơ đồ thí nghiệm đợc mô tả ở hình vẽ (Hình 2.3). Tia sáng xuất phát từ nguồn S đến gơng nửa phản xạ P. Tại P một phần xuyên qua P và một phần phản xạ từ P. Tia
xuyên qua P đến gặp gơng phản xạ A nên tia PA bị phản xạ tại A (bố trí thí nghiệm sao cho phơng PA cùng phơng với gió ête). Vì vậy trên phơng PA tia sáng một lần đi cùng chiều và một lần đi ngợc chiều với gió ête (v là vận tốc gió ête) tia phản xạ tại P gặp gơng B và bị phản xạ tại B trên đoạn PB tia sáng luôn vuông góc với gió ête. Sau khi phản xạ tại A và B, một lần của tia AP phản xạ taị P’ một phần của tia BP xuyên qua P. Hai tia phản xạ và xuyên qua P lần này cũng rơi vào ống kính T. Ngời ta đánh dấu hệ vân giao thoa thu đơc. Sau đó quay bộ thí nghiệm đi đến 90˚ sao cho PB trở thành cùng phơng còn PA thì vuông góc với gió ête. Ngời ta lại quan sát hệ vân giao thoa mới thu đợc. Nếu gió ête là có thực thì từ các phép tính ngời ta thấy rằng hai hệ vân giao thoa phải lệch nhau một khoảng cách nào đó. Nhng kết quả thí nghiệm Michelson-Moriley lại cho thấy rằng hai hệ vân giao thoa hoàn toàn trùng nhau. Để giải thích thí nghiệm này ngời ta đã coi rằng khi Trái đất chuyển động lớp ête gần mặt đất bị kéo theo hoàn toàn với mặt đất. Nếu ête bị kéo theo hoàn toàn thí nghiệm đợc coi nh tiến hành trong điều kiện không có gió ête. Vì vậy, ánh sáng truyền theo mọi hớng đều nh nhau nên hệ vân gioa thoa không bị dịch chuyển. Nh vậy nếu coi ête bị kéo theo hoàn toàn thì giải thích đợc kết quả thí nghiệm Michlson-Moriley nhng nó lại là cho những mâu thuẫn nội tại của lí thuyết càng trở nên trầm trọng. Hiện tợng tinh
sai càng chứng tỏ rằng ête không bị kéo theo. Thí nghiệm Fizeau lại chứng tỏ rằng ête bị kéo theo một phần, còn thí nghiệm Michelson-Moriley chứng tỏ rằng ête bị kéo theo hoàn toàn cùng với mặt đất. Thí nghiệm Michelson- Moriley đã đợc thực hiện nhiều lần với những dụng cụ có độ chính xác cao. Năm 1960 tại trờng đại hoc Colômbia, Saclo Taunxơ đã dùng những thành tựu mới nhất của vật lí lúc ấy là Made, nhng dụng cụ chính xác đó cũng không phát hiện ra gió ête, mặc dù nó có thể phát hiện ra gió ête dù yếu chỉ bằng 1/ 1000 giá trị giả thiết.
Nh vậy cuối thế kỉ XIX đầu thế kỉ XX Vật lí học đã gặp những khó khăn nghiêm trọng. Trong số ngững khó khăn đó nổi lên hàng đầu là giải thích kết quả thí nghiêm Michelson-Moriley. Điều đó cần đến sự ra đời của một thuyết mới để giải quyết các mâu thuẫn nói trên, và thuyết tơng đối Einstein ra đời vào năm 1905.
2.2 Thuyết tơng đối hẹp của Einstein
Trớc Einstein thì Phitgieren và Lorentz, cũng đã tìm cách giải thích kết quả của thí nghiệm Michelson-Moriley nhng lúc bấy giờ lí thuyết của hai ông đợc coi là hết sức kì quặc. Vì vậy mà lí thuyết đó không đợc ai công nhận.
Phitgieren cho rằng khoảng cách giữa hai điểm không phải là bất biến. Một vật đặt trong gió ête sẽ bị áp suất của ête tác dụng lên vật. Vì vậy vật bị co ngắn lại theo phơng chuyển động (phơng của gió ête). Còn các phơng khác kích thớc của vật không thay đổi.
áp dụng quan sát điểm này vào sơ đồ thí nghiệm (hình 2.3) thì quãng đờng truyền ánh sáng theo phơng PA sẽ bị co ngắn lại so với khi không có
gió ête với hệ số co ngắn chiều dài là:
22 2 1 c v − , trong đó c là vận tốc ánh sáng
trong chân không. Với quan điểm này Phigieren có thể giải thích đợc kết quả thí nghiệm Michelson-Moriley.
Lorentz cũng đa ra lí thuyết tơng tự: giả thuyết co ngắn chiều dài. Lorentz còn đa ra giả thuyết rằng, dới tác dụng của gió ête các đồng hồ chuyển động theo phơng thức của gió ête cũng chạy chậm lại.
Năm 1905, Einstein công bố bài báo đầu tiên của mình và sau đó là một số ý kiến giải thích về nhiều vấn đề, từ đó những khó khăn trong ngành Vật lí học mới đợc giải quyết.
Đối với vấn đề gió ête Einstein khẳng định là không có. Einstein cũng tán thành quan điểm của cơ học Newton rằng chuyển động là có tính tơng đối.
Những khó khăn mâu thuẫn trong lý thuyết đợc giải thích dựa vào hai tiên đề mà Einstein nêu ra trong thuyết tơng đối hẹp.
Tiên đề 1: Nguyên lí tơng đối Einstein :
Các quy luật của tự nhiên và các kết quả của tất cả các thí nghiệm tiến hành trong một hệ quy chiếu nào đó không phụ thuộc vào trạng thái chuyển động thẳng đều của hệ quy chiếu đó.
Hay có thể hiểu một cách đơn giản rằng các hiện tợng Vật lí diễn ra nh nhau trong các hệ quy chiếu quán tính.
Tiên đề 2: Tiên đề về tính không đổi của vận tốc ánh sáng
Vận tốc ánh sáng không phụ thuộc vào trạng thái chuyển động của nguồn ánh sáng hay vận tốc của ánh sáng có giá trị nh nhau trong mọi hệ quy chiếu quán tính.
Tiên đề Einstein đã làm loé lên một gây ra mâu thuẫn trong quan điểm về thời gian. Cơ học Newton cho rằng thời gian là tuyệt đối còn lí thuyết t- ơng đối coi thời gian là đại lợng tơng đối, thời gian phụ thuộc vào hệ quy chiếu. Điều này đợc thể hiện rõ qua
ví dụ sau:
Giả sử tại thời điểm ban đầu thì t = t’ = 0, gốc hai hệ toạ độ O và O’ trùng nhau, vào lúc đtia sáng tại gốc chung của hai hệ toạ độ.Sau thời gian t =0 ánh sáng truyền đi theo mọi phơng và mặt đầu ánh sáng là mặt cầu bán kính R = c.t (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Theo quan điểm của cơ học Newton thì tại thời điểm t ngời ta quan sát ở O và O’ đều thấy đầu sóng
là mặt cầu tâm O (cả hai ngời quan sát ở O và O’ đều thấy mặy đầu sóng đồng thời truyền đến 2 điểm M, N).
Theo lí thuyết tơng đối thì ngời quan sát ở O và O’ đều thấy mặt đầu ánh sáng là các mặt cầu nhng tâm
của chúng không trùng nhau. Đối với ngời quan sát ở O mặt đầu ánh sáng là mặt cầu bán kính R = c.t tâm ở O. Đối với ngời quan sát ở O’ thì mặt đầu ánh sáng là mặt cầu có bán kính R’ = c.t’ và tâm ở O’. Đó chính là điều vô lí đối với cơ học Newton. Bởi vì với ngời quan sát ở O thì mặt đầu ánh áng đồng thời truyền đến 2 diểm M, N trong khi đó đối với ngời A sát ở O, thì mặt đầu ánh sáng lại đồng thời truyền đến 2 điểm N’ (hình 2.5) Nh vậy đã đến hai sự kiện đồng thời trong hai hệ này lại không phải
là hai sự kiện đồng thời trong hai hệ kia. Đó chính là điều vô lý theo quan diểm của cơ học Newton. Nó phải đợc hiểu theo quan điểm của lý thuyết t- ơng đối.