Khong gian va thoi gian

Tags: Khong gian va thoi gian, van toc anh sang, thuyet tuong doi rong, ly thuyet tuong doi, nguoi quan sat, trong khong gian, duoc goi la, mot su kien, chung ta, nguoi ta, doi voi, cac vat, vi tri, dinh luat, newton


Khong gian va thoi gian
Nhung y niem cua chung ta hien nay ve chuyen dong cua cac vat bat nguon tu Galileo va Newton. Truoc ho, nguoi ta tin Aristotle, nguoi da noi trang thai tu nhien cua mot vat la dung yen va no chuyen dong chi duoi tac dung cua mot luc hoac mot xung luc. Tu do suy ra rang vat nang se roi nhanh hon vat nhe boi vi no co mot luc keo xuong dat lon hon.

Truyen thong Aristotle cung cho rang nguoi ta co the rut ra tat ca nhung dinh luat dieu khien vu tru chi bang tu duy thuan tuy, nghia la khong can phai kiem tra bang quan sat. Nhu vay, cho toi tan Galileo khong co ai ban khoan thu quan sat xem co thuc la cac vat co trong luong khac nhau se roi voi van toc khac nhau hay khong. Nguoi ta ke rang Galileo da chung minh niem tin cua Aristotle la sai bang cach tha nhung vat co trong luong khac nhau tu thap nghieng Pisa.

Cau chuyen nay chac han la khong co that, nhung Galileo da lam mot viec tuong duong: ong tha nhung vien bi co trong luong khac nhau tren mot mat phang nghieng nhan. Tinh huong o day cung tuong tu nhu tinh huong cua cac vat roi theo phuong thang dung nhung co dieu no de quan sat hon vi van toc cua cac vat nho hon. Cac phep do cua Galileo chi ra rang cac vat tang toc theo mot nhip do nhu nhau bat ke trong luong cua chung bang bao nhieu. Vi du, neu ban tha mot vien bi tren mot mat phang nghieng co do nghieng sao cho cu 10m doc theo mat phang co do cao giam 1m, thi vien bi se lan xuong voi van toc 1m/s sau mot giay, 2m/s sau 2 giay... bat ke vien bi nang nhe the nao. Tat nhien, vien bi bang chi se roi nhanh hon mot chiec long chim, nhung chiec long bi lam cham lai chi vi suc can khong khi, con neu tha hai vat khong chiu nhieu suc can khong khi ty du nhu hai vien bi deu bang chi, nhung co trong luong khac nhau, thi chung se roi nhanh nhu nhau.

Tren Mat trang noi khong co khong khi de lam cham chuyen dong cua cac vat roi, nha du hanh vu tru David R. Scott da tien hanh mot thuc nghiem voi long chim va thoi chi va tim thay rang, qua that, chung roi xuong dat cung mot luc.

Nhung phep do cua Galileo da duoc Newton su dung lam co so cho cac dinh luat ve chuyen dong cua ong. Trong nhung thuc nghiem cua Galileo, khi mot vat lan tren mat phang nghieng, no luon luon chiu tac dung cua cung mot luc (la trong luc cua no) va ket qua la lam cho van toc cua no tang mot cach deu dan. Dieu do chung to rang hau qua thuc su cua mot luc la luon luon lam thay doi van toc cua vat, chu khong phai la lam cho no chuyen dong nhu nguoi ta nghi truoc do. Dieu nay cung co nghia la bat cu khi nao vat khong chiu tac dung cua mot luc nao thi no van tiep tuc chuyen dong thang voi cung mot van toc. Y tuong nay da duoc phat bieu mot cach tuong minh lan dau tien trong cuon Principia Mathematica (Cac nguyen ly toan hoc) duoc Newton cong bo nam 1687 va sau nay duoc biet nhu dinh luat thu nhat cua Newton. Dinh luat thu hai cua Newton cho biet dieu gi se xay ra doi voi mot vat khi co luc tac dung len no. Dinh luat nay phat bieu rang vat se co gia toc, hay noi cach khac la se thay doi van toc, ty le voi luc tac dung len no. (Vi du, gia toc se tang gap doi, neu luc tac dung tang gap doi). Gia toc cung se cang nho neu khoi luong (luong vat chat) cua vat cang lon. (Cung mot luc tac dung len vat co khoi luong lon gap hai lan se tao ra mot gia toc nho hon hai lan). Mot vi du tuong tu lay ngay tu chiec o to: dong co cang manh thi gia toc cang lon, nhung voi cung mot dong co, xe cang nang gia toc cang nho.

Ngoai nhung dinh luat ve chuyen dong, Newton con phat minh ra dinh luat ve luc hap dan. Dinh luat nay phat bieu rang moi vat deu hut mot vat khac voi mot luc ti le voi khoi luong cua moi vat. Nhu vay luc giua hai vat se manh gap doi neu mot trong hai vat (vi du vat A) co khoi luong tang gap hai. Day la dieu ban can phai trong doi boi vi co the xem vat moi A duoc lam tu hai vat co khoi luong ban dau, va moi vat do se hut vat B voi mot luc ban dau. Nhu vay, luc tong hop giua A va B se hai lan lon hon luc ban dau. Va neu, vi du, mot trong hai vat co khoi luong hai lan lon hon va vat kia co khoi luong ba lan lon hon thi luc tac dung giua chung se sau lan manh hon. Bay gio thi ta co the hieu tai sao cac vat lai roi voi mot gia toc nhu nhau: mot vat co trong luong lon gap hai lan se chiu mot luc hap dan keo xuong manh gap hai lan, nhung no lai co khoi luong lon gap hai lan. Nhu vay theo dinh luat hai Newton ket qua nay bu tru chinh xac cho nhau, vi vay gia toc cua cac vat la nhu nhau trong moi truong hop.

Dinh luat hap dan cua Newton cung cho chung ta biet rang cac vat cang o xa nhau thi luc hap dan cang nho. Vi du, luc hap dan cua mot ngoi sao dung bang mot phan tu luc hut cua mot ngoi sao tuong tu nhung o khoang cach giam di mot nua. Dinh luat nay tien doan qui dao cua Trai dat, Mat trang va cac hanh tinh voi do chinh xac rat cao. Neu dinh luat nay khac di, chang han, luc hap dan cua mot ngoi sao giam hoac tang theo khoang cach nhanh hon, thi qui dao cua cac hanh tinh khong con la hinh elip nua, ma chung se la nhung duong xoan oc ve phia Mat troi hoac chay ra xa Mat troi. Neu luc do lai giam cham hon, thi luc hap dan tu cac ngoi sao xa se lan at luc hap dan tu Trai dat.

Su khac biet to lon giua nhung tu tuong cua Aristotle va nhung tu tuong cua Galileo va Newton la o cho Aristotle tin rang trang thai dung yen la trang thai duoc “ua thich” hon cua moi vat – moi vat se lay trang thai do neu khong co mot luc hoac xung luc nao tac dung vao no. Dac biet, ong cho rang Trai dat la dung yen. Nhung tu nhung dinh luat cua Newton suy ra rang khong co mot tieu chuan don nhat cho su dung yen. Nguoi ta hoan toan co quyen nhu nhau khi noi rang vat A la dung yen va vat B chuyen dong voi van toc khong doi doi voi vat A hoac vat B la dung yen va vat A chuyen dong. Vi du, neu tam gac ra mot ben chuyen dong quay cua Trai dat quanh truc cua no va chuyen dong cua no xung quanh Mat troi, nguoi ta co the noi rang Trai dat la dung yen va doan tau tren no chuyen dong ve phia Bac voi van toc 90 dam mot gio hoac doan tau la dung yen con Trai dat chuyen dong ve phia Nam cung voi van toc do. Neu nguoi ta tien hanh nhung thi nghiem cua chung ta voi cac vat chuyen dong tren con tau do thi tat ca cac dinh luat cua Newton van con dung. Vi du, khi danh bong ban tren con tau do, nguoi ta se thay rang qua bong van tuan theo cac dinh luat cua Newton het nhu khi ban bong dat canh duong ray. Nhu vay khong co cach nao cho phep ta noi duoc la con tau hay Trai dat dang chuyen dong.

Viec khong co mot tieu chuan tuyet doi cho su dung yen co nghia la nguoi ta khong the xac dinh duoc hai su kien xay ra o hai thoi diem khac nhau co cung o mot vi tri trong khong gian hay khong. Vi du, gia su qua bong ban tren con tau nay len va roi xuong cham ban o cung mot cho sau khoang thoi gian 1 giay. Doi voi nguoi dung canh duong ray thi hai lan cham ban do xay ra o hai vi tri cach nhau 40m vi con tau chay duoc quang duong do trong khoang thoi gian giua hai lan qua bong cham ban. Su khong ton tai su dung yen tuyet doi, vi vay, co nghia la nguoi ta khong the gan cho mot su kien mot vi tri tuyet doi trong khong gian, nhu Aristotle da tam niem. Vi tri cua cac su kien va khoang cach giua chung la khac nhau doi voi nguoi o tren tau va nguoi dung canh duong ray va chang co ly do gi de thich nhung vi tri cua nguoi nay hon vi tri cua nguoi kia.

Newton la nguoi rat ban khoan ve su khong co vi tri tuyet doi, hay nhu nguoi ta van goi la khong co khong gian tuyet doi, vi dieu do khong phu hop voi y niem cua ong ve Thuong de tuyet doi. Thuc te, Newton da choi bo, khong chap nhan su khong ton tai cua khong gian tuyet doi, mac du tham chi dieu do da ngam chua trong nhung dinh luat cua ong. Ong da bi nhieu nguoi phe phan nghiem khac vi niem tin phi li do, ma chu yeu nhat la boi Giam muc Berkeley, mot nha triet hoc tin rang moi doi tuong vat chat va ca khong gian lan thoi gian chi la mot ao anh. Khi nguoi ta ke cho tien si Johnson noi tieng ve quan diem cua Berkeley, ong da keu lon: “Toi se bac bo no nhu the nay nay!” va ong da ngon chan cai ong vao mot hon da lon.

Ca Aristotle lan Newton deu tin vao thoi gian tuyet doi. Nghia la, ho tin rang nguoi ta co the do mot cach dang hoang khoang thoi gian giua hai su kien, rang thoi gian do hoan toan nhu nhau du bat ky ai tien hanh do no, mien la ho dung mot chiec dong ho tot. Thoi gian hoan toan tach roi va doc lap voi khong gian. Do la dieu ma nhieu nguoi xem la chuyen thuong tinh. Tuy nhien, chung ta phai thay doi nhung y niem cua chung ta ve khong gian va thoi gian. Mac du nhung quan niem thong thuong do cua chung ta van co ket qua tot khi de cap den cac vat nhu qua tao hoac cac hanh tinh la nhung vat chuyen dong tuong doi cham, nhung chung se hoan toan khong con dung duoc nua doi voi nhung vat chuyen dong voi van toc bang hoac gan bang van toc anh sang.

Nam 1676, nha thien van hoc Dan Mach Ole Christensen Roemer la nguoi dau tien phat hien ra rang anh sang truyen voi van toc huu han, mac du rat lon. Ong quan sat thay rang thoi gian de cac mat trang cua Moc tinh xuat hien sau khi di qua phia sau cua hanh tinh do khong cach deu nhau nhu nguoi ta cho doi, neu cac mat trang do chuyen dong vong quanh Moc tinh voi van toc khong doi. Vi Trai dat va Moc tinh deu quay xung quanh Mat troi, nen khoang cach giua chung thay doi. Roemer thay rang su che khuat cac mat trang cua Moc tinh xuat hien cang muon khi chung ta cang o xa hanh tinh do. Ong ly luan rang dieu do xay ra la do anh sang tu cac mat trang do den chung ta mat nhieu thoi gian hon khi chung ta o xa chung hon. Tuy nhien, do nhung phep do cua ong ve su bien thien khoang cach giua Trai dat va Moc tinh khong duoc chinh xac lam, nen gia tri van toc anh sang ma ong xac dinh duoc la 140.000 dam/s, trong khi gia tri hien nay do duoc cua van toc nay la 186.000 dam/s (khoang 300.000 km/s). Du sao thanh tuu cua Roemer cung rat dang ke, khong chi trong viec chung minh duoc rang van toc cua anh sang la huu han ma ca trong viec do duoc van toc do, dac biet la no lai duoc thuc hien 11 nam truoc khi Newton cho xuat ban cuon Principia Mathematica.

Mot ly thuyet dich thuc ve su truyen anh sang phai mai toi nam 1865 moi ra doi, khi nha vat ly nguoi Anh James Clerk Maxwell da thanh cong thong nhat hai ly thuyet rieng phan cho toi thoi gian do van duoc dung de mo ta rieng biet cac luc dien va tu. Cac phuong trinh cua Maxwell tien doan rang co the co nhung nhieu dong giong nhu song trong mot truong dien tu ket hop, rang nhung nhieu dong do se duoc truyen voi mot van toc co dinh giong nhu nhung gon song tren ho nuoc. Neu buoc song cua nhung song do (khoang cach giua hai dinh song lien tiep) la mot met hoac lon hon, thi chung duoc goi la song radio (hay song vo tuyen). Nhung song co buoc song ngan hon duoc goi la song cuc ngan (voi buoc song vai centimet) hoac song hong ngoai (voi buoc song lon hon muoi phan ngan centimet). Anh sang thay duoc co buoc song nam giua bon muoi phan trieu den tam muoi phan trieu centimet. Nhung song co buoc song con ngan hon nua la tia tu ngoai, tia - X va cac tia gamma.

Ly thuyet cua Maxwell tien doan cac song vo tuyen va song anh sang truyen voi mot van toc co dinh nao do. Nhung ly thuyet cua Newton da gat bo khai niem dung yen tuyet doi, vi vay neu anh sang duoc gia thiet la truyen voi mot van toc co dinh, thi can phai noi van toc co dinh do la doi voi cai gi. Do do nguoi ta cho rang co mot chat duoc goi la ether co mat o khap moi noi, tham chi ca trong khong gian “trong rong”. Cac song anh sang truyen qua ether nhu song am truyen trong khong khi va do vay van toc cua chung la doi voi ether. Nhung nguoi quan sat khac nhau chuyen dong doi voi ether se thay anh sang di toi minh voi van toc khac nhau, nhung van toc cua anh sang doi voi ether luon co mot gia tri co dinh. Dac biet, vi Trai dat chuyen dong qua ether tren quy dao quay quanh Mat troi, nen van toc cua anh sang duoc do theo huong chuyen dong cua Trai dat qua ether (khi chung ta chuyen dong toi gan nguon sang) se phai lon hon van toc cua anh sang huong vuong goc voi phuong chuyen dong (khi chung ta khong chuyen dong huong toi nguon sang). Nam 1887 Albert Michelson (sau nay tro thanh nguoi My dau tien duoc nhan giai thuong Nobel ve Vat ly) va Edward Morley da thuc hien mot thuc nghiem rat tinh xao tai truong Khoa hoc ung dung Case o Cleveland. Ho da so sanh van toc anh sang theo huong chuyen dong cua Trai dat voi van toc anh sang theo huong vuong goc voi chuyen dong cua Trai dat. Va ho da vo cung ngac nhien khi thay rang hai van toc do hoan toan nhu nhau!

Giua nam 1887 va nam 1905 co mot so y dinh, ma chu yeu la cua nha vat ly nguoi Ha Lan Hendrik Lorentz, nham giai thich ket qua cua thi nghiem Michelson - Morley bang su co lai cua cac vat va su cham lai cua dong ho khi chung chuyen dong qua ether. Tuy nhien, trong bai bao cong bo vao nam 1905, Albert Einstein, mot nhan vien thuoc van phong cap bang sang che phat minh o Bern, Thuy Si, nguoi ma truoc do con chua ai biet toi, da chi ra rang toan bo y tuong ve ether la khong can thiet neu nguoi ta san long vut bo y tuong ve thoi gian tuyet doi. Quan niem tuong tu cung da duoc mot nha toan hoc hang dau cua Phap la Henri Poincare dua ra chi it tuan sau. Tuy nhien, nhung ly le cua Einstein gan voi vat ly hon Poincare, nguoi da xem van de nay nhu mot van de toan hoc. Cong lao xay dung nen ly thuyet moi nay duoc thua nhan la cua Einstein, nhung Poincare van thuong duoc nhac nho toi va ten tuoi cua ong gan lien voi mot phan quan trong cua ly thuyet do.

Tien de co ban cua ly thuyet moi – ma nguoi ta thuong goi la thuyet tuong doi – duoc phat bieu nhu sau: moi dinh luat cua khoa hoc la nhu nhau doi voi tat ca nhung nguoi quan sat chuyen dong tu do bat ke van toc cua ho bang bao nhieu. Dieu nay dung doi voi cac dinh luat cua Newton ve chuyen dong, nhung bay gio y tuong do duoc mo rong ra bao ham ca ly thuyet cua Maxwell va van toc anh sang: moi nguoi quan sat deu do duoc van toc anh sang co gia tri hoan toan nhu nhau bat ke ho chuyen dong nhanh, cham nhu the nao. Y tuong don gian do co mot so he qua rat dang chu y. Co le noi tieng nhat la he qua ve su tuong duong cua khoi luong va nang luong duoc duc ket trong phuong trinh noi tieng cua Einstein: E = mc2 va dinh luat noi rang khong co vat nao co the chuyen dong nhanh hon anh sang. Vi co su tuong duong giua nang luong va khoi luong nen nang luong ma vat co duoc nho chuyen dong se lam tang khoi luong cua no. Noi mot cach khac, no se lam cho viec tang van toc cua vat tro nen kho khan hon. Hieu ung nay chi thuc su quan trong doi voi cac vat chuyen dong voi van toc gan voi van toc anh sang. Vi du, voi van toc chi bang 10% van toc anh sang, khoi luong cua vat chi tang 0,5% so voi khoi luong binh thuong, trong khi voi van toc bang 90% van toc anh sang, khoi luong cua no tang con nhanh hon, vi vay se cang mat nhieu nang luong hon de tang van toc cua no len cao nua. Thuc te, khong bao gio co the dat toi van toc cua anh sang vi khi do khoi luong cua vat se tro thanh vo han va do su tuong duong cua khoi luong va nang luong, se phai ton mot luong vo han nang luong de dat duoc dieu do. Vi ly do do, mot vat binh thuong vinh vien bi tinh tuong doi gioi han chuyen dong, no chi chuyen dong voi van toc nho hon van toc anh sang. Chi co anh sang hoac nhung song khac khong co khoi luong noi tai la co the chuyen dong voi van toc anh sang.

Mot he qua cung dang chu y khong kem cua thuyet tuong doi la no da lam cach mang nhung y niem cua chung ta ve khong gian va thoi gian. Trong ly thuyet cua Newton, neu mot xung anh sang duoc gui tu noi nay den noi khac thi nhung nguoi quan sat khac nhau deu nhat tri voi nhau ve thoi gian truyen xung anh sang do (vi thoi gian la tuyet doi). Vi van toc anh sang chinh bang khoang cach ma no truyen duoc chia cho thoi gian da ton de di het quang duong do, nen nhung nguoi quan sat khac nhau se do duoc van toc cua anh sang co gia tri khac nhau. Trong thuyet tuong doi, trai lai, moi nguoi quan sat deu phai nhat tri ve gia tri van toc cua anh sang. Tuy nhien, ho van con khong nhat tri ve khoang cach ma anh sang da truyen, vi vay ho cung phai khong nhat tri ve thoi gian ma anh sang da ton (thoi gian nay bang khoang cach anh sang da truyen – dieu ma cac nha quan sat khong nhat tri – chia cho van toc anh sang – dieu ma cac nha quan sat deu nhat tri). Noi mot cach khac, ly thuyet tuong doi da cao chung y tuong ve thoi gian tuyet doi! Hoa ra la moi mot nguoi quan sat can phai co mot do do thoi gian rieng cua minh nhu duoc ghi nhan boi dong ho ma ho mang theo va cac dong ho giong het nhau duoc mang boi nhung nguoi quan sat khac nhau khong nhat thiet phai chi nhu nhau.

Moi mot nguoi quan sat co the dung rada de biet mot su kien xay ra o dau va khi nao bang cach gui mot xung anh sang hoac song vo tuyen. Mot phan cua xung phan xa tu su kien tro ve va nguoi quan sat do thoi gian ma ho nhan duoc tieng doi do. Thoi gian xay ra su kien khi do se bang mot nua thoi gian tinh tu khi xung duoc gui di den khi nhan duoc tieng doi tro lai, con khoang cach toi su kien bang nua so thoi gian cho hai luot di-ve do nhan voi van toc anh sang. (Mot su kien, theo y nghia nay, la mot dieu gi do xay ra o mot diem duy nhat trong khong gian va o mot thoi diem xac dinh trong thoi gian). Y tuong nay duoc minh hoa tren hinh 2.1, no la mot vi du ve gian do khong-thoi gian. Dung thu tuc nay, nhung nguoi quan sat chuyen dong doi voi nhau se gan cho cung mot su kien nhung thoi gian va vi tri khac nhau. Khong co nhung phep do cua nguoi quan sat dac biet nao la dung hon nhung nguoi khac, nhung tat ca cac phep do deu quan he voi nhau. Bat ky mot nguoi quan sat nao cung tinh ra duoc mot cach chinh xac thoi gian va vi tri ma mot nguoi quan sat khac gan cho mot su kien, mien la nguoi do biet duoc van toc tuong doi cua nguoi kia.

Ngay hom nay de do khoang cach mot cach chinh xac, chung ta van con dung phuong phap noi tren, boi vi chung ta co the do thoi gian chinh xac hon do chieu dai. Thuc te, met duoc dinh nghia la khoang cach ma anh sang di duoc trong khoang thoi gian 0,000000003335640952 giay do theo dong ho nguyen tu xesi. (Nguyen nhan dan toi con so la lung nay la de no tuong ung voi dinh nghia co tinh chat lich su cua met: la khoang cach giua hai vach tren mot cai thuoc dac biet lam bang bach kim duoc giu o Pari). Nhu vay chung ta co the dung mot don vi moi thuan tien hon, duoc goi la giay-anh sang. No don gian la khoang cach ma anh sang di duoc trong mot giay. Trong ly thuyet tuong doi, bay gio chung ta dinh nghia khoang cach thong qua thoi gian va van toc anh sang, nhu vay phai tu dong suy ra rang moi nguoi quan sat do van toc cua anh sang se nhan duoc cung mot gia tri (theo dinh nghia la 1m trong 0,000000003335640952 giay). Khoi can phai dua vao khai niem ether, va lai su co mat cua no khong the duoc ghi nhan bang cach nao, nhu thi nghiem cua Michelson-Morley da chung to.

Tuy nhien, ly thuyet tuong doi buoc chung ta phai thay doi mot cach can ban nhung y niem cua chung ta ve khong gian va thoi gian. Chung ta can phai chap nhan rang thoi gian khong hoan toan tach roi va doc lap voi khong gian, ma ket hop voi no thanh mot doi tuong duoc goi la khong-thoi gian.

Theo kinh nghiem thong thuong, nguoi ta co the mo ta vi tri cua mot diem trong khong gian bang ba con so, hay noi cach khac la ba toa do. Vi du, nguoi ta co the noi: mot diem o trong phong cach mot buc tuong bay bo, cach mot buc tuong khac ba bo va cao so voi san nam bo. Hoac nguoi ta co the chi ro mot diem o kinh tuyen nao, vi tuyen bao nhieu va o do cao nao so voi muc nuoc bien. Nguoi ta co the thoai mai dung ba toa do thich hop nao ma minh muon, mac du chung chi co mot pham vi ung dung han che. Chang han, chung ta se khong chi vi tri cua Mat trang bang khoang cach theo phuong bac va phuong tay so voi rap xiec Piccadilly va chieu cao cua no so voi muc nuoc bien. Thay vi the, nguoi ta can phai mo ta no qua khoang cach tu Mat troi, khoang cach tu mat phang quy dao cua cac hanh tinh va goc giua duong noi Mat trang voi Mat troi va duong noi Mat troi toi mot ngoi sao o gan nhu sao Anpha cua chom sao Nhan ma, chang han. Nhung tham chi nhung toa do nay cung khong duoc dung nhieu de mo ta vi tri cua Mat troi trong thien ha cua chung ta hoac cua thien ha chung ta trong dam thien ha dia phuong. Thuc te, nguoi ta co the mo ta toan bo vu tru bang mot tap hop cac mang goi len nhau. Trong moi mot mang, nguoi ta co the dung mot tap hop ba toa do khac nhau de chi vi tri cua cac diem.

Mot su kien la mot cai gi do xay ra o mot diem cu the trong khong gian va o mot thoi diem cu the. Nhu vay, nguoi ta co the chi no bang bon con so hay la bon toa do. Va lan nay cung the, viec lua chon cac toa do la tuy y, nguoi ta co the dung ba toa do khong gian da biet va mot do do nao do cua thoi gian. Trong thuyet tuong doi, khong co su phan biet thuc su giua cac toa do khong gian va thoi gian, cung het nhu khong co su khac biet thuc su giua hai toa do khong gian. Nguoi ta co the chon mot tap hop toa do moi, trong do, chang han, toa do khong gian thu nhat la to hop cua toa do khong gian cu thu nhat va thu hai. Vi du, thay vi do vi tri cua mot diem tren mat dat bang khoang cach theo phuong bac va tay cua no doi voi Rap xiec Piccadilly, nguoi ta co the dung khoang cach theo huong dong bac va tay bac doi voi Piccadilly. Cung tuong tu nhu vay, trong thuyet tuong doi, nguoi ta co the dung toa do thoi gian moi la thoi gian cu (tinh bang giay) cong voi khoang cach (tinh bang giay-anh sang) theo huong bac cua Piccadilly.

Mot cach rat huu ich de suy nghi ve bon toa do cua mot su kien la chi vi tri cua no trong mot khong gian bon chieu, duoc goi la khong-thoi gian. Chung ta khong the tuong tuong noi mot khong gian bon chieu. Rieng ban than toi hinh dung mot khong gian ba chieu cung da vat va lam roi. Tuy nhien, ve mot so do ve khong gian hai chieu thi lai kha de dang, chang han nhu ve be mat cua Trai dat. (Be mat cua Trai dat la hai chieu vi vi tri cua mot diem tren do co the duoc chi bang hai toa do: kinh do va vi do). Toi se thuong su dung nhung gian do trong do thoi gian tang theo phuong thang dung huong len tren, con mot trong nhung chieu khong gian duoc ve theo phuong nam ngang. Hai chieu khong gian con lai se bo qua hoac doi khi mot trong hai chieu do duoc ve theo phoi canh. (Nhung gian do nay duoc goi la gian do khong-thoi gian, giong nhu H.2.1). Vi du, trong H.2.2. thoi gian duoc dat huong len tren voi don vi la nam, con khoang cach nam doc theo duong thang noi Mat troi voi sao Anpha cua chom Nhan ma duoc dat nam ngang voi don vi la dam. Nhung con duong cua Mat troi va sao Anpha qua khong-thoi gian la nhung duong thang dung o ben trai va ben phai cua gian do. Tia sang tu Mat troi di theo duong cheo va phai mat bon nam moi toi duoc sao Anpha.

Nhu chung ta da thay, cac phuong trinh Maxwell tien doan rang van toc cua anh sang se la nhu nhau bat ke van toc cua nguon anh sang bang bao nhieu va dieu nay da duoc khang dinh bang nhieu phep do chinh xac. Dieu nay suy ra tu su kien la neu mot xung anh sang duoc phat ra o mot thoi diem cu the, tai mot diem cu the trong khong gian, thi sau do voi thoi gian no se lan ra nhu mot mat cau anh sang voi kich thuoc va vi tri khong phu thuoc vao van toc cua nguon sang. Sau mot phan trieu giay, anh sang se lan truyen tao thanh mot mat cau co ban kinh 300m, sau hai phan trieu giay, ban kinh la 600m, va cu nhu vay mai. Dieu nay cung giong nhu nhung gon song truyen tren mat nuoc khi co hon da nem xuong ho. Nhung gon song truyen nhu mot vong tron cu lon dan mai theo thoi gian. Neu ta xep hinh chup cac gon song o nhung thoi diem khac nhau chong len nhau thi vong tron lon dan cua cac gon song se tao thanh mot mat non co dinh nam dung tai cho va tai thoi diem hon da cham vao mat nuoc (H.2.3). Tuong tu, anh sang truyen lan tu mot su kien se tao nen mot mat non ba chieu trong khong-thoi gian bon chieu. Mat non do duoc goi la mat non anh sang tuong lai cua su kien dang xet. Cung bang cach nhu vay ta co the dung duoc mot mat non khac, goi la mat non anh sang qua khu, – do la tap hop cac su kien ma tu chung mot xung anh sang co the toi duoc su kien dang xet (H.2.4).

Cho mot su kien P, nguoi ta co the chia cac su kien khac thanh ba lop. Cac su kien ma cac hat hoac cac song chuyen dong voi van toc bang hoac nho hon van toc anh sang co the dat toi duoc goi la thuoc tuong lai cua P tren gian do khong-thoi gian. Chi nhung su kien nam trong tuong lai cua P moi chiu anh huong cua nhung gi xay ra o P vi khong gi co the chuyen dong nhanh hon anh sang.

Tuong tu, qua khu cua P duoc dinh nghia la tap hop cac su kien tu do co the dat toi diem P bang cach chuyen dong voi van toc nho hon hoac bang van toc anh sang. Nhu vay, day la nhung su kien co the anh huong toi nhung gi dien ra o P. Con nhung su kien khong nam trong tuong lai hoac qua khu cua P duoc goi la vung khong co lien quan voi P (H. 2.5). Nhung gi xay ra o cac su kien do khong anh huong va cung khong bi anh huong boi nhung gi xay ra o P. Vi du, neu Mat troi ngung chieu sang o chinh thoi diem nay, thi no cung chua anh huong den Trai dat o ngay thoi diem do, vi Trai dat luc nay con o vung khong co lien quan gi voi su kien Mat troi tat (H. 2.6). Chung ta se biet ve su kien do chi sau tam phut – la thoi gian du de anh sang di tu Mat troi den Trai dat. Va chi khi nay nhung su kien tren Trai dat moi nam trong non anh sang tuong lai cua su kien Mat troi tat. Tuong tu nhu vay, o thoi diem hien nay chung ta khong the biet nhung gi dang xay ra o nhung noi xa xoi trong vu tru, boi vi anh sang ma chung ta thay tu nhung thien ha xa xoi da roi nhung thien ha do tu hang trieu nam truoc. Nhu vay, khi chung ta quan sat vu tru thi thuc ra la chung ta dang thay no trong qua khu.

Neu nguoi ta bo qua nhung hieu ung hap dan, nhu Einstein va Poincare da lam nam 1905, thi ta co thuyet tuong doi duoc goi la thuyet tuong doi hep. Doi voi moi su kien trong khong-thoi gian ta deu co the dung mot non anh sang (la tap hop moi con duong kha di cua anh sang trong khong-thoi gian duoc phat ra o su kien do), va vi van toc anh sang la nhu nhau o moi su kien va theo moi huong, nen tat ca cac non anh sang la nhu nhau va huong theo cung mot huong. Ly thuyet nay cung noi voi chung ta rang khong gi co the chuyen dong nhanh hon anh sang. Dieu do co nghia la duong di cua moi vat qua khong-thoi gian can phai duoc bieu dien bang mot duong nam trong non anh sang o moi mot su kien tren no (H.2.7).

Ly thuyet tuong doi hep rat thanh cong trong viec giai thich su kien nhu nhau cua van toc anh sang doi voi moi nguoi quan sat (nhu thi nghiem Michelson - Morley da chung to) va trong su mo ta nhung dieu xay ra khi cac vat chuyen dong voi van toc gan voi van toc anh sang. Tuy nhien, ly thuyet nay lai khong hoa hop voi thuyet hap dan cua Newton noi rang cac vat hut nhau voi mot luc phu thuoc vao khoang cach giua chung. Dieu nay co nghia la neu lam cho mot vat chuyen dong thi luc tac dung len cac vat khac se thay doi ngay lap tuc. Hay noi mot cach khac, cac tac dung hap dan truyen voi van toc vo han, thay vi no bang hoac nho hon van toc anh sang nhu thuyet tuong doi hep doi hoi. Trong khoang thoi gian tu nam 1908 den nam 1914, Einstein da nhieu lan thu tim mot ly thuyet hap dan hoa hop duoc voi thuyet tuong doi hep, nhung da khong thanh cong. Cuoi cung, vao nam 1915, ong da dua ra duoc mot ly thuyet ma ngay nay chung ta goi la thuyet tuong doi rong (hay thuyet tuong doi tong quat). Ong da dua ra mot gia thiet co tinh chat cach mang cho rang hap dan khong phai la mot luc giong nhu nhung luc khac ma no la ket qua cua su kien la: khong-thoi gian khong phai phang nhu truoc kia nguoi ta van tuong ma no cong hay “venh” di do su phan bo cua khoi luong va nang luong trong no. Cac vat nhu Trai dat khong phai duoc tao ra de chuyen dong tren cac quy dao cong boi luc hap dan, ma thay vi the, chung chuyen dong theo duong rat gan voi duong thang trong khong gian cong ma nguoi ta goi la duong trac dia. Duong trac dia la duong ngan nhat (hoac dai nhat) giua hai diem canh nhau. Vi du, be mat Trai dat la mot khong gian cong hai chieu. Duong trac dia tren mat Trai dat chinh la vong tron lon va no la duong ngan nhat giua hai diem tren mat dat (H.2.8.). Vi duong trac dia la duong ngan nhat giua hai san bay, nen do la duong ma nhung nguoi dan duong hang khong huong cac phi cong bay theo. Trong ly thuyet tuong doi rong, cac vat luon luon chuyen dong theo cac duong “thang” trong khong-thoi gian bon chieu, nhung doi voi chung ta, chung co ve nhu chuyen dong theo nhung duong cong trong khong gian ba chieu cua chung ta. (Dieu nay rat giong voi viec quan sat chiec may bay tren mot vung doi go. Mac du no bay theo duong thang trong khong gian ba chieu, nhung cai bong cua no lai chuyen dong theo mot duong cong tren mat dat hai chieu).

Khoi luong cua Mat troi lam cong khong-thoi gian theo cach sao cho mac du Trai dat chuyen dong theo duong thang trong khong-thoi gian bon chieu, nhung no lai the hien doi voi chung ta la chuyen dong theo quy dao tron trong khong gian ba chieu. Va thuc te, quy dao cua cac hanh tinh duoc tien doan boi ly thuyet tuong doi rong cung chinh xac nhu duoc tien doan boi ly thuyet hap dan cua Newton. Tuy nhien, trong truong hop doi voi Thuy tinh, hanh tinh gan Mat troi nhat, do do cam thay hieu ung hap dan manh nhat va co quy dao thuon dai hon, thi thuyet tuong doi rong tien doan rang truc dai cua elip quy dao quay quanh Mat troi voi van toc 10 trong 10 ngan nam. Tuy hieu ung la rat nho, nhung no da duoc ghi nhan tu truoc nam 1915 va duoc dung nhu mot trong nhung bang chung dau tien khang dinh ly thuyet cua Einstein. Trong nhung nam gan day, nhung do lech tham chi con nho hon nua cua quy dao cac hanh tinh khac so voi nhung tien doan cua ly thuyet Newton cung da duoc do bang rada va cho thay chung phu hop voi nhung tien doan cua thuyet tuong doi rong.

Nhung tia sang cung can phai di theo duong trac dia trong khong-thoi gian, cung lai do khong gian bi cong nen anh sang khong con the hien la truyen theo duong thang trong khong gian nua. Nhu vay thuyet tuong doi rong tien doan rang anh sang co the bi be cong boi cac truong hap dan. Vi du, ly thuyet nay tien doan rang non anh sang cua nhung diem o gan Mat troi se hoi bi uon huong vao phia trong do tac dung cua khoi luong Mat troi. Dieu nay co nghia la anh sang tu mot ngoi sao xa khi di qua gan Mat troi co the bi lech di mot goc nho, khien cho doi voi nhung nguoi quan sat tren mat dat, ngoi sao do duong nhu o mot vi tri khac (H.2.9). Tat nhien, neu anh sang tu ngoi sao do luon luon di qua gan Mat troi thi chung ta khong the noi tia sang co bi lech hay khong hoac thay vi the ngoi sao co thuc su nam o cho chung ta nhin thay no hay khong. Tuy nhien, vi Trai dat quay quanh Mat troi nen nhung ngoi sao khac nhau co luc duong nhu di qua phia sau Mat troi va anh sang cua chung bi lech. Vi the nhung ngoi sao nay thay doi vi tri bieu kien cua chung doi voi cac ngoi sao khac.

Thuong thi rat kho quan sat hieu ung nay, boi vi anh sang cua Mat troi lam cho ta khong the quan sat duoc nhung ngoi sao co vi tri bieu kien o gan Mat troi tren bau troi. Tuy nhien, dieu nay co the lam duoc trong thoi gian co nhat thuc, khi ma anh sang Mat troi bi Mat trang chan mat. Nhung tien doan cua Einstein khong the duoc kiem chung ngay lap tuc trong nam 1915 vi cuoc chien tranh the gioi lan thu nhat luc do dang lan rong va phai toi tan nam 1919 mot doan tham hiem Anh khi quan sat nhat thuc o Tay Phi da chung to duoc rang anh sang thuc su bi lech do Mat troi dung nhu ly thuyet da du doan. Su chung minh ly thuyet cua mot nguoi Duc boi cac nha khoa hoc Anh da duoc nhiet liet hoan nghenh nhu mot hanh dong hoa giai vi dai giua hai nuoc sau chien tranh. Do do, that la tro treu khi kiem tra lai sau do, nhung buc anh ma doan tham hiem da chup, nguoi ta phat hien ra rang sai so cung lon co hieu ung ma ho dinh do. Phep do cua ho hoan toan chi la may man hoac mot truong hop da biet truoc ket qua ma ho muon nhan duoc – mot dieu cung thuong xay ra trong khoa hoc. Tuy nhien, su lech cua tia sang da duoc khang dinh hoan toan chinh xac boi nhieu quan sat sau nay.

Mot tien doan khac cua thuyet tuong doi rong la thoi gian duong nhu chay cham hon khi o gan nhung vat co khoi luong lon nhu Trai dat, chang han. Do la boi vi co mot moi lien he giua nang luong cua anh sang va tan so cua no (tan so la so song anh sang trong 1 giay): nang luong cang lon thi tan so cang cao. Khi anh sang truyen huong len trong truong hap dan cua Trai dat, no se mat nang luong va vi the tan so cua no giam. (Dieu nay nghia la khoang thoi gian giua hai dinh song lien tiep tang len). Doi voi nguoi o tren cao moi chuyen o phia duoi xay ra cham chap hon. Dieu tien doan nay da duoc kiem chung vao nam 1962 bang cach dung hai dong ho rat chinh xac: mot dat o dinh va mot dat o chan mot thap nuoc. Dong ho o chan thap, gan Trai dat hon, chay cham hon – hoan toan phu hop voi thuyet tuong doi rong. Su khac biet cua toc do dong ho o nhung do cao khac nhau tren mat dat co mot tam quan trong dac biet trong thuc tien hien nay khi nguoi ta su dung nhung he thong dao hang chinh xac dua tren nhung tin hieu tu ve tinh. Neu khi nay nguoi ta bo qua nhung tien doan cua thuyet tuong doi rong, thi vi tri tinh toan duoc co the sai khac toi vai ba dam!

Nhung dinh luat ve chuyen dong cua Newton da dat dau cham het cho y niem ve vi tri tuyet doi trong khong gian. Thuyet tuong doi da vut bo khai niem thoi gian tuyet doi. Ta hay xet hai dua tre sinh doi. Gia su rang mot dua duoc dua len song tren dinh nui va mot dua song o ngang muc nuoc bien. Dua thu nhat se gia nhanh hon dua thu hai. Nhu vay, neu gap lai nhau mot dua se gia hon dua kia. Trong truong hop nay su khac nhau ve tuoi tac se rat nho, nhung no se lon hon rat nhieu neu mot dua thuc hien chuyen du hanh dai trong con tau vu tru chuyen dong voi van toc gan van toc anh sang. Khi tro ve no se tre hon rat nhieu so voi dua o lai Trai dat. Dieu nay duoc goi la nghich ly hai dua tre sinh doi, nhung no la nghich ly chi neu y niem ve thoi gian tuyet doi van con lan quat trong dau oc chung ta. Trong ly thuyet tuong doi khong co mot thoi gian tuyet doi duy nhat, ma thay vi the moi ca nhan co mot do do thoi gian rieng cua minh va do do do phu thuoc vao noi ho dang o va ho chuyen dong nhu the nao.

Truoc nam 1915, khong gian va thoi gian duoc xem la mot san khau co dinh noi dien ra moi su kien va khong chiu anh huong boi nhung dieu xay ra trong no. Dieu nay dung tham chi doi voi ca thuyet tuong doi hep. Cac vat chuyen dong, cac luc hut va day, nhung khong gian va thoi gian thi van lien tuc va khong bi anh huong gi. Va y nghi cho rang khong gian va thoi gian cu tiep tuc nhu the mai mai cung la chuyen tu nhien.

Tuy nhien, tinh hinh hoan toan khac trong thuyet tuong doi rong. Bay gio khong gian va thoi gian la nhung dai luong dong luc: khi mot vat chuyen dong, hoac mot luc tac dung, chung deu anh huong den do cong cua khong gian va thoi gian va dap lai, cau truc cua khong-thoi gian se anh huong den cach thuc ma cac vat chuyen dong va cac luc tac dung. Khong gian va thoi gian khong chi co tac dong ma con bi tac dong boi moi dieu xay ra trong vu tru. Chinh vi nguoi ta khong the noi ve cac su kien trong vu tru ma khong co khai niem ve khong gian va thoi gian, nen trong thuyet tuong doi rong se tro nen vo nghia neu noi ve khong gian va thoi gian o ngoai gioi han cua vu tru.

Trong nhung thap ky tiep sau, su nhan thuc moi nay ve khong gian va thoi gian da lam cach mang quan niem cua chung ta ve vu tru. Y tuong xua cu cho rang mot vu tru can ban khong thay doi co the da ton tai va co the con tiep tuc ton tai da vinh vien duoc thay the bang khai niem mot vu tru dong, dang gian no, mot vu tru duong nhu da bat dau o mot thoi diem huu han trong qua khu va co the cham dut o mot thoi diem huu han trong tuong lai. Cuoc cach mang nay la de tai cua chuong tiep sau. Va nhung nam sau do, no cung da la diem xuat phat cho hoat dong cua toi trong linh vuc vat ly ly thuyet. Roger Penrose va toi da chung to duoc rang chinh thuyet tuong doi rong da ngu y vu tru can phai co diem bat dau va co the ca diem ket thuc nua.

STEPHEN HAWKING

Viet Bao
Thích và chia sẻ bài viết này trên facebook Theo dõi vietbao.vn trên facebook

TIN Văn Hóa NỔI BẬT

Brendan Rodgers: Thất bại do dụng binh kém

Liverpool hiện tại là một mớ hỗn độn. Thành tích kém cỏi suốt thời gian qua bắt nguồn từ chính cách sử dụng nhân sự thiếu khôn ngoan của HLV Brendan Rodgers.

Tìm hiểu: Khong gian va thoi gian, van toc anh sang, thuyet tuong doi rong, ly thuyet tuong doi, nguoi quan sat, trong khong gian, duoc goi la, mot su kien, chung ta, nguoi ta, doi voi, cac vat, vi tri, dinh luat, newton

Xem Bản Tiếng Việt Có Dấu: Không gian và thời gian

Ban co the doc ban tieng Viet co dau cua bai viet Không gian và thời gian bang cach nhan chuot vao duong dan tren.

Lien he ve tin Khong gian va thoi gian

Nhan xet, hay lien he ve tin Khong gian va thoi gian co the gui bang duong dan o duoi. Ban nen gui kem tieu de bai viet Khong gian va thoi gian de lam tham khao. Bai viet nay thuoc chuyen de Tac pham trong chuyen muc Van hoa.

Cac tin khac:

Xem tiep ... Tac pham
Kenh Tin RSS Kenh Tin RSS | Du Bao Thoi Tiet | Lich Xem TV | Lien He - Contact | Quang Cao | Viec Lam | Dieu Kien Su Dung | Bao Ve Tinh Rieng Tu | Sitemap

Copyright©2008 VietBao.vn, Thu Vien Thong Tin Tong Hop Viet Nam va The Gioi, phien ban thu nghiem phan mem Viet Bao Viet Nam, beta 1.0