Khoa học vũ trụ

Thuyết Tương đối của Einstein: Nguồn gốc, chứng minh và áp dụng vào thực tế

Năm 1905, Albert Einstein đã xác định rằng các định luật vật lý là giống nhau đối với tất cả các hệ quy chiếu đứng yên, không tăng tốc, và tốc độ ánh sáng trong chân không độc lập với chuyển động của người quan sát. Đây là lý thuyết của thuyết tương đối đặc biệt. Nó giới thiệu một khuôn khổ mới cho tất cả các vật lý và đề xuất các khái niệm mới về không gian và thời gian.

Sau đó, Einstein đã dành 10 năm cố gắng đưa gia tốc vào lý thuyết và công bố Thuyết Tương đối tổng quát của mình vào năm 1915. Trong đó, ông xác định rằng các vật thể lớn gây ra sự biến dạng trong không gian, được coi là trọng lực.

Lực kéo của trọng lực

Hai vật thể tác dụng lực hút lên nhau gọi là “trọng lực”. Ngài Isaac Newton đã định lượng được lực hấp dẫn giữa hai vật thể khi ông xây dựng ba định luật chuyển động của mình. Lực kéo mạnh giữa hai cơ thể phụ thuộc vào mức độ lớn của mỗi người và khoảng cách giữa hai người.

Ngay cả khi lõi của Trái đất đang kéo bạn về phía nó (giữ cho bạn vững chắc trên mặt đất), khối lượng của cơ thể bạn cũng đang kéo trở lại Trái đất. Nhưng những vật thể đồ sộ hơn hầu như không cảm nhận được sự giằng xé này. Tuy nhiên, các định luật của Newton cho rằng trọng lực là một lực bẩm sinh của một vật thể có thể tác động trên một khoảng cách.

Albert Einstein, trong lý thuyết tương đối đặc biệt của mình, đã xác định rằng các định luật vật lý là giống nhau đối với tất cả các nhà quan sát không gia tốc, và ông đã chỉ ra rằng tốc độ ánh sáng trong chân không là như nhau cho dù tốc độ của một người quan sát đi qua. Kết quả là, ông thấy rằng không gian và thời gian được đan xen vào một sự liên tục duy nhất được gọi là không-thời gian. Các sự kiện xảy ra cùng lúc cho một người quan sát có thể xảy ra vào những thời điểm khác nhau cho người khác.

Khi ông tìm ra các phương trình cho lý thuyết tương đối tổng quát của mình, Einstein nhận ra rằng các vật thể lớn gây ra một sự biến dạng trong không-thời gian. Hãy tưởng tượng đặt một vậy thể lớn ở trung tâm của tấm bạt lò xo. Vật thể sẽ lún xuống tấm vải. Một hòn bi lăn quanh rìa sẽ bị cuốn xoắn ốc vào gần vật thể đó, giống như trọng lực của một hành tinh kéo các vật chất trong không gian về phía nó.

Thuyết Tương đối rộng có nghĩa là gì?

Hãy hiểu thế này, bạn kéo dài ra một tấm ga trải giường trên mặt phẳng, với các góc được cố định. Bây giờ bắt đầu đặt những thứ có trọng lượng khác nhau trên mặt ra giường đang căng này. Khi bạn đặt một cái gì đó rất nhẹ, tấm ra sẽ cong xuống dưới một chút. Nếu bạn đặt một cái gì đó nặng, độ cong sẽ còn lớn hơn.

Giả sử có một vật nặng ngồi trên tấm và bạn đặt vật thứ hai, nhẹ hơn lên. Độ cong được tạo ra bởi vật nặng hơn sẽ khiến vật nhẹ hơn “trượt” dọc theo đường cong về phía nó, cố gắng đạt đến điểm cân bằng nơi nó không còn di chuyển. Trong trường hợp này, tất nhiên, có những cân nhắc khác – một quả bóng sẽ lăn xa hơn một khối lập phương sẽ trượt, do ma sát chẳng hạn.

Điều này tương tự như cách thuyết tương đối rộng giải thích lực hấp dẫn. Độ cong của vật thể nhẹ không ảnh hưởng nhiều đến vật nặng, nhưng độ cong được tạo ra bởi vật nặng là thứ khiến chúng ta không thể trôi nổi vào không gian. Độ cong do Trái đất tạo ra giữ cho mặt trăng nằm trong quỹ đạo, nhưng đồng thời, độ cong do mặt trăng tạo ra cũng đủ để ảnh hưởng đến thủy triều.

Bằng chứng thực nghiệm của Thuyết Tương đối Einstein

Mặc dù các thiết bị không thể nhìn thấy cũng như đo thời gian không gian, một số hiện tượng được dự đoán bởi sự cong vênh của nó đã được xác nhận.

Thấu kính hấp dẫn: Ánh sáng xung quanh một vật thể lớn, như lỗ đen, bị bẻ cong, khiến nó hoạt động như một thấu kính cho những thứ nằm phía sau nó. Các nhà thiên văn thường xuyên sử dụng. Einstein’s Cross, một chuẩn tinh Quasar trong chòm sao Pegasus, là một ví dụ tuyệt vời về thấu kính hấp dẫn. Chuẩn tinh cách Trái đất khoảng 8 tỷ năm ánh sáng và nằm phía sau một thiên hà cách xa 400 triệu năm ánh sáng. Bốn hình ảnh của quasar xuất hiện xung quanh thiên hà vì lực hấp dẫn dữ dội của thiên hà bẻ cong ánh sáng đến từ chuẩn tinh.

Thấu kính hấp dẫn có thể cho phép các nhà khoa học nhìn thấy một số thứ khá tuyệt, nhưng cho đến gần đây, những gì họ phát hiện xung quanh ống kính vẫn khá tĩnh. Tuy nhiên, vì ánh sáng truyền qua ống kính có một đường đi khác nhau, mỗi lần truyền trong một khoảng thời gian khác nhau, các nhà khoa học có thể quan sát siêu tân tinh xảy ra bốn lần khác nhau khi nó được phóng đại bởi một thiên hà khổng lồ.

Trong một quan sát thú vị khác, kính viễn vọng Kepler của NASA đã phát hiện ra một ngôi sao đã chết, được gọi là sao lùn trắng, quay quanh một sao lùn đỏ trong một hệ sao nhị phân. Mặc dù sao lùn trắng có khối lượng lớn hơn, nhưng nó có bán kính nhỏ hơn nhiều so với người bạn đồng hành của nó. “Kỹ thuật này tương đương với một con bọ chét đốm trên một bóng đèn 3.000 dặm, xấp xỉ khoảng cách từ Los Angeles đến New York City,” Avi Shporer của Viện Công nghệ California cho biết trong một tuyên bố.

Thay đổi quỹ đạo của Sao Thủy: Quỹ đạo của Sao Thủy đang dịch chuyển rất chậm theo thời gian, do độ cong của không-thời gian xung quanh Mặt trời. Trong vài tỷ năm, nó thậm chí có thể va chạm với Trái đất.

Kéo giãn thời gian không gian xung quanh các vật thể quay: Vòng quay của một vật nặng, như Trái đất, sẽ xoắn và làm biến dạng không-thời gian xung quanh nó. Năm 2004, NASA đã cho ra mắt Gravity dò B GP-B). Vệ tinh được hiệu chỉnh chính xác khiến cho các trục của con quay hồi chuyển bên trong trôi rất nhẹ theo thời gian, kết quả trùng khớp với lý thuyết của Einstein.

“Hãy tưởng tượng Trái đất như thể được đắm mình trong mật ong”, nhà điều tra chính của Gravity dò-B, ông Francis Everitt, thuộc Đại học Stanford, cho biết trong một tuyên bố. “Khi hành tinh quay, mật ong xung quanh nó sẽ xoáy, và nó giống với không gian và thời gian. GP-B đã xác nhận hai trong số những dự đoán sâu sắc nhất về vũ trụ của Einstein, có ý nghĩa sâu rộng trong nghiên cứu vật lý thiên văn.”

Dịch chuyển đỏ hấp dẫn: Bức xạ điện từ của một vật thể được kéo dài ra một chút bên trong trường hấp dẫn. Hãy nghĩ về các sóng âm thanh phát ra từ còi báo động trên một phương tiện khẩn cấp; khi chiếc xe di chuyển về phía người quan sát, sóng âm thanh bị nén, nhưng khi nó di chuyển ra xa, chúng bị kéo dài ra hoặc bị dịch chuyển đỏ. Được gọi là Hiệu ứng Doppler, hiện tượng tương tự xảy ra với các sóng ánh sáng ở mọi tần số. Năm 1959, hai nhà vật lý, Robert Pound và Glen Rebka, đã bắn tia gamma bằng sắt phóng xạ lên cạnh một tòa tháp tại Đại học Harvard và thấy chúng nhỏ hơn tần số tự nhiên do biến dạng do trọng lực gây ra.

Sóng hấp dẫn: Các sự kiện bạo lực, như sự va chạm của hai lỗ đen, được cho là có thể tạo ra những gợn sóng trong không gian thời gian được gọi là sóng hấp dẫn. Năm 2016, Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế tia laser (LIGO) tuyên bố rằng họ đã tìm thấy bằng chứng về các chỉ số này. Vào năm 2014, các nhà khoa học tuyên bố rằng họ đã phát hiện ra sóng hấp dẫn còn sót lại từ Vụ nổ lớn bằng cách sử dụng kính viễn vọng Bối cảnh phân cực vũ trụ (BICEP2) ở Nam Cực. Người ta cho rằng những sóng như vậy được nhúng trong nền vi sóng vũ trụ. Tuy nhiên, nghiên cứu sâu hơn cho thấy dữ liệu của họ bị ô nhiễm bởi bụi trong đường ngắm.

“Tìm kiếm bản ghi độc đáo về vũ trụ sơ khai này cũng khó như nó rất thú vị”, Jan Tauber, nhà khoa học dự án của Cơ quan Vũ trụ châu Âu cho sứ mệnh không gian Planck để tìm kiếm sóng vũ trụ, cho biết trong một tuyên bố. LIGO đã phát hiện ra sóng hấp dẫn được xác nhận đầu tiên vào ngày 14 tháng 9 năm 2015. Cặp dụng cụ có trụ sở ở Louisiana và Washington gần đây đã được nâng cấp và đang trong quá trình hiệu chỉnh trước khi chúng lên mạng. Phát hiện đầu tiên lớn đến mức, theo phát ngôn viên của LIGO, ông Gabriela Gonzalez, nhóm nghiên cứu phải mất vài tháng phân tích để tự thuyết phục rằng đó là tín hiệu thực sự và không phải là trục trặc.

Một tín hiệu thứ hai đã được phát hiện vào ngày 26 tháng 12 cùng năm, và một ứng cử viên thứ ba đã được đề cập cùng với nó. Trong khi hai tín hiệu đầu tiên gần như chắc chắn là vật lý thiên văn học, Gonzalez nói rằng có ít hơn một phần trong số chúng là một thứ khác, thì ứng cử viên thứ ba chỉ có xác suất 85% là sóng hấp dẫn.

Cùng với nhau, hai phát hiện công ty cung cấp bằng chứng cho các cặp lỗ đen xoắn ốc vào trong và va chạm. Thời gian trôi qua, Gonzalez dự đoán rằng sóng hấp dẫn hơn sẽ được phát hiện bởi LIGO và các công cụ sắp tới khác, chẳng hạn như sóng do Ấn Độ lên kế hoạch.

Tìm hiểu Dòng điện là gì: Định nghĩa, tính chất và phân loại dòng điện - Dòng điện là gì? Dòng điện là chuyển động của các hạt mang điện, chẳng hạn như các hạt mang điện hạ nguyên tử (ví dụ, các electron có điện tích âm, proton có điện tích dương), các ion (nguyên tử bị mất hoặc thu được một hoặc nhiều electron) hoặc lỗ trống (sự thiếu… Đọc thêm
Chủ đề trong bài
Back to top button
Close

Adblock Detected

Please consider supporting us by disabling your ad blocker