Bài giảng Vật lý 2 và thí nghiệm: Phần 2

Nối tiếp phần 1, "Bài giảng Vật lý 2 và thí nghiệm: Phần 2" tiếp tục cung cấp cho học viên những kiến thức về hai tiên đề Einstein, phép biến đổi Lorentz và các hệ quả, động lực học tương đối tính – hệ thức Einstein; bức xạ nhiệt, bức xạ nhiệt cân bằng, các định luật phát xạ của vật đen tuyệt đối, thuyết lượng tử của Planck và thuyết photon của Einstein; hệ thức bất định Heisenberg; phương trình Schrodinger;... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Vật lý 2 và thí nghiệm: Phần 2 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG ========== BÀI GIẢNG MÔN HỌC VẬT LÝ 2 VÀ THÍ NGHIỆM Biên soạn: TS. VÕ THỊ THANH HÀ TS. NGUYỄN THỊ THÖY LIỄU HÀ NỘI – 2013 Chương 6: Thuyết tương đối hẹp Einstein CHƢƠNG 6 THUYẾT TƢƠNG ĐỐI HẸP EINSTEIN Theo cơ học cổ điển (cơ học Newton) thì không gian, thời gian và vật chất không phụ thuộc vào chuyển động; không gian và thời gian là tuyệt đối, kích thƣớc và khối lƣợng của vật là bất biến. Nhƣng đến cuối thế kỉ 19 và đầu thế kỉ 20, khoa học kĩ thuật phát triển mạnh, ngƣời ta gặp những vật chuyển động nhanh với vận tốc cỡ vận tốc ánh sáng trong chân không (3.108 m/s), khi đó xuất hiện sự mâu thuẫn với các quan điểm của cơ học Newton: Không gian, thời gian và khối lƣợng của vật khi chuyển động với vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng thì phụ thuộc vào chuyển động. Năm 1905, lúc ấy Albert Einstein 25 tuổi, ông đề xuất lý thuyết tƣơng đối. Lý thuyết của Einstein về mặt toán học không khó, nhƣng nó cũng gây khó khăn về nhận thức do những ý tƣởng xa lạ của nó về không gian và thời gian. Thực ra chúng ta bị chi phối bởi môi trƣờng mà chúng ta quen sống, thƣờng tiếp xúc với những vật chuyển động chậm hơn rất nhiều lần so với vận tốc ánh sáng nên hình thành những khái niệm không chính xác về không gian và thời gian, xem chúng nhƣ một cái gì vĩnh viễn tuyệt đối, không liên quan với nhau. Lí thuyết tƣơng đối đƣợc xem là một lí thuyết tuyệt đẹp về không gian và thời gian. Sự đúng đắn của lý thuyết tƣơng đối cho đến nay không cần bàn cãi vì nó đã đƣợc thử thách qua vô số thí nghiệm suốt trong 10 thập 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 mâu thuẩn với thuyết tƣơng đối thì các nhà Vật lý ở mọi nơi không đặt vấn đề nghi ngờ thuyết tƣơng đối mà mặc nhiên khẳng định rằng trong thí nghiệm đặt ra có gì đó chƣa ổn. Lý thuyết tƣơng đối dựa vào hai tiên đề đƣợc trình bày sau đây. 6. 1. HAI TIÊN ĐỀ EINSTEIN 6. 1. 1 Không gian tuyệt đối và ête Từ phép biến đổi Galileo về vận tốc ta suy ra rằng nếu một quan sát viên O nhìn thấy một tín hiệu sáng truyền với vận tốc c = 3.108 m/s thì mọi quan sát viên khác chuyển động đối với O sẽ thấy tín hiệu sáng đó truyền với vận tốc khác c. Nhƣ vậy vấn đề đặt ra là phải biết dùng vật gì làm mốc để xác định một hệ quy chiếu đặc biệt mà một quan sát viên đứng yên đối với hệ đó sẽ đƣợc ƣu đãi là thấy mọi tín hiệu sáng đƣợc lan truyền với vận tốc c? Trƣớc Einstein ngƣời ta thƣờng thừa nhận rằng quan sát viên đó cũng chính là quan sát viên mà đối với anh ta các phƣơng trình Maxwell có hiệu lực. Thật vậy các phƣơng trình Maxwell mô tả thuyết điện từ và tiên đoán rằng các sóng điện từ lan truyền với vận tốc 1 c  3.10 8 m / s . Không gian đứng yên so với quan sát viên đƣợc ƣu đãi trên đƣợc gọi  0 0 là “không gian tuyệt đối”. Mọi quan sát viên chuyển động đối với không gian tuyệt đối đó phải thấy ánh sáng có vận tốc khác c. Trong chừng mực ánh sáng là sóng điện từ, các nhà vật lý của 144 Chương 6: Thuyết tương đối hẹp Einstein thế kỷ 19 cảm thấy cần thiết phải tồn tại một môi trƣờng để ánh sáng lan truyền trong đó. Vì vậy họ đã nêu thành tiên đề là ete choán đầy không gian tuyệt đối. Nếu môi trƣờng ête tồn tại thì lúc đó mọi quan sát viên trên mặt đất chuyển động trong ête phải chịu tác dụng của một loại gió ête. Năm 1881, Michelson rồi đến năm 1887 cùng với Morley đã hiệu chỉnh một thiết bị có độ nhạy cao cho phép đo đƣợc chuyển động của Trái đất so với ête đƣợc giả thiết ở trên. Tuy nhiên kết quả của các phép đo đã không phát hiện đƣợc bất kỳ một chuyển động nào đối với môi trƣờng ête. 6. 1. 2. Các phép đo thời gian và độ dài - Một vấn đề nguyên lý Điểm chung duy nhất giữa kết quả phủ định của thí nghiệm Michelson và Morley và việc các phƣơng trình Maxwell chỉ có hiệu lực đối với quan sát viên đƣợc ƣu đãi – đó là việc tồn tại phép biến đổi Galileo. Phép biến đổi hiển nhiên này đã đƣợc Einstein xem xét lại theo quan điểm đƣợc ông gọi là quan điểm sử dụng. Einstein xuất phát từ nguyên lý là mọi đại lƣợng thuộc một lý thuyết Vật lý đều phải đo đạc đƣợc (ít ra là trên lý thuyết) theo một phƣơng pháp hoàn toàn xác định. Nếu một phƣơng pháp nhƣ vậy không đƣợc thiết lập thì đại lƣợng đang xét không thể đƣợc sử dụng trong Vật lý. Einstein đã không thể tìm đƣợc một chứng minh thỏa đáng nào cho phép biến đổi Galileo t = t‟, nghĩa là cho việc khẳng định rằng hai quan sát viên có thể đảm bảo là một biến cố xảy ra tại cùng một thời điểm. Trong những điều kiện đó Einstein đã loại bỏ phép biến đổi t = t‟, và tất cả các phép biến đổi Galileo nói chung. 6. 1. 3. Các tiên đề Einstein 1. Tiên đề về tương đối: (nguyên lý tương đối) Ý tƣởng chủ đạo của Einstein, mà ông gọi là nguyên lý tƣơng đối , là việc mọi quan sát viên chuyển động không có gia tốc đều phải đƣợc đối xử bình đẳng ngay cả khi chúng chuyển động thẳng đều đối với nhau. Nguyên lý đó đƣợc phát biểu nhƣ sau: “Các định luật vật lý hoàn toàn giống nhau đối với những người quan sát trong mọi hệ quy chiếu quán tính. Không có hệ nào ưu tiên hơn hệ nào” Nhắc lại rằng hệ quy chiếu quán tính là hệ quy chiếu trong đó một vật không chịu tác dụng của ngoại lực sẽ giữ nguyên trạng thái đứng yên hay chuyển động thẳng đều. Trong cơ học ngƣời ta đã thừa nhận tính chất này mà hệ quả quan trọng là định luật thứ nhất Newton. Einstein đã tổng quát hoá tính chất này cho mọi định luật Vật lý không những trong cơ học mà cả trong điện học, quang học…. Chú ý rằng tiên đề về tƣơng đối của Einstein không nói rằng các giá trị đo đƣợc của tất cả các đại lƣợ ...