Chương 5: Thuyết tương đối hẹp Einstein

Thuyết tương đối hẹp Einstein là một môn cơ học tổng quát, áp dụng cho các vật chuyển động với vận tốc từ rất bé cho đến cỡ vận tốc ánh sáng và coi cơ học Newton như một trường hợp giới hạn của mình. Chương này nghiên cứu các tiên đề của thuyết tương đối hẹp Einstein, phép biến đổi Lorentz cùng các hệ quả của nó và động lực học tương đối tính của chất điểm chuyển động. ...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Chương 5: Thuyết tương đối hẹp Einstein Chöông 5: THUYEÁT TÖÔNG ÑOÁI HEÏP 139 Chương 5 THUYẾT TƯƠNG ĐỐI HẸP EINSTEIN Thuyết tương đối hẹp Einstein là một môn cơ học tổng quát, áp dụng cho các vật chuyển động với vận tốc từ rất bé cho đến cỡ vận tốc ánh sáng và coi cơ học Newton như một trường hợp giới hạn của mình. Chương này nghiên cứu các tiên đề của thuyết tương đối hẹp Einstein, phép biến đổi Lorentz cùng các hệ quả của nó và động lực học tương đối tính của chất điểm chuyển động. §5.1 CÁC TIÊN ĐỀ CỦA THUYẾT TƯƠNG ĐỐI HẸP EINSTEIN Cơ học Newton đã đạt được nhiều thành tựu to lớn trong suốt hai thế kỷ đến nỗi nhiều nhà vật lý trong thế kỷ 19 đã cho rằng việc giải thích một hiện tượng vật lý bất kỳ đều có thể thực hiện được bằng cách đưa nó về một quá trình cơ học tuân theo các định luật Newton. Tuy nhiên với sự phát triển của khoa học người ta đã phát hiện ra các hiện tượng mới không nằm trong phạm vi của cơ học cổ điển. Chẳng hạn, người ta đã gặp những vật chuyển động nhanh với vận tốc vào cỡ vận tốc ánh sáng trong chân không (c = 3.108 m/s). Khi đó xuất hiện sự mâu thuẫn với các quan điểm của cơ học Newton, cụ thể là không gian, thời gian và vật chất phụ thuộc vào chuyển động, chứ không phải độc lập với chuyển động như Newton quan niệm. Người ta nhận xét rằng cơ học Newton chỉ đúng đối với các vật chuyển động với vận tốc nhỏ hơn vận tốc ánh sáng trong chân không rất nhiều. Để mô tả sự chuyển động với vận tốc so sánh được với vận tốc ánh sáng, Einstein đã xây dựng môn cơ học tương đối tính, gọi là thuyết tương đối hẹp, vào năm 1905. Sự đúng đắn của thuyết tương đối hẹp Einstein cho đến nay không cần bàn cãi gì nữa vì nó đã được thử thách qua vô số thí nghiệm trong suốt thế 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 kết quả mâu thuẫn với thuyết tương đối hẹp thì các nhà vật lý không đặt vấn đề nghi ngờ thuyết tương đối mà mặc nhiên khẳng định rằng trong thí nghiệm đặt ra có cái gì đó chưa ổn. Thuyết tương đối hẹp Einstein xây dựng trên hai nguyên lý là nguyên lý tương đối Einstein và nguyên lý bất biến của vận tốc ánh sáng. Hai nguyên lý đó phát biểu như sau: 1. Nguyên lý tương đối Einstein: Mọi định luật vật lý đều như nhau trong các hệ quy chiếu quán tính. 2. Nguyên lý về sự bất biến của vận tốc ánh sáng: Vận tốc ánh sáng trong chân không đều bằng nhau theo mọi phương và đối với mọi hệ qui chiếu quán tính. Nó có giá trị c = 3.108 m/s và là giá trị vận tốc cực đại trong tự nhiên. Nguyên lý tương đối Einstein là sự mở rộng của nguyên lý tương đối Galilée. Nguyên lý tương đối Galilée áp dụng cho các hiện tượng cơ học, nói rằng các định luật cơ học là giống nhau trong các hệ quy chiếu quán tính. Còn nguyên lý Einstein 140 Giaùo Trình Vaät Lyù Ñaïi Cöông Taäp 1: Cô – Nhieät – Ñieän mở rộng ra cho tất cả các định luật vật lý nói chung. Theo Einstein thì tất cả các định luật của tự nhiên là như nhau trong tất cả các hệ quy chiếu quán tính. Vậy nguyên lý tương đối Einstein đã mở rộng nguyên lý tương đối Galilée từ các hiện tượng cơ học sang các hiện tương vật lý nói chung. Nguyên lý về sự bất biến của vận tốc ánh sáng phản ảnh rõ ràng sự khác nhau về vận tốc tương tác trong hai lý thuyết cổ điển và tương đối. Trong lý thuyết tương đối, vận tốc truyền tương tác là hữu hạn và như nhau trong tất cả các hệ quy chiếu quán tính. Thực nghiệm chứng tỏ vận tốc không đổi này là cực đại và bằng vận tốc ánh sáng trong chân không c = 3.108 m/s. Trong cơ học Newton, quan niệm sự tương tác giữa các vật là tức thời, tức vận tốc tương tác là vô cùng. Điều này giải thích được do vận tốc trong cơ học cổ điển có giá trị rất bé, v Chöông 5: THUYEÁT TÖÔNG ÑOÁI HEÏP 141 trong hệ O’ các tín hiệu sẽ đến các điểm B và C cách đều A cùng một lúc. Nhưng các tín hiệu sáng sẽ đến các điểm B và C không đồng thời trong hệ O. Trong hệ này vận tốc truyền ánh sáng vẫn bằng c nhưng vì điểm B chuyển động đến gặp tín hiệu sáng gửi từ A đến B còn điểm C chuyển động ra xa khỏi tín hiệu gửi từ A đến C, do đó trong hệ O tín hiệu sáng sẽ gửi tới điểm B sớm hơn. Như vậy trong hệ O, theo thuyết tương đối thì các điểm B và C nhận tín hiệu sáng không đồng thời, còn theo thuyết cơ học cổ điển, các tín hiệu sáng đến B và C đồng thời do quan niệm thời gian không phụ thuộc hệ tọa độ. 2 – Phép biến đổi Lorentz Phép biến đổi Galilée dẫn tới quy luật cộng vận tốc (2.68), mà quy luật này mâu thuẫn với nguyên lý về sự bất biến của vận tốc ánh sáng. Như vậy phép biến đổi Galilée không thỏa mãn các yêu cầu của thuyết tương đối. Phép biến đổi các tọa độ không gian và thời gian khi chuyển từ hệ quán tính này sang hệ quán tính khác thỏa mãn các yêu cầu của thuyết tương đối là phép biến đổi Lorentz. ...