Dấu ấn Einstein trong khoa học và công nghệ hiện đại

Cách đây đúng 105 năm, Einstein bắt đầu công bố những công trình vật lý đặc sắc làm cho tên tuổi của ông trở thành bất tử. Nhưng ông cũng trở nên nổi tiếng vì những lý thuyết vật lý đi trước thời đại, cao xa và khó hiểu.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Dấu ấn Einstein trong khoa học và công nghệ hiện đại Dấu ấn Einstein trong khoa học và công nghệ hiện đại Cách đây đúng 105 năm, Einstein bắt đầu công bố những công trình vậtlý đặc sắc làm cho tên tuổi của ông trở thành bất tử. Nhưng ông cũng trở nênnổi tiếng vì những lý thuyết vật lý đi trước thời đại, cao xa và khó hiểu.Người ta vẫn lưu truyền câu chuyện của Einstein và Charlie Chaplin (vua hềCharlot) ở buổi chiếu ra mắt phim ánh đèn thành phố. Hai thượng kháchđược mời đến là Einstein và Chaplin. Trong tiếng vỗ tay vang dội, khán giảđứng lên chào đón khi hai ông sóng đôi bước vào rạp, Chaplin nói nhỏ vớiEinstein: Người ta hoan hô tôi vì xem vở diễn của tôi ai cũng hiểu, còn hoanhô ông vì lý thuyết của ông không ai hiểu nổi. Khi đó, báo chí đã có lúc viết:trên thế giới chắc chỉ có mươi người hiểu được Einstein. Nhưng đó là chuyện của 100 năm trước. Ngày nay, những lý thuyết củaEinstein không những đã có nhiều người hiểu mà hơn thế nữa đã được vận dụngrất rộng rãi. Có thể nói, trong khoa học kỹ thuật hiện đại, nơi nào ta cũng thấy cóEinstein. Tìm hiểu các công trình khoa học của Einstein ta hiểu rõ hơn khoa học kỹthuật hiện đại, ngược lại tìm hiểu khoa học kỹ thuật hiện đại ta hiểu sâu hơn vềEinstein. Sau đây là một số ví dụ. Thuyết tương đối và máy thu GPS Einstein đưa ra thuyết tương đối hẹp vào năm 1905 và 11 năm sau, ông đưa ra thuyết tương đối rộng. Trong hai thuyết - gọi chung là Thuyết tương đối, có một điểm nổi bật: thời gian không phải là tuyệt đối, thời gian hòa quyện với không gian thành không - thời gian. Hai cái đồng hồ y hệt như nhau lúc cùng đứng yên, nhưng khi một cái đồng hồ chuyển động thì nó sẽ chạy chậm hơnso với cái đồng hồ đứng yên. Cũng vậy, cái đồng hồ ở xa vật gây ra lực hút (quả đấtchẳng hạn) chạy nhanh hơn cái đồng hồ ở gần. Những điều có vẻ nghịch lý này đãmột thời làm cho cả thế giới thắc mắc, khó hiểu thì nay nhiều người đã hiểu được,hơn nữa còn vận dụng rất sáng tạo mà Hệ định vị toàn cầu GPS (Global PositioningSystem) là một ví dụ. GPS gồm 24 vệ tinh bay ở độ cao 20.000 km, mỗi vệ tinh bay quanh quả đất 2vòng trong một ngày đêm (tốc độ 4 km/s). Quỹ đạo của các vệ tinh được chọn saocho ở bất cứ vị trí nào trên mặt đất cũng có thể nhìn thấy ở trên trời có 4 vệ tinh.Mỗi vệ tinh có một đồng hồ nguyên tử và liên tục gửi về mặt đất những xung sóngđiện từ, mỗi xung chứa hai tín hiệu: vị trí của vệ tinh lúc phát xung và thời điểmphát xung đó. Máy thu GPS ở vị trí nào trên mặt đất tại thời điểm t cũng thu được 4xung điện từ bốn vệ tinh. Đối với xung điện thu được từ vệ tinh thứ i, máy thu GPStính được thời gian t - ti là thời gian xung điện đi từ vệ tinh thứ i đến máy thu. Máydễ dàng tính ra khoảng cách ri đến máy thu theo công thức ri = c (t - ti) (với c là tốcđộ truyền xung, tức là truyền sóng điện từ, gần bằng 300.000 km/s). Biết được 4khoảng cách ri từ 4 vệ tinh, máy thu GPS dễ dàng tính ra vị trí của máy thu (kinhtuyến, vĩ tuyến, độ cao). Kỹ thuật phức tạp, nhưng nguyên lý có vẻ đơn giản. Ban đầu chính nhữngnhà thiết kế ra GPS tưởng rằng dùng đồng hồ nguyên tử chính xác đến một phầnnghìn tỷ giây (10-12 s) là đo t và ti thừa chính xác. Thực tế lại cho thấy, xác định vịtrí như vậy sai khá nhiều, không chấp nhận được. Nguyên nhân chủ yếu của kếtquả sai này là không chú ý đến Thuyết tương đối của Einstein. Thật vậy, tuy đều làđồng hồ nguyên tử, khi để ở mặt đất chúng chạy chính xác như nhau, nhưng khiđưa lên vệ tinh chuyển động với tốc độ 4 km/s sẽ chạy chậm hơn đồng hồ đứngyên trên mặt đất. Tính theo công thức của Einstein thì một ngày đêm chậm mất 7micrôgiây (7.10-6 s). Mặt khác đồng hồ ở vệ tinh là ở độ cao 20.000 km so với mặtđất nên ít bị tác dụng của lực hút (trọng trường) của quả đất nên chạy nhanh hơn.Do đó, một ngày đêm đồng hồ trên vệ tinh chạy nhanh hơn đồng hồ ở mặt đất 45micrô giây (45.10-6 s). Kết quả tổng cộng là cứ một ngày đêm đồng hồ trên vệ tinhchạy nhanh so với đồng hồ trên mặt đất là 45 - 7 = 38 micrôgiây. Vì vậy khi đã lấygiờ như nhau, sau một ngày đêm hai đồng hồ đã sai nhau đến 38 micrôgiây. Nếutính khoảng cách theo công thức c (t - ti) thì sai lệch 38 micrôgiây dẫn đến sai lệch38 ms x 300.000 km/s = 11,4 km. Hiện nay ở GPS có chương trình tính hiệu chỉnh thời gian theo Thuyết tươngđối cũng như có nhiều trợ giúp kỹ thuật khác nên độ chính xác của phép định vị cóthể vào cỡ m, thậm chí ở độ chính xác cao có thể chỉ sai đến cm. Nhờ việc xác định vị trí theo GPS có độ chính xác cao nên hiện nay các nhàhàng hải, địa chất, leo núi, du lịch… đều dùng GPS chứ không dùng la bàn như xưanữa. ở Việt Nam, sau khi tàu tốc hành E1 bị tai nạn tại Lăng Cô, người ta đangchuyển sang dùng GPS để từ trung tâm có thể theo dõi tốc độ của tàu ở bất cứ vị trínào, thời gian nào trên đường tàu chạy. ...