Albert Einstein nổi tiếng vì nhiều thứ, nhưng đứa con tinh thần lớn nhất của ông là lý thuyết tương đối. Nó mãi mãi thay đổi sự hiểu biết của chúng ta về không gian và thời gian.
Thuyết tương đối là gì? Nói ngắn gọn, đó là khái niệm rằng các định luật vật lý giống nhau ở mọi nơi. Chúng ta ở đây trên Trái đất tuân theo các định luật ánh sáng và trọng lực giống như một người ở một góc xa của vũ trụ.
Tính phổ quát của vật lý có nghĩa là lịch sử là tỉnh. Những người xem khác nhau sẽ thấy thời gian và khoảng cách của các sự kiện khác nhau. Điều đối với chúng ta là một triệu năm có thể chỉ là một cái chớp mắt cho một người nào đó bay trong một tên lửa tốc độ cao hoặc rơi vào một lỗ đen.
Tất cả đều tương đối.
Thuyết tương đối đặc biệt
Lý thuyết của Einstein được chia thành thuyết tương đối đặc biệt và tổng quát.
Thuyết tương đối đặc biệt xuất hiện đầu tiên và dựa trên tốc độ ánh sáng không đổi đối với mọi người. Điều đó có vẻ đủ đơn giản, nhưng nó có hậu quả sâu rộng.
Einstein đã đi đến kết luận này vào năm 1905 sau khi bằng chứng thực nghiệm cho thấy tốc độ ánh sáng không thay đổi khi Trái đất xoay quanh mặt trời.
Kết quả này gây ngạc nhiên cho các nhà vật lý bởi vì tốc độ của hầu hết những thứ khác phụ thuộc vào hướng mà người quan sát đang di chuyển. Nếu bạn lái xe của bạn dọc theo đường ray xe lửa, một chuyến tàu đến bạn dường như sẽ di chuyển nhanh hơn nhiều so với khi bạn quay lại và đi theo hướng đó.
Einstein nói rằng tất cả các quan sát viên sẽ đo vận tốc ánh sáng là 186.000 dặm mỗi giây, bất kể hướng nhanh như thế nào và những gì họ đang di chuyển.
Câu châm ngôn này đã khiến diễn viên hài Stephen Wright hỏi: "Nếu bạn đang ở trong một con tàu vũ trụ đang di chuyển với tốc độ ánh sáng, và bạn bật đèn pha, có chuyện gì xảy ra không?"
Câu trả lời là đèn pha bật bình thường, nhưng chỉ từ góc nhìn của ai đó bên trong tàu vũ trụ. Đối với ai đó đứng bên ngoài nhìn con tàu bay qua, đèn pha dường như không bật: đèn bật ra nhưng nó di chuyển với cùng tốc độ của tàu vũ trụ.
Những phiên bản mâu thuẫn này phát sinh vì thước kẻ và đồng hồ - những thứ đánh dấu thời gian và không gian - không giống nhau đối với các nhà quan sát khác nhau. Nếu tốc độ ánh sáng được giữ cố định như Einstein đã nói, thì thời gian và không gian không thể tuyệt đối; họ phải chủ quan.
Chẳng hạn, một tàu vũ trụ dài 100 feet di chuyển với tốc độ 99,99% tốc độ ánh sáng sẽ xuất hiện dài một bước đối với người quan sát đứng yên, nhưng nó sẽ giữ nguyên chiều dài cho những người trên tàu.
Có lẽ thậm chí kỳ lạ hơn, thời gian trôi chậm hơn nhanh hơn. Nếu một người sinh đôi cưỡi trên con tàu vũ trụ đang chạy nhanh đến một ngôi sao xa xôi nào đó và sau đó quay trở lại, cô sẽ trẻ hơn em gái mình ở lại Trái đất.
Khối lượng cũng vậy, phụ thuộc vào tốc độ. Một vật thể di chuyển càng nhanh, nó càng trở nên đồ sộ. Trên thực tế, không có tàu vũ trụ nào có thể đạt tới 100% tốc độ ánh sáng vì khối lượng của nó sẽ tăng lên vô cùng.
Mối quan hệ giữa khối lượng và tốc độ này thường được biểu thị bằng mối quan hệ giữa khối lượng và năng lượng: E = mc ^ 2, trong đó E là năng lượng, m là khối lượng và c là tốc độ ánh sáng.
Thuyết tương đối rộng
Einstein đã không làm đảo lộn sự hiểu biết của chúng ta về thời gian và không gian. Ông tiếp tục khái quát hóa lý thuyết của mình bằng cách bao gồm gia tốc và thấy rằng điều này làm biến dạng hình dạng của thời gian và không gian.
Để gắn bó với ví dụ trên: hãy tưởng tượng tàu vũ trụ tăng tốc bằng cách bắn các bộ đẩy của nó. Những người trên tàu sẽ bám sát mặt đất như thể họ đang ở trên Trái đất. Einstein tuyên bố rằng lực mà chúng ta gọi là trọng lực không thể phân biệt được khi ở trong một con tàu đang tăng tốc.
Điều này tự nó không phải là một cuộc cách mạng, nhưng khi Einstein thực hiện phép toán phức tạp (phải mất 10 năm), ông phát hiện ra rằng không gian và thời gian bị uốn cong gần một vật thể lớn, và độ cong này là thứ chúng ta trải nghiệm như lực hấp dẫn.
Thật khó để hình dung hình học cong của thuyết tương đối rộng, nhưng nếu người ta nghĩ rằng không-thời gian là một loại vải, thì một vật thể lớn kéo căng vải xung quanh sao cho mọi thứ đi qua gần đó không còn đi theo một đường thẳng nữa.
Các phương trình của thuyết tương đối rộng dự đoán một số hiện tượng, nhiều trong số đó đã được xác nhận:
- bẻ cong ánh sáng xung quanh các vật thể lớn (thấu kính hấp dẫn)
- một sự tiến hóa chậm trong quỹ đạo của hành tinh Sao Thủy (suy đoán perihelion)
- kéo khung thời gian không gian xung quanh các cơ thể quay
- làm suy yếu ánh sáng thoát khỏi lực hấp dẫn (dịch chuyển đỏ hấp dẫn)
- sóng hấp dẫn (gợn sóng trong vải không gian) gây ra bởi các vụ va chạm vũ trụ
- sự tồn tại của các lỗ đen bẫy mọi thứ kể cả ánh sáng
Sự cong vênh của không-thời gian xung quanh một lỗ đen dữ dội hơn bất cứ nơi nào khác. Nếu cặp song sinh không gian rơi vào hố đen, cô sẽ bị kéo dài ra như mì spaghetti.
May mắn cho cô ấy, tất cả sẽ kết thúc sau vài giây. Nhưng em gái của cô trên Trái đất sẽ không bao giờ thấy nó kết thúc - nhìn em gái đáng thương của mình nhích dần về phía lỗ đen trong thời đại của vũ trụ.
Bài viết này được cập nhật vào ngày 2 tháng 7 năm 2019, bởi Tim Childers, người đóng góp cho Khoa học trực tiếp.
