8 cách kiểm chứng Thuyết tương đối của Einstein ngoài đời thực

Không cần phải lên một con tàu vũ trụ có vận tốc ánh sáng để kiểm nghiệm, những thứ trong cuộc sống hàng ngày và trong công nghệ chúng ta sử dụng ngày nay cũng chứng minh rằng Einstein đã đúng.

Lý thuyết rất đơn giản. Đầu tiên, không có hệ quy chiếu "tuyệt đối": Mỗi khi bạn đo vận tốc, động lượng của một vật hoặc cách nó trải qua thời gian, nó luôn liên quan đến một thứ khác. Thứ hai, tốc độ ánh sáng là như nhau cho dù ai đo nó hay người đo nó đi nhanh đến đâu. Thứ ba, không gì có thể đi nhanh hơn ánh sáng.

Ngắn gọn vậy thôi, nhưng hiểu nó như thế nào và kiểm nghiệm ra làm sao? Đã vậy ví dụ của người thông minh còn khó nhằn hơn. Einstein nói: "Một phi hành gia di chuyển rất nhanh so với Trái đất sẽ thấy từng giây tích tắc chậm hơn so với người quan sát trên Trái đất. Về cơ bản, thời gian trôi chậm lại đối với phi hành gia - một hiện tượng gọi là sự giãn nở thời gian."

Nhưng bạn không nhất thiết cần một con tàu vũ trụ phóng to ở tốc độ gần tốc độ ánh sáng để thấy được các hiệu ứng mang tính tương đối. Có một số ví dụ về thuyết tương đối mà chúng ta có thể thấy trong cuộc sống hàng ngày và trong công nghệ chúng ta sử dụng ngày nay chứng minh rằng Einstein đã đúng. Dưới đây là một số ví dụ phổ biến về lý thuyết tương đối trong thực tế.

Máy phát điện - Nam châm điện

Từ tính là một hiệu ứng tương và bạn có thể thấy điều này được thể hiện ở máy phát điện. Nếu bạn lấy một vòng dây và di chuyển nó qua từ trường, bạn sẽ tạo ra một dòng điện. Các hạt tích điện trong dây bị ảnh hưởng bởi từ trường thay đổi, buộc một số chúng chuyển động và tạo ra dòng điện.

Nhưng khi sợi dây đứng yên và nam châm đang chuyển động. Trong trường hợp này, các hạt tích điện trong dây (electron và proton) không còn chuyển động nữa, do đó từ trường sẽ không ảnh hưởng đến chúng. Nhưng nó vẫn tồn tại và dòng điện vẫn chảy. Điều này cho thấy rằng không có hệ quy chiếu đặc quyền.

Máy phát điện và nam châm điện là vật dụng đơn giản để kiểm chứng tính tương đối của chuyển động, hệ quy chiếu.

Máy phát điện và nam châm điện là vật dụng đơn giản để kiểm chứng tính tương đối của chuyển động, hệ quy chiếu.

Thomas Moore, giáo sư vật lý tại trường Cao đẳng Pomona ở Claremont, California, sử dụng nguyên lý tương đối để chứng minh định luật Faraday, trong đó phát biểu rằng từ trường biến thiên sẽ tạo ra dòng điện.

Moore nói với Live Science: “Vì đây là nguyên lý cốt lõi của máy biến áp và máy phát điện nên bất kỳ ai sử dụng điện đều phải chịu tác động của thuyết tương đối”.

Nam châm điện cũng hoạt động theo thuyết tương đối. Khi dòng điện một chiều chạy qua dây dẫn, các electron sẽ di chuyển qua vật liệu. Thông thường, dây có vẻ trung hòa về điện, không có điện tích dương hoặc âm vì dây có cùng số proton (điện tích dương) và số electron (điện tích âm). Nhưng nếu bạn đặt một dây khác có dòng điện một chiều bên cạnh, thì các dây này sẽ hút hoặc đẩy nhau, tùy thuộc vào hướng dòng điện chuyển động.

Hệ thống định vị GPS

Để hệ thống định vị GPS trên ô tô của bạn hoạt động chính xác như hiện tại, các vệ tinh phải xem xét các hiệu ứng có tính tương đối. Điều này là do mặc dù các vệ tinh không di chuyển gần tốc độ ánh sáng nhưng chúng vẫn di chuyển khá nhanh. Các vệ tinh cũng đang gửi tín hiệu đến các trạm mặt đất trên Trái đất. Các trạm này (và công nghệ GPS trong ô tô hoặc điện thoại thông minh) đều chịu gia tốc trọng lực cao hơn so với các vệ tinh trên quỹ đạo.

Nếu không điều chỉnh dựa trên thuyết tương đối, hệ thống định vị sẽ sai lệch do các vệ tinh địa tĩnh và thiết bị mặt đất có tốc độ di chuyển khác nhau.

Nếu không điều chỉnh dựa trên thuyết tương đối, hệ thống định vị sẽ sai lệch do các vệ tinh địa tĩnh và thiết bị mặt đất có tốc độ di chuyển khác nhau.

Để có được độ chính xác tuyệt đối đó, các vệ tinh sử dụng đồng hồ có độ chính xác đến vài nano giây (một phần tỷ giây). Bởi vì mỗi vệ tinh cách Trái đất 12.600 dặm (20.300 km) và di chuyển với tốc độ khoảng 10.000 km/h, nên có sự giãn nở thời gian tương đối tính khoảng 4 micro giây mỗi ngày. Thêm vào tác dụng của trọng lực, hiệu ứng giãn nở thời gian tăng lên khoảng 7 micro giây (một phần triệu giây).

Sự khác biệt là rất thực tế: Nếu không tính đến hiệu ứng tương đối, thiết bị GPS cho bạn biết còn cách trạm xăng tiếp 0,8 km sẽ bị lệch 8 km chỉ sau một ngày.

Vàng có màu hơi vàng

Hầu hết các kim loại đều sáng bóng vì các electron trong nguyên tử di chuyển ở các mức năng lượng khác nhau, hay còn gọi là “quỹ đạo”. Một số photon chạm vào kim loại sẽ bị hấp thụ và phát xạ trở lại, mặc dù ở bước sóng dài hơn. Tuy nhiên, hầu hết ánh sáng nhìn thấy đều bị phản xạ.

Vàng là một nguyên tố nặng, do đó các electron bên trong chuyển động đủ nhanh để khối lượng tương đối tăng lên trong khi kích thước nhỏ. Kết quả là các electron quay xung quanh hạt nhân theo những đường đi ngắn hơn, với nhiều động lượng hơn.

Vàng có màu vàng gold chứ không phải yellow là bởi...

Vàng có màu vàng gold chứ không phải yellow là bởi...

Các electron ở quỹ đạo bên trong mang năng lượng gần với năng lượng của các electron bên ngoài hơn và bước sóng bị hấp thụ và phản xạ dài hơn. Bước sóng ánh sáng dài hơn có nghĩa là một số ánh sáng nhìn thấy thường bị phản xạ sẽ bị hấp thụ và ánh sáng đó nằm ở đầu màu xanh lam của quang phổ.

Ánh sáng trắng là sự kết hợp của tất cả các màu sắc của cầu vồng, nhưng trong trường hợp của vàng, khi ánh sáng bị hấp thụ và phản xạ lại, bước sóng thường dài hơn. Điều đó có nghĩa là sự kết hợp của các sóng ánh sáng mà chúng ta thấy có xu hướng có ít màu xanh lam và tím hơn. Vì ánh sáng vàng, cam và đỏ có bước sóng dài hơn ánh sáng xanh nên vàng có vẻ... hơi vàng.

Vàng, lại là vàng, với khả năng chống ăn mòn

Hiệu ứng tương đối tác động lên các electron của vàng cũng là một lý do khiến nó không bị ăn mòn hoặc dễ dàng phản ứng với bất kỳ thứ gì khác .

Vàng chỉ có một electron ở lớp vỏ ngoài, nhưng nó vẫn không phản ứng mạnh như canxi hay lithium. Thay vào đó, vì các electron trong vàng "nặng" hơn mức cần thiết nên chúng chuyển động gần tốc độ ánh sáng, làm tăng khối lượng nên chúng bị giữ gần hạt nhân nguyên tử hơn.

Điều này có nghĩa là electron ngoài cùng không có khả năng phản ứng với bất cứ thứ gì; nó có khả năng nằm trong số các electron ở gần hạt nhân.

Dạng lỏng của thủy ngân

Thủy ngân cũng là một nguyên tử nặng, với các electron được giữ gần hạt nhân vì tốc độ của chúng và do đó khối lượng tăng lên. Điều này khiến liên kết giữa các nguyên tử thủy ngân yếu nên thủy ngân tan chảy ở nhiệt độ thấp hơn và thường ở dạng chất lỏng khi chúng ta nhìn thấy.

Tivi thế hệ cũ

Cái nam châm Puryty quyết định chuyện màu sắc.

Cái nam châm Puryty quyết định chuyện màu sắc.

Cho đến khoảng đầu những năm 2000, hầu hết tivi và màn hình đều có màn hình ống tia âm cực. Ống tia âm cực hoạt động bằng cách bắn các electron vào bề mặt phốt pho bằng một nam châm lớn.

Mỗi electron tạo ra một pixel phát sáng khi nó chạm vào mặt sau của màn hình và các electron bắn ra để làm cho hình ảnh chuyển động với tốc độ lên tới 30% tốc độ ánh sáng. Động tới electron thì đương nhiên sẽ bị thuyết tương đối ảnh hưởng. Vậy nên, việc tính toán, tạo hình nam châm của các nhà sản xuất phải tính toán dựa trên thuyết tương đối.

Ánh sáng

Khó lòng hiểu được phát biểu của những bộ óc vĩ đại.

Khó lòng hiểu được phát biểu của những bộ óc vĩ đại.

Lần này thì quay trở lại với ánh sáng nhưng nó còn tăm tối hơn vì bạn phải dùng tư duy phủ định để khẳng định.

Isaac Newton giả định rằng có một hệ quy chiếu đứng yên tuyệt đối hoặc một hệ quy chiếu hoàn hảo bên ngoài mà chúng ta có thể so sánh với tất cả các hệ quy chiếu khác.

Nếu ông ấy đúng, chúng ta sẽ phải đưa ra một cách giải thích khác cho ánh sáng, vì điều đó hoàn toàn không xảy ra.

Một danh nhân khoa học khác là Gorden Moore nói: “Không những từ tính không tồn tại mà ánh sáng cũng không tồn tại, bởi vì thuyết tương đối đòi hỏi những thay đổi trong trường điện từ phải chuyển động ở một tốc độ hữu hạn thay vì tức thời”. “Nếu thuyết tương đối không đáp ứng được yêu cầu này… những thay đổi trong điện trường sẽ được truyền ngay lập tức… thay vì thông qua sóng điện từ, và cả từ tính lẫn ánh sáng đều không cần thiết.”

Mặt trời

Khối lượng tương quan đến năng lượng qua công thức vĩ đại E = mc2

Khối lượng tương quan đến năng lượng qua công thức vĩ đại E = mc2

Ánh sáng thông thường vẫn chưa đủ chói rọi cho bạn, thì hãy tìm đến mặt trời.

Nếu không có phương trình nổi tiếng nhất của Einstein - E = mc2 - thì hỡi ôi, mặt trời và các ngôi sao còn lại sẽ không tỏa sáng.

Ở trung tâm ngôi sao mẹ của chúng ta, nhiệt độ và áp suất cực cao liên tục ép bốn nguyên tử hydro riêng biệt thành một nguyên tử helium duy nhất. Khối lượng của một nguyên tử helium chỉ nhỏ hơn một chút so với bốn nguyên tử hydro.

Điều gì xảy ra với khối lượng thừa ra? Nó được chuyển đổi trực tiếp thành năng lượng, hiển thị dưới dạng ánh sáng mặt trời trên hành tinh của chúng ta.