600 Câu Lý Thuyết B1 Pdf
Cori Lenon
Thuyết tương đối rộng hay thuyết tương đối tổng qut (tiếng Anh: general relativity) l l thuyết hnh học của lực hấp dẫn do nh vật l Albert Einstein cng bố vo năm 1915[2] v hiện tại được coi l l thuyết miu tả hấp dẫn thnh cng của vật l hiện đại. Thuyết tương đối tổng qut thống nhất thuyết tương đối hẹp v định luật vạn vật hấp dẫn của Newton, đồng thời n miu tả lực hấp dẫn (trường hấp dẫn) như l một tnh chất hnh học của khng gian v thời gian, hoặc khng thời gian. Đặc biệt, độ cong của khng thời gian c lin hệ chặt chẽ trực tiếp với năng lượng v động lượng của vật chất v bức xạ. Lin hệ ny được xc định bằng phương trnh trường Einstein, một hệ phương trnh đạo hm ring phi tuyến.
Nhiều tin đon v hệ quả của thuyết tương đối rộng khc biệt hẳn so với kết quả của vật l cổ điển, đặc biệt khi đề cập đến sự tri đi của thời gian, hnh học của khng gian, chuyển động của vật thể khi rơi tự do v sự lan truyền của nh sng. Những sự khc biệt như vậy bao gồm sự gin thời gian do hấp dẫn, thấu knh hấp dẫn, dịch chuyển đỏ do hấp dẫn của nh sng, v sự trễ thời gian do hấp dẫn. Mọi quan st v th nghiệm đều xc nhận cc hiệu ứng ny cho tới nay. Mặc d c một số l thuyết khc về lực hấp dẫn cũng được nu ra, nhưng l thuyết tương đối tổng qut l một l thuyết đơn giản nhất ph hợp cc dữ liệu thực nghiệm. Tuy thế, vẫn cn tồn tại những cu hỏi mở, căn bản nhất như cc nh vật l chưa biết lm thế no kết hợp thuyết tương đối rộng với cc định luật của vật l lượng tử nhằm tạo ra một l thuyết đầy đủ v nhất qun l thuyết hấp dẫn lượng tử.
Ngay sau khi pht triển thuyết tương đối đặc biệt năm 1905, Einstein bắt đầu suy nghĩ về sự mu thuẫn giữa lực hấp dẫn Newton với l thuyết ny. Năm 1907, ng nhận ra sự lin hệ (hay tương đương cục bộ) giữa lực hấp dẫn v hệ quy chiếu gia tốc (ng coi đy l tưởng hạnh phc nhất của đời mnh) v nu ra một th nghiệm suy tưởng đơn giản trong đ c một người quan st trong thang my rơi tự do. ng đ phải mất tm năm theo đuổi nhằm tm kiếm l thuyết hấp dẫn tương đối tnh. Sau nhiều nhầm lẫn v đi lệch hướng, cuối cng ng đ tm ra được phương trnh hấp dẫn v miu tả n trong cuộc họp của Viện hn lm Khoa học Phổ vo thng 11 năm 1915 m ngy nay gọi l phương trnh trường Einstein. Hệ phương trnh ny cho biết hnh học của khng thời gian bị ảnh hưởng bởi sự c mặt của vật chất như thế no, v lực hấp dẫn do sự cong của hnh học khng thời gian. Phương trnh trường Einstein l mảnh ghp trung tm của thuyết tương đối tổng qut.[3]
Trong suốt thời k từ thập nin 1920 đến thập nin 1950, cc nh vật l vẫn coi thuyết tương đối tổng qut một l thuyết kỳ lạ trong cc l thuyết vật l. N đẹp hơn l thuyết của Newton, ph hợp với thuyết tương đối hẹp v giải thch được một vi hiệu ứng m l thuyết Newton chưa thnh cng. Chnh Einstein đ chỉ ra vo năm 1915 rằng l thuyết của ng đ giải thch được chuyển động dị thường của điểm cận nhật của Sao Thủy m khng cần tới bất k một tham số no.[9] Vo năm 1919 một đon thm hiểm dẫn đầu bởi Arthur Eddington đ xc nhận tin đon của thuyết tương đối tổng qut về sự lệch nh sng khi n đi gần Mặt trời bằng cch theo di nhật thực vo thng 5,[10] khiến Einstein ngay lập tức trở nn nổi tiếng.[11] V l thuyết trở thnh hướng đi chnh của vật l l thuyết v thin văn vật l trong giai đoạn pht triển từ 1960 đến 1975, hay thời kỳ vng của thuyết tương đối rộng.[12] Cc nh vật l bắt đầu nắm bắt được khi niệm lỗ đen, v đồng nhất những đối tượng thin văn vật l ny với quasar trong thin văn quan st.[13] C thm nhiều kiểm nghiệm chnh xc trong hệ Mặt Trời đ chứng tỏ sức mạnh tin đon của l thuyết,[14] v trong vũ trụ học tương đối tnh cũng vậy với rất nhiều quan st đo lường nhằm kiểm chứng hệ quả của l thuyết.[15]
Chng ta c thể hiểu thuyết tương đối rộng thng qua những điểm tương tự v khc biệt của n so với l thuyết Newton. Bước đầu tin l chỉ ra cơ học cổ điển v định luật vạn vật hấp dẫn cho php miu tả theo ngn ngữ hnh học. Bằng cch kết hợp miu tả ny với định luật của thuyết tương đối hẹp sẽ cho chng ta khm ph thuyết tương đối rộng một cch tự nhin.[16]
Cơ sở của vật l cổ điển l khi niệm chuyển động của một vật thể, kết hợp giữa chuyển động tự do (hay qun tnh) v chuyển động khi c ngoại lực tc dụng. Cc chuyển động ny được miu tả bằng phương trnh trong khng gian 3 chiều Euclid v sử dụng khi niệm thời gian tuyệt đối. Những ngoại lực tc dụng ln vật thể lm quỹ đạo vật lệch khỏi quỹ đạo của chuyển động qun tnh tun theo định luật thứ hai của Newton về chuyển động, pht biểu l tổng lực tc dụng ln vật bằng khối lượng (qun tnh) nhn với gia tốc của n.[17] Tiếp theo, chuyển động qun tnh được lin hệ với hnh học của khng gian v thời gian: trong hệ quy chiếu qun tnh của cơ học cổ điển, cc vật chuyển động tự do với vận tốc khng đổi sẽ c quỹ đạo l đường thẳng. Theo ngn ngữ của vật l hiện đại, quỹ đạo của chng l đường trắc địa, những tuyến thế giới thẳng (world lines, hay đường thế giới) trong khng thời gian cong v đường trắc địa chnh l đường thẳng trong hnh học phẳng.[18]
Ngược lại, chng ta mong muốn rằng nhờ p dụng chuyển động qun tnh - một khi biết được chuyển động thực của vật thể do ảnh hưởng của ngoại lực no (như lực điện từ hoặc ma st) - để xc định ra hnh học của khng gian, cũng như tọa độ thời gian. Tuy nhin, c một sự kh khăn khi xuất hiện hấp dẫn. Theo định luật vạn vật hấp dẫn Newton, v những th nghiệm độc lập của Etvs v cc th nghiệm sau đ (xem th nghiệm Etvs), vật rơi tự do (cn gọi l nguyn l tương đương yếu, hay sự bằng nhau giữa khối lượng qun tnh v khối lượng hấp dẫn thụ động): quỹ đạo của vật thử khi rơi tự do chỉ phụ thuộc vo vị tr v vận tốc ban đầu của n, chứ khng phụ thuộc vo n cấu tạo bằng vật chất g (như lực điện từ cn phụ thuộc vo điện tch hạt thử).[19] C một minh họa đơn giản điều ny thể hiện trong th nghiệm tưởng tượng của Einstein, ở hnh bn cạnh: đối với một quan st vin trong thang my kn, anh ta khng thể biết được, bằng theo di quỹ đạo của cc vật như quả bng rơi, rằng anh ta đang ở trong căn phng đứng yn trn mặt đất v trong một trường hấp dẫn, hay đang ở trong tu vũ trụ chuyển động tự do trong khng gian với gia tốc bằng gia tốc hấp dẫn.[20]
Nếu m hnh lực hấp dẫn Newton c thể biểu diễn bằng hnh học th cơ sở vật l của n, cơ học cổ điển, chỉ l trường hợp giới hạn của cơ học tương đối tnh (đặc biệt) đối với chuyển động c vận tốc nhỏ.[23] Theo ngn ngữ của đối xứng: khi bỏ qua ảnh hưởng của trường hấp dẫn, cc phương trnh vật l tun theo bất biến Lorentz giống như của thuyết tương đối hẹp hơn l tun theo bất biến Galileo như trong cơ học cổ điển. (Nhm đối xứng của thuyết tương đối hẹp l nhm Poincar bao gồm cả php tịnh tiến v php quay.) Sự khc nhau giữa cơ học cổ điển v thuyết tương đối hẹp trở ln r rệt khi cc vật c vận tốc gần với tốc độ nh sng, v khi xt đến những qu trnh năng lượng cao.[24]
Với đối xứng Lorentz, chng ta c thm những cấu trc mới. Chng được xc định bằng tập hợp nn nh sng (xem hnh bn tri). Cc nn nh sng cho php định nghĩa cấu trc nhn quả: đối với mỗi sự kiện A, về nguyn l c một tập cc sự kiện, hoặc ảnh hưởng đến A hoặc bị ảnh hưởng bởi A thng qua tn hiệu hoặc tương tc m khng vượt qu tốc độ nh sng (như sự kiện B trong hnh), v một tập cc sự kiện khng thể lin quan được đến A (như sự kiện C trong hnh). Tập ny gọi l tập những quan st vin độc lập.[25] Khi gắn với tuyến thế giới (world-lines) của hạt rơi tự do, chng ta sử dụng nn nh sng nhằm khi phục lại mtric nửa-Riemannian của khng thời gian, t nhất đối với số hạng v hướng dương. Theo thuật ngữ ton học, qu trnh ny xc định ln cấu trc bảo gic.[26]
Thuyết tương đối hẹp khng miu tả lực hấp dẫn, do vậy cc nh vật l p dụng n cho những m hnh khng tnh đến lực hấp dẫn. Bởi v m hnh hấp dẫn Newton ni rằng lực hấp dẫn giữa hai vật thể tc dụng một cch tức th, khng kể chng ở cch xa bao nhiu (hay tồn tại những hệ quy chiếu qun tnh ton cục), do vậy l thuyết Newton vi phạm bất biến Lorentz. Khi tnh đến trường hấp dẫn, bằng p dụng sự rơi tự do, cch l giải tương tự như phần trước được p dụng: khng c một hệ quy chiếu qun tnh ton cục tồn tại trong l thuyết tương đối tổng qut. Thay v vậy chng ta chỉ c thể sử dụng những hệ quy chiếu qun tnh cục bộ "xấp xỉ" di chuyển dọc theo quỹ đao hạt rơi tự do. Chuyển thnh ngn ngữ của khng thời gian: những tuyến thế giới thẳng kiểu thời gian m xc định hệ quy chiếu qun tnh khng c trường hấp dẫn sẽ bị lệch thnh những đường cong tương đối với nhau trong trường hấp dẫn (Giống như khi thả hai quả bng rơi tự do, tưởng như chng rơi song song với nhau nhưng thực tế quỹ đạo của chng gặp nhau tại tm Tri Đất, hay quỹ đạo hai quả bng bị lệch tương đối với nhau khi c mặt trường hấp dẫn.) v điều ny gợi ra rằng trường hấp dẫn lm thay đổi hnh học của khng thời gian từ phẳng sang cong.[27]