Thuyết tương đối hẹp

Chương 5: Thuyết tương đối hẹp Einstein

CHƯƠNG V: THUYẾT TƯƠNG ĐỐI HẸP EINSTEIN
Theo cơ học cổ điển (cơ học Newton) thì không gian, thời gian và vật chất không phụ
thuộc vào chuyển động; không gian và thời gian là tuyệt đối, kích thước và khối lượng của
vật là bất biến. Nhưng đến cuối thế kỉ 19 và đầu thế kỉ 20, khoa học kĩ thuật phát triển
mạnh, người ta gặp những vật chuyển động nhanh với vận tốc cỡ vận tốc ánh sáng trong
chân không (3.10
8
m/s), khi đó xuất hiện sự mâu thuẫn với các quan điểm của cơ học
Newton: Không gian, thời gian và khối lượng của vật khi chuyển động với vận tốc gần bằng
vận tốc ánh sáng thì phụ thuộc vào chuyển động. Năm 1905, Einstein mới 25 tuổi đã đề
xuất lí thuyết tương đối của mình. Lí thuyết tương đối được xem là một lí thuyết tuyệt đẹp
về không gian và thời gian. Lí thuyết đó đã đứng vững qua nhiều thử thách thực nghiệm
trong suốt 100 năm qua. Lí thuyết tương đối dựa trên hai nguyên lí: nguyên lí tương đối và
nguyên lí về sự bất biến của vận tốc ánh sáng.
I. MỤC ĐÍCH - YÊU CẦU
1. Hiểu được ý nghĩa của nguyên lí tương đối Einstein, nguyên lí về tính bất biến của vận
tốc ánh sáng.
2. Hiểu và vận dụng được phép biến đổi Lorentz. Tính tương đối của không gian, thời gian.
3. Nắm được khối lượng, động lượng tương đối tính, hệ thức Einstein và ứng dụng.
II. NỘI DUNG
§1.

CÁC TIÊN ĐỀ EINSTEIN
1. Nguyên lí tương đối:
“ Mọi định luật vật lí đều như nhau trong các hệ qui chiếu quán tính”.
Galileo đã thừa nhận rằng những định luật của cơ học hoàn toàn giống nhau trong
mọi hệ qui chiếu quán tính. Einstein đã mở rộng ý tưởng này cho toàn bộ các định luật vật lí
trong các lĩnh vực điện từ, quang học...
2. Nguyên lí về sự bất biến của vận tốc ánh sáng:
“Vận tốc ánh sáng trong chân không đều bằng nhau đối với mọi hệ quán tính. Nó có
giá trị bằng c = 3.10
8
m/s và là giá trị vận tốc cực đại trong tự nhiên”.

81
Chương 5: Thuyết tương đối hẹp Einstein
§2. ĐỘNG HỌC TƯƠNG ĐỐI TÍNH – PHÉP BIẾN ĐỔI LORENTZ
1. Sự mâu thuẫn của phép biến đổi Galileo với thuyết tương đối Einstein
Xét hai hệ qui chiếu quán tính K và K'. Hệ K' chuyển động thẳng đều với vận tốc V
so với hệ K, dọc theo phương x. Theo phép biến đổi Galileo, thời gian diễn biến một quá
trình vật lí trong các hệ qui chiếu quán tính K và K’ đều như nhau: t = t’. Khoảng cách giữa
hai điểm 1 và 2 nào đó đo được trong hai hệ K và K’ đều bằng nhau:
1212
xxxx



=

Δ=−=Δ
ll

trong hệ K trong hệ K
/
Vận tốc của chất điểm chuyển động trong hệ K bằng tổng các vận tốc của chất điểm
đó trong hệ K’ và vận tốc V của hệ K' đối với hệ K:
v 'v
V'vv +=

Tất cả các kết quả trên đây đều đúng đối với v << c. Nhưng chúng mâu thuẫn với lí
thuyết tương đối của Einstein. Theo thuyết tương đối: thời gian không có tính tuyệt đối,
khoảng thời gian diễn biến của một quá trình vật lí phụ thuộc vào các hệ qui chiếu. Đặc biệt
khái niệm đồng thời phụ thuộc vào hệ qui chiếu, tức là các hiện tượng xảy ra đồng thời ở
trong hệ qui chiếu quán tính này sẽ không xảy ra đồng thời ở trong hệ qui chiếu quán tính
khác. Để minh họa chúng ta xét ví dụ sau:
Hai hệ qui chiếu quán tính K và K’ với
các trục tọa độ x, y, z và x’, y’, z’. Hệ K’
chuyển động thẳng đều với vận tốc V so với
hệ K theo phương x. Từ một điểm A bất kì,
trên trục x’ có đặt một bóng đèn phát tín hiệu
sáng theo hai phía ngược nhau của trục x.
Đối với hệ K’ bóng đèn là đứng yên vì nó
cùng chuyển động với hệ K’. Trong hệ K’
các tín hiệu sáng sẽ tới các điểm B và C ở
cách đều A cùng một lúc. Nhưng trong hệ K,
điểm B chuyển động đến gặp tín hiệu sáng,
còn điểm C chuyển động ra xa khỏi tín hiệu
sáng, do đó trong hệ K tín hiệu sáng sẽ đến
điểm B sớm hơn đến điểm C. Như vậy trong
hệ K, các tín hiệu sáng tới điểm B và điểm C
không đồng thời.
Hình 5-1. Thí dụ minh họa khái niệm
đồng thời có tính tương đối
Định luật cộng vận tốc, hệ quả của nguyên lí tương đối Galileo cũng không áp dụng
được. Theo định luật này thì ánh sáng truyền đến B với vận tốc c +V > c, còn ánh sáng
truyền đến C với vận tốc c -V< c. Điều này mâu thuẫn với nguyên lí thứ 2 trong thuyết
tương đối Einstein.

82
Chương 5: Thuyết tương đối hẹp Einstein
2. Phép biến đổi Lorentz
Lorentz tìm ra 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 Einstein.
Phép biến đổi này được gọi là phép biến đổi Lorentz. Phép biến đổi Lorentz dựa trên hai
tiên đề của Einstein.
Xét hai hệ qui chiếu quán tính K và K’. Tại t = 0, hai gốc O, O’ trùng nhau, K’ chuyển động thẳng đều so với
K với vận tốc V theo phương x. Theo thuyết tương đối thời gian không có tính chất tuyệt đối mà phụ thuộc vào hệ qui
chiếu, nghĩa là t ≠ t’.
Giả sử tọa độ x’ là hàm của x và t theo phương trình:
x’ = f(x,t) (5-1)
Để tìm dạng của phương trình trên ta hãy viết phương trình chuyển động của hai gốc tọa độ O và O’. Đối với hệ K,
gốc O’ chuyển động với vận tốc V. Ta có:
x = Vt hay x – Vt = 0 (5-2)
x là tọa độ của gốc O’ trong hệ K. Đối với hệ K’, gốc O’ đứng yên, do đó tọa độ x’ của nó sẽ là:

x’ = 0 (5-3)
Phương trình (5-1) cũng phải đúng đối với điểm O’, điều đó có nghĩa là khi ta thay x’ = 0 vào phương trình (5-1) thì
phải thu được phương trình (5-2), muốn vậy thì:
)Vtx('x −α=
(5-4)
trong đó α là hằng số. Đối với hệ K’, gốc O chuyển động với vận tốc –V. Nhưng đối với hệ K, gốc O là đứng yên.
Lập luận tương tự như trên ta có
)'Vt'x(x +β=
(5-5)
trong đó β là hằng số. Theo tiên đề thứ nhất của Einstein thì mọi hệ qui chiếu quán tính đều tương đương nhau, nghĩa
là từ (5-4) có thể suy ra (5-5) và ngược lại bằng cách thay V→-V, x

x’, t

t’. Suy ra: .
β=α
Theo tiên đề hai: x = ct → t = x/c
x’ = ct’ → t’ = x’/c
Thay t và t’ vào (5-4) và (5-5) ta có:






−α=
c
xV
x'x
,






+α=
c
V'x
'xx

Nhân vế với vế của hai hệ thức trên, sau đó rút gọn ta nhận được:
2
2
c
V
1
1



Thay α vào các công thức trên ta nhận được các công thức của phép biến đổi Lorentz.
Phép biến đổi Lorentz:
2
2
c
V
1
Vtx
'x


=
,
2
2
c
V
1
'Vt'x
x

+
=
(5-6)

83
Chương 5: Thuyết tương đối hẹp Einstein

2
2
2
c
V
1
x
c
V
t
't


=
,
2
2
2
c
V
1
'x
c
V
't
t

+
=
(5-7)
Vì hệ K’ chuyển động dọc theo trục x nên y = y’ và z = z’.
Từ kết quả trên ta nhận thấy nếu c → ∞ (tương tác tức thời) hay khi V ⁄c → 0 (sự
gần đúng cổ điển khi V << c) thì:
x’ = x –Vt, y’ = y, z’ = z, t’ = t
x = x’ +Vt, y = y’, z = z’, t = t’
nghĩa là chuyển về phép biến đổi Galileo.
Khi V > c, tọa độ x, t trở nên ảo, do đó không thể có các chuyển động với vận tốc
lớn hơn vận tốc ánh sáng.
§3. CÁC HỆ QUẢ CỦA PHÉP BIẾN ĐỔI LORENTZ
1. Khái niệm về tính đồng thời và quan hệ nhân quả
Giả sử trong hệ quán tính K có hai biến cố A
1
(x
1
, y
1
, z
1
, t
1
) và biến cố A
2
(x
2
, y
2
, z
2
,
t
2
) với . Chúng ta hãy tìm khoảng thời gian
21
xx ≠
12
tt



giữa hai biến cố đó trong hệ K'
chuyển động đều đối với hệ K với vận tốc V dọc theo trục x. Từ các công thức biến đổi
Lorentz ta có
2
2
12
2
12
12
c
V
1
)xx(
c
V
tt
't't

−−−
=−
(5-8)
Từ (5-8) ta suy ra rằng những biến cố xảy ra đồng thời ở trong hệ K (t
1
= t
2
) sẽ không
đồng thời trong hệ K’ vì , chỉ có một trường hợp ngoại lệ là khi hai biến cố xảy
ra đồng thời tại những điểm có cùng giá trị của x (y có thể khác nhau). Như vậy khái niệm
đồng thời là một khái niệm tương đối, hai biến cố xảy ra đồng thời ở trong một hệ qui chiếu
quán tính này nói chung có thể không đồng thời ở trong một hệ qui chiếu quán tính khác.
0't't
12
≠−
Nhìn vào công thức (5-8) ta thấy giả sử trong hệ K: t
2
- t
1
>0 (tức là biến cố A
1
xảy ra
trước biến cố A
2
), nhưng trong hệ K’: t’
2
- t’
1
chưa chắc đã lớn hơn 0, nó phụ thuộc vào dấu
và độ lớn của
)xx(
c
V
12
2

. Như vậy trong hệ K’ thứ tự của các biến cố có thể bất kì.
Tuy nhiên điều này không được xét cho các biến cố có quan hệ nhân quả với nhau.
Mối quan hệ nhân quả là mối quan hệ có nguyên nhân và kết quả. Nguyên nhân bao giờ
cũng xảy ra trước, kết quả xảy ra sau. Như vậy: Thứ tự của các biến cố có quan hệ nhân
quả bao giờ cũng được đảm bảo trong mọi hệ qui chiếu quán tính. Thí dụ: viên đạn được

84
Chương 5: Thuyết tương đối hẹp Einstein
bắn ra (nguyên nhân), viên đạn trúng đích (kết quả). Gọi A
1
(x
1
, t
1
) là biến cố viên đạn bắn
ra và A
2
(x
2
, t
2
) là biến cố viên đạn trúng đích. Trong hệ K: t
2
> t
1
. Gọi u là vận tốc viên đạn
và giả sử x
2
> x
1
, ta có x
2
- x
1
= u(t
2
-t
1
). Thay vào (5-8) ta có:
2
2
2
12
2
2
12
2
12
12
c
V
1
c
u.V
1)tt(
c
V
1
)tt(u.
c
V
tt
't't







−−
=

−−−
=−
(5-9)
Ta luôn có u << c, do đó nếu t
2
> t
1
thì ta cũng có . Trong cả hai hệ K và K’
bao giờ biến cố viên đạn trúng đích cũng xảy ra sau biến cố viên đạn được bắn ra.
'
1
'
2
tt >
2. Sự co của độ dài (sự co ngắn Lorentz)
Xét hai hệ qui chiếu quán tính K và K'. Hệ K' chuyển động thẳng đều với vận tốc V
so với hệ K dọc theo trục x. Giả sử có một thanh đứng yên trong hệ K’ đặt dọc theo trục x’,
độ dài của nó trong hệ K’ bằng:
12o
'x'x −=
l
. Gọi là độ dài của thanh trong hệ K. Từ
phép biến đổi Lorentz ta có:
l
2
2
22
2
c
V
1
Vtx
'x


=
,
2
2
11
1
c
V
1
Vtx
'x


=

Ta phải xác định vị trí các đầu của thanh trong hệ K tại cùng một thời điểm: t
2
= t
1
, do đó:
2
2
12
12
c
V
1
xx
'x'x


=−

o
2
2
o
c
V
1
lll
<−=
(5-10)
Hệ K' chuyển động so với hệ K, nếu ta đứng ở hệ K quan sát thì thấy thanh chuyển
động cùng hệ K'. Chiều dài của thanh ở hệ K nhỏ hơn chiều dài của nó ở trong hệ K'.
Vậy: “độ dài (dọc theo phương chuyển động) của thanh trong hệ qui chiếu mà thanh
chuyển động ngắn hơn độ dài của thanh ở trong hệ mà thanh đứng yên”.
Nói một cách khác khi vật chuyển động, kích thước của nó bị co ngắn theo phương
chuyển động.
Ví dụ: một vật có vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng V=260000 km/s thì
5,0
c
V
1
2
2
≈−
khi đó = 0,5 ,
l
o
l

kích thước của vật sẽ bị co ngắn đi một nửa. Nếu quan
sát một vật hình hộp vuông chuyển động với vận tốc lớn như vậy ta sẽ thấy nó có dạng một
hình hộp chữ nhật, còn một khối cầu sẽ có dạng hình elipxoit tròn xoay.
Như vậy kích thước của một vật sẽ khác nhau tuỳ thuộc vào chỗ ta quan sát nó ở
trong hệ đứng yên hay chuyển động. Điều đó nói lên rằng không gian có tính tương đối, nó

85