Thí nghiệm tưởng tượng trong đầu Einstein làm thay đổi thế giới

Nhà vật lý Einstein có rất nhiều phát minh làm thay đổi thế giới. Trong đó, rất nhiều lý thuyết ông đưa ra chỉ dựa trên những thí nghiệm tưởng tượng, tất cả chỉ diễn ra trong đầu.

Giống như Nicolaus Copernicus và Galieo, Albert Einstein đã làm thay đổi cách nhìn của chúng ta về vũ trụ. Điều đáng chú ý đó là ông đưa ra lý thuyết chỉ dựa trên những thí nghiệm tưởng tượng, tất cả chỉ diễn ra trong đầu nhà khoa học thiên tài này.

Nhà thiên tài vật lý Abert Einstein.

Thí nghiệm tưởng tượng không phải do Einstein nghĩ ra, từ thời Galileo đã có những ghi nhận tương tự. Galileo tưởng tượng rằng đang ngồi trong một căn phòng không cửa sổ trên tàu biển và tiến hành các thí nghiệm ví dụ như quăng bóng hay quan sát cá bơi trong bể...

Ông nhận ra rằng không thể nhận ra sự khác biệt trong các thí nghiệm trên nếu như con tàu đang đậu ở cảng hay đang đi ngoài biển.

Chỉ khi nhìn ra ngoài và tham chiếu với cột mốc bạn mới xác định được tàu đang đi hay đứng yên. Như vậy, trên bề mặt Trái đất, chúng ta không thể biết được chuyển động của nó trừ khi so sánh vị trí của mình với Mặt Trời hay các vì sao.

Thuyết tương đối hẹp và tương đối tổng quát

Những năm 1860, James Clerk Maxwell phát triển lý thuyết điện từ trường, nêu lên mối quan hệ giữa điện trường, từ trường và sóng điện từ. Nó còn dự đoán tốc độ sáng sáng, một điểm đáng chú ý với Einstein.

Và thí nghiệm đầu tiên bắt đầu khi Einstein chỉ có 16 tuổi, ông tự hỏi: Chuyện gì xảy ra nếu ông chạy đua cùng một tia sáng? Theo cơ học cổ điển, nếu bạn đua cùng một chiếc xe trên đường và cùng một tốc độ, cả hai dường như đứng yên so với nhau.

Trong khi đó, mọi vật xung quanh dường như di chuyển theo chiều ngược lại. Liệu sự việc có giống như vậy nếu bạn đua cùng một tia sáng?

Đầu tiên, Einstein lập thí nghiệm tưởng tượng với một hành khách tên Gail trên một con tàu. Trên đó, Gail đo tốc độ ánh sáng và nhận được kết quả giống như tiên đoán của Maxwell. Mọi chuyện diễn ra bình thường. Nhưng chuyện gì xảy ra đối với Leo, người quan sát đứng bên đường?

Với suy nghĩ thông thường ta cho rằng Leo sẽ đo được tốc độ tốc độ ánh sáng cộng thêm tốc độ của con tàu. Nhưng theo lý thuyết điện từ trường thì tốc độ ánh sáng là hằng số bất kể tốc độ con tàu. Điều này làm Einstein suy nghĩ rất nhiều.

Theo Newton, bạn có thể di chuyển ngang bằng với tia sáng nếu có tốc độ đủ lớn. Nhưng khi đó, tốc độ ánh sáng đo được sẽ về 0, trái với lý thuyết của Maxwell. Einstein cho rằng không thể di chuyển nhanh bằng tốc độ ánh sáng.

Hãy đua cùng tia sáng.

Chúng ta thường quan niệm không gian và thời gian là tách biệt. Nhưng Einstein nhận ra rằng để cho người quan sát đang di chuyển với tốc độ cao có thể đo được tốc độ ánh sáng như cũ, quan niệm về thời gian phải thay đổi.

Theo quan sát của Leo trên sân ga, Gail phải cảm nhận thời gian chậm lại. Đồng hồ của Gail phải chạy chậm hơn Leo. Không phải là đồng hồ có vấn đề mà là thời gian trôi chậm lại, mọi thứ trên con tàu đều chậm lại. Vì thế, Gail sẽ trẻ lâu hơn Leo.

Thế nhưng, trên con tàu Gail không cảm nhận thấy điều này. Theo quan sát của Gail thì hoàn toàn có thể cho rằng Leo đang di chuyển nếu như không dựa theo mốc nào đó. Không ai trong số họ có thể khẳng định ai là người đứng yên.

Để hình dung rõ hơn, hãy tưởng tượng một chiếc đồng hồ đặc biệt trong đó tia sáng phản chiếu giữa hai tấm gương đối diện nhau. Mỗi khi tia sáng phản chiếu một lượt, đồng hồ điểm một nấc. Cả Leo và Gail đều có đồng hồ kiểu này.

Theo quan sát của Leo, tia sáng trên đồng hồ của Gail không phản chiếu theo chiều thẳng đứng mà vì con tàu di chuyển nên tia sáng bị lệch ra và hướng sang bên cạnh về phía tấm gương thứ hai, nói một cách khác là đồng hồ chạy chậm đi.

Vì đồng hồ di chuyển, quãng đường giữa hai tấm gương bị xê dịch và thời gian để ánh sáng đến được phải kéo dài ra.

Ngoài ra, Leo còn thấy con tàu bị co lại và cả Gail cũng thế. Vì không gian không phải tuyệt đối, thời gian trôi chậm lại và không gian bị thu lại là hai mặt của một vấn đề.

Để cho tốc độ ánh sáng là hằng số, quãng đường phải thay phải khi thời gian thay đổi tuân theo định luật cơ bản.

Đây chính là nền tảng của thuyết tương đối hẹp.

Tuy nhiên Einstein chưa thỏa mãn vì lý thuyết trên chỉ phù hợp cho vật thể với vận tốc không đổi. Ông nhắm đến lý thuyết giành cho tất cả mọi chuyển động.

Một lần nữa, những thí nghiệm tưởng tượng đã giúp ông cho ra đời lý thuyết tương đối tổng quát. Albert Einstein hình dung ra một người thợ xây rơi tự do từ trên tòa nhà rất cao, trên tay cầm một quả táo.

Nếu như người này thả quả táo ra thì cả hai rơi cùng vận tốc nên đối với người thợ, quả táo như đứng yên nhưng không phải vì trọng lực đã biến mất.

Vẫn là quả táo rơi.

Nếu như người thợ được đưa vào con tàu không gian, khi nó bay lên anh ta sẽ bị nén xuống sàn giống như bạn ngồi trên ghế. Nếu anh ta thả quả táo ra lúc này nó sẽ rơi xuống sàn. Gia tốc của con tàu làm anh ta cảm nhận như trọng lực tác động.

Như vậy, rơi tự do giống như trôi không trọng lực và gia tốc có cảm giác như bị trọng lực tác động. Einstein nhận ra rằng sự tác động của gia tốc và trọng lực là tương đương.

Tiếp tục tưởng tượng bạn là nhà du hành đơn độc trong vũ trụ. Một con tàu khác bay vụt qua khi bạn chiếu tia sáng cầu cứu về phía họ.

Theo quan sát của bạn, tia sáng bay thẳng đến con tàu xuyên qua cửa số. Bên trong con tàu, tia sáng dường như bị cong xuống phía dưới cửa sổ nơi nó đi vào. Hành khách trong con tàu nhìn thấy tia sáng cong xuống khi nó đi vào từ cửa sổ.

Vì gia tốc và trọng lực có tác động tương đương, Einstein cho rằng trọng lực cũng phải bẻ cong được ánh sáng. Một cách chính xác hơn, trọng lực thay đổi không gian quanh nó. Giống như hòn bi lăn qua tấm đệm, nó lượn theo độ dốc của không gian.

Tia sáng bị bẻ cong.

Không dừng lại tại đây, hãy hình dung bạn ngồi trên vòng đu quay ngựa gỗ. Khi vòng quay tăng tốc độ, theo thuyết tương đối hẹp, thời gian đối với bạn chậm lại so với người quan sát đứng ngoài.

Theo tính tương đương của gia tốc và trọng lực, trọng lực cũng có tác động tương tự. Trường trọng lực càng lớn, thời gian trôi càng chậm.

Chúng ta đang áp dụng định luật này trong cuộc sống hằng ngày. Trọng lực của Trái đất tác động lên vệ tinh định vị GPS nhỏ hơn so với chúng ta trên mặt đất, đồng hồ trên các vệ tinh này chạy nhanh hơn. Tuy nhiên, tốc độ di chuyển của vệ tinh là rất lớn, thời gian trôi chậm hơn.

Tổng cộng lại, đồng hồ trên vệ tinh chậm hơn trên mặt đất một ngày là 38ms. Nếu ta không điều chỉnh, sai số định vị GPS bị lệch lên đến 10km mỗi ngày.

Như vậy chỉ bằng thí nghiệm tưởng tượng, Einstein đã cho ra đời hai lý thuyết thay đổi thế giới: thuyết tương đối hẹp và tương đối tổng quát.

Công thức E=mc2

Không chỉ có vậy, ngay cả công thức nổi tiếng E = mc2 cũng được ông tìm ra không cần dựa vào thực nghiệm.

Hãy tưởng tượng một toa tàu nằm yên trên đường ray, đột nhiên bức tường phía cuối toa bắn ra một hạt ánh sáng (lưỡng tính sóng – hạt) về phía trước.

Điều này khiến cho toa tàu chuyển động giật lùi, giống như khi bạn đi về phía trước trên một chiếc thuyền vậy. Và khi hạt ánh sáng đập vào bức tường phía trước, toa tàu dừng lại.

Rõ ràng, toa tàu không thể tự di chuyển giật lùi, Einsein cho rằng một phần khối lượng của toa tàu đã di chuyển từ phía bức tường sau về phía trước.

Điều này có nghĩa là năng lượng ánh sáng bị hấp thụ bởi bức tường phía trước đã được chuyển thành khối lượng.

Như vậy, năng lượng và khối lượng là tương đương, đây là cơ sở cho phát triển năng lượng hạt nhân. Phương trình biến đổi năng lượng cho thấy chỉ cần một khối lượng rất nhỏ cũng có thể tạo một năng lượng vô cùng lớn.

Cuối cùng, chỉ bằng những thí nghiệm trong đầu của mình, năm 1916 ông viết cuốn sách mô tả lý thuyết tương đối có tên: "Thuyết tương đối hẹp và tổng quát: giành cho mọi người".

Nhưng bản thân Einstein cũng nhận ra rằng khó có thể diễn giải chúng một cách phổ quát, ông đùa rằng những người hiểu được chúng cũng không hẳn là bình thường.

Trí tưởng tượng quan trọng hơn kiến thức - Albert Einstein.

Còn bạn thì sao? Những thí nghiệm tưởng tượng của bạn là gì? Đừng quá lo lắng nếu bạn chưa có thành tựu nào vì chỉ có thiên tài Albert Einstein mới làm cho những thí nghiệm tưởng tượng trên trông có vẻ thật đơn giản.

Theo Tri thức trẻ.

Vân Anh