Lý thuyết tương đối rộng



tải về 248.85 Kb.
trang2/2
Chuyển đổi dữ liệu22.04.2018
Kích248.85 Kb.
#37030
1   2
Các nguyên lý nền tảng

Lý thuyết tương đối rộng dựa trên các nguyên lý nền tảng:


  • Nguyên lý hiệp biến: các định luật vật lý là như nhau trong tất các các hệ quy chiếu (các định luật vật lý là các phương trình tenxơ).

  • Chuyển động quán tính theo đường trắc địa.

Nguyên lý tương đương, vốn là điểm khởi đầu trong quá trình xây dựng lý thuyết tương đối rộng từ thuyết tương đối hẹp, sau này được nhận ra là hệ quả của nguyên lý hiệp biến và nguyên lý chuyển động quán tính theo đường trắc địa. Nguyên lý này phát biểu rằng, không có một thí nghiệm tại không thời gian địa phương nào có thể phân biệt sự rơi tự do không quay trong trường hấp dẫn với chuyển động thẳng đều khi không có trường hấp dẫn. Nó cũng dẫn đến kết quả quan trọng là độ cong không thời gian gây nên bởi sự có mặt của vật chất, phương trình trường Einstein.

Kiểm chứng

Giống như tất cả các lý thuyết khoa học, lý thuyết tương đối rộng cần phải có các tiên đoán và phải được kiểm chứng bằng các kết quả thực nghiệm. Một số các tiên đoán của lý thuyết này gồm có sự dịch chuyển gần điểm cận nhật của quỹ đạo của các hành tinh (đặc biệt là Sao Thủy), sự lệch của ánh sáng khi đi gần các vật thể có khối lượng lớn, và sự tồn tại của sóng hấp dẫn. Hai tiên đoán đầu tiên đã được kiểm tra với độ chính xác và tin tưởng cao. Phần lớn các nhà vật lý đều tin vào sự tồn tại của sóng hấp dẫn nhưng sự tồn tại của nó chưa được khẳng định trực tiếp. Tuy nhiên các hiệu ứng gián tiếp đã được quan sát trong nhiều hệ sao đôi.

Một số tiên đoán khác gồm sự giãn nở của vũ trụ, sự tồn tại của hố đen và khả năng tồn tại của các lỗ giun, hố trắng. Ngày nay, sự tồn tại của hố đen nói chung là đã được chấp nhận rộng rãi, nhưng khả năng tồn tại của các lỗ giun thì vẫn còn gây tranh cãi. Nhiều nhà khoa học tin là các lỗ giun chỉ có thể tồn tại khi xuất hiện vật chất ngoại lai. Tiên đoán về hố trắng có vẻ rất xa vời, vì nó dường như trái với định luật hai nhiệt động lực học.

Các tiên đoán định lượng khác của lý thuyết tương đối rộng đã được khẳng định bằng các quan sát thiên văn. Một trong những quan sát gần đây là việc phát hiện ra chùm sao đôi neutron PSR J0737-3039 vào năm 2003 trong đó sự tiến động cận nhật là 16.88° một năm (tức là nhanh hơn của Sao Thủy khoảng 140.000 lần) [1] [2].

Tính phi Euclide của không-thời gian cũng có thể được kiểm chứng một cách trực tiếp. Ví dụ, thí nghiệm Pound-Rebka vào năm 1959 đã ghi nhận được sự thay đổi bước sóng ánh sáng từ một nguồn cô ban do ảnh hưởng của hấp dẫn. Đồng hồ nguyên tử trên vệ tinh của hệ thống định vị toàn cầu (GPS) được điều chỉnh lại do hấp dẫn của Trái Đất để phù hợp với đồng hồ trên mặt đất.

Các tiên đoán như là dịch chuyển đỏ hấp dẫn, các ngôi sao bẻ cong hướng truyền của ánh sáng, các hố đen, sự chậm dần của thời gian trong trường hấp dẫn, sửa đổi chút ít về định luật hấp dẫn trong trường hấp dẫn yếu cũng đều chưa bị một thí nghiệm nào phản bác.

Toán học của lý thuyết tương đối rộng

Toán học của lý thuyết tương đối rộng chủ yếu là đại số tensor và hình học phi Euclide trên không gian Riemann n-chiều, phát triển từ năm 1854, bởi Bernhard Riemann. Việc dùng các tensor đã đơn giản hóa rất nhiều các tính toán và thể hiện một thực tế là tất cả các quan sát là tương đương khi mô tả các định luật vật lý.

Một tensor quan trọng trong thuyết tương đối là tensor Riemann, đó là một ma trận số đo độ lệch của một véc tơ khi chuyển động dọc theo một bề mặt song song với chính nó sau khi đi được một vòng. Trong không gian phẳng, các véc tơ sẽ trở lại hướng của nó (tensor Riemann bằng không), nhưng trong không gian cong thì nó lại không làm được điều đó (nói chung tensor Riemann khác không). Trong các không gian hai chiều, tensor Riemann là một ma trận (tức là số thực) được gọi là độ cong Gauss hay độ cong vô hướng. Độ cong có thể được đo hoàn toàn trên một bề mặt và nó cũng tương tự đối với các mặt nhiều chiều hơn như là không gian hoặc không-thời gian.

Động lực học của lý thuyết tương đối rộng liên quan đến các phương trình Einstein, một phương trình tensor mô tả quá trình vật chất ảnh hưởng đến hình dáng của không-thời gian, một phương trình chuyển động mô tả quá trình các vật thể chuyển động trong không gian bị cong đó. Thông thường, người ta thường dùng các phép gần đúng khi làm việc với các phương trình này.

Các phương trình Einstein là các phương trình vi phân riêng phần phi tuyến cho các hệ metric. Điều này phân biệt các phương trình này với các phương trình trường khác trong vật lý (ví dụ, hệ phương trình Maxwell là hệ tuyến tính trong trường điện từ, phương trình Schrodinger là tuyến tính với các hàm sóng). Đó cũng chính là điểm khác nhau căn bản của lý thuyết tương đối rộng với các lý thuyết vật lý khác.

Liên hệ với các lý thuyết vật lý khác

Lý thuyết tương đối hẹp

Trong lý thuyết tương đối hẹp, tất cả các sự kiện đều được quy về một, hay nhiều hơn một, hệ quy chiếu. Một hệ quy chiếu được xác định bằng việc chọn hệ cơ sở để xác định nó. Do đó, tất cả các chuyển động đều được xác định và định lượng tương đối với nhau. Trong lý thuyết tương đối rộng, các hệ quy chiếu có thể được mở rộng đến vô hạn theo tất cả các hướng trong không-thời gian. Lý thuyết tương đối hẹp nghiên cứu chuyển động của các vật thể trong các hệ quy chiều chuyển đông thẳng đều với nhau (tức là hệ quy chiếu quán tính), trong khi đó, lý thuyết tương đối rộng lại nghiên cứu tất cả các loại hệ quy chiếu. Lý thuyết tương đối rộng thừa nhận rằng chúng ta chỉ có thể xác định được các hệ quy chiếu cục bộ với một độ chính xác nhất định trong một khoảng thời gian hữu hạn và trong một vùng không gian hữu hạn. Điều này tương tự như việc chúng ta vẽ bản đồ bề mặt Trái Đất nhưng chúng ta không thể mở rộng để bao quát toàn bộ bề mặt mà không biến dạng nó.

Lý thuyết tương đối hẹp đưa ra các phương trình về chuyển động của các vật thể chuyển động khác nhau trên cơ sở một hằng số là vận tốc ánh sáng, đó là một bất biến trong các hệ quy chiếu chuyển động thẳng đều tương đối với nhau. Hệ quả của điều này là vật lý không thể tách không gian và thời gian khỏi nhau mà phải xét chúng như thể một hệ bốn chiều "không-thời gian". Hệ này được chia thành hai loại hướng là "hướng kiểu thời gian" và "hướng kiểu không gian" phụ thuộc vào chuyển động của người quan sát. Lý thuyết tương đối rộng bổ sung thêm là không-thời gian cục bộ có thể bị bẻ cong do khối lượng của vật chất trong đó. Do đó, đường thẳng trong không-thời gian có thể được chúng ta cảm nhận là các đường cong trong không gian mà chúng ta trải nghiệm.

Định luật thứ nhất của Newton được thay thế bằng định luật chuyển động của lý thuyết tương đối.

Lý thuyết lượng tử

Một vấn đề lý thuyết để cho rằng lý thuyết tương đối rộng không hoàn hảo đó là lý thuyết này không bao gồm cơ học lượng tử. Do vậy, lý thuyết tương đối rộng sẽ không còn đúng khi năng lượng đủ cao. Một thách thức rất lớn của vật lý hiện đại là kết hợp lý thuyết tương đối rộng với lý thuyết lượng tử để giải quyết các vấn đề ở quy mô rất nhỏ trong không thời gian. Phần lớn các nhà khoa học nghiên cứu về vấn đề này đều cho rằng lý thuyết-M và lý thuyết hấp dẫn lượng tử vòng là các lý thuyết có triển vọng. Nếu làm được điều này thì giấc mơ của Einstein về một lý thuyết thống nhất lớn, bao gồm các lực cơ bản của tự nhiên sẽ thành công và đúng đắn dưới tất cả các điều kiện.

Các lý thuyết khác

Lý thuyết Brans-Dicke và lý thuyết Rosen là các lý thuyết phát triển từ lý thuyết tương đối rộng và hiện nay vẫn chưa bị thí nghiệm nào bác bỏ.

Xem lý thuyết Einstein-Cartan để xem phần mở rộng của lý thuyết tương đối rộng khi tính đến quá trình xoắn.

Lý thuyết Kaluza-Klein và lý thuyết chuẩn Weyl cố gắng kết hợp lực hấp dẫn và lực điện từ.

Lịch sử





Albert Einstein, cha đẻ của lý thuyết tương đối, năm 1948

Einstein bắt đầu nghiên cứu về lý thuyết tương đối rộng từ năm 1907 khi ông công bố một vài báo về ảnh hưởng của hấp dẫn và gia tốc lên tính chất của ánh sáng trong lý thuyết tương đối hẹp. Phần lớn công trình về lý thuyết tương đối rộng được thực hiện vào khoảng năm 1911–1915, bắt đầu bằng bài báo thứ hai về ảnh hưởng của hấp dẫn lên ánh sáng. Năm 1912, Einstein nghiên cứu về một lý thuyết, trong đó hấp dẫn được mô tả như một hiện tượng hình học. Năm 1915, các cố gắng đã thu được kết quả đăng trong bài báo về các phương trình Einstein, đó là một tập hợp các phương trình vi phân.

Từ năm 1915, việc nghiên cứu lý thuyết tương đối rộng là tập trung vào giải các phương trình cho các trường hợp khác nhau. Việc này có nghĩa là tìm tính metric để làm phù hợp lý thuyết với các sự kiện thực xảy ra. Việc giải thích lý thuyết và kiểm chứng các tiên đoán cũng đóng góp một phần lớn và việc nghiên cứu lý thuyết tương đối rộng.

Sự giãn nở của vũ trụ là một minh chứng tuyệt vời cho lý thuyết tương đối rộng. Năm 1922, Alexander Friedmann tìm thấy nghiệm mô tả vũ trụ có thể giãn nở hoặc co lại, sau đó Georges Lemaître rút ra nghiệm mô tả vũ trụ giãn nở. Einstein không tin vào điều đó nên ông đã bổ sung thêm một hằng số vũ trụ vào các phương trình của ông để có thể mô tả một vũ trụ tĩnh. Năm 1929, Edwin Hubble tìm ra các bằng chứng về việc vũ trụ đang giãn nở. Điều này làm cho Einstein phải thừa nhận "hằng số vũ trụ là sai lầm lớn nhất trong đời tôi".

Việc giải các phương trình và hiểu các nghiệm vẫn được tiếp tục. Một số nghiệm đáng kể là nghiệm Schwarzschild, nghiệm Reissner-Nordström và nghiệm Kerr.



Quan sát thực nghiệm về thuyết tương đối cũng là một quá trình lịch sử. Tiến động gần điểm cận nhật của Sao Thủy là bằng chứng đầu tiên chứng minh tính đúng đắn của lý thuyết tương đối rộng. Tiên đoán của Eddington năm 1919 về độ lệch của ánh sáng bởi Mặt Trời làm lý thuyết được chấp nhận rộng rãi. Từ đó đến nay, rất nhiều các thí nghiệm khác được thực hiện và khẳng định lý thuyết là đúng, ví dụ, tín hiệu vô tuyến đi ngang qua Mặt Trời, sai khác đồng hồ trên hệ thống định vị toàn cầu,...

tải về 248.85 Kb.

Chia sẻ với bạn bè của bạn:
1   2




Cơ sở dữ liệu được bảo vệ bởi bản quyền ©hocday.com 2024
được sử dụng cho việc quản lý

    Quê hương