Khối lượng tương đối tính
Giới hạn tốc độ vũ trụ
Để có thêm kết quả, Einstein đã kết hợp các định nghĩa lại của mình về thời gian và không gian với hai nguyên lý vật lý mạnh mẽ: bảo toàn năng lượng và bảo toàn khối lượng , trong đó nói rằng tổng lượng của mỗi nguyên tắc không đổi trong một hệ thống kín. Định đề thứ hai của Einstein đảm bảo rằng những định luật này vẫn có giá trị đối với tất cả những người quan sát trong lý thuyết mới, và ông sử dụng chúng để suy ra ý nghĩa tương đối tính của khối lượng và năng lượng.
Bạn đang xem: Khối lượng tương đối tính
Ai là nhà khoa học đầu tiên tiến hành thí nghiệm phản ứng dây chuyền hạt nhân có điều khiển? Đơn vị đo chu kỳ trên giây là gì? Kiểm tra sự nhạy bén vật lý của bạn với bài kiểm tra này.
Một kết quả là khối lượng của một cơ thể tăng lên theo tốc độ của nó. Một quan sát viên trên một vật thể chuyển động, chẳng hạn như tàu vũ trụ, đo cái gọi là khối lượng nghỉ m 0 của nó , trong khi một quan sát viên cố định đo khối lượng m của nó là
E = m c 2
Phương pháp xử lý khối lượng của Einstein đã chỉ ra rằng khối lượng tương đối tính tăng lên là do năng lượng chuyển động của cơ thể - tức là động năng E - chia cho c 2 . Đây là nguồn gốc của phương trình nổi tiếng E = m c 2 , biểu thị thực tế rằng khối lượng và năng lượng là cùng một thực thể vật chất và có thể được thay đổi thành nhau.
Các nghịch lý sinh đôi
Bản chất phản trực giác trong các ý tưởng của Einstein khiến chúng khó tiếp thu và làm nảy sinh những tình huống tưởng như không thể hiểu được. Một trường hợp nổi tiếng là nghịch lý song sinh , một sự bất thường dường như trong cách thuyết tương đối hẹp mô tả thời gian.
Giả sử rằng một trong hai chị em sinh đôi giống hệt nhau bay vào vũ trụ với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Theo thuyết tương đối, thời gian chạy trên tàu vũ trụ của cô ấy chậm hơn trên Trái đất ; do đó, khi cô ấy trở lại Trái đất, cô ấy sẽ trẻ hơn em gái ở Trái đất của mình. Nhưng trong thuyết tương đối, những gì một người quan sát thấy đang xảy ra với cái thứ hai, cái thứ hai coi như đang xảy ra với cái đầu tiên. Đối với chị gái nhà du hành vũ trụ, thời gian di chuyển trên Trái đất chậm hơn so với trong tàu vũ trụ của chị ấy; khi cô ấy trở về, người em gái ở Trái đất của cô ấy là một người trẻ hơn. Làm thế nào mà cặp song sinh trong không gian lại có thể vừa trẻ vừa lớn hơn người chị ở Trái đất của mình?
Câu trả lời là nghịch lý chỉ là rõ ràng, đối với tình huống không được xử lý thích hợp bởi thuyết tương đối hẹp. Để quay trở lại Trái đất, tàu vũ trụ phải đổi hướng, điều này vi phạm điều kiện chuyển động thẳng đều là trung tâm của thuyết tương đối hẹp. Một phương pháp điều trị đầy đủ đòi hỏi thuyết tương đối rộng , điều này cho thấy rằng sẽ có một sự thay đổi không đối xứng về thời gian giữa hai chị em. Do đó, "nghịch lý" không gây nghi ngờ về cách thuyết tương đối hẹp mô tả thời gian, điều này đã được xác nhận bởi nhiều thí nghiệm.
Bốn chiều không-thời gian
Thuyết tương đối hẹp ít xác định hơn vật lý cổ điển ở chỗ cả khoảng cách D và khoảng thời gian T giữa hai sự kiện đều phụ thuộc vào người quan sát. Tuy nhiên, Einstein lưu ý rằng sự kết hợp cụ thể của D và T , đại lượng D 2 - c 2 T 2 , có cùng giá trị đối với tất cả những người quan sát.
Thuật ngữ c T trong đại lượng bất biến này nâng thời gian lên một loại tương đương toán học với không gian. Ghi nhận điều này, nhà vật lý toán học người Đức Hermann Minkowski đã chỉ ra rằng vũ trụ giống như một cấu trúc bốn chiều với các tọa độ x , y , z và c t lần lượt đại diện cho chiều dài, chiều rộng, chiều cao và thời gian. Do đó, vũ trụ có thể được mô tả như một liên tục không-thời gian bốn chiều , một khái niệm trung tâm trong thuyết tương đối rộng.
Bằng chứng thực nghiệm cho thuyết tương đối hẹp
Bởi vì các thay đổi tương đối tính là nhỏ ở tốc độ điển hình đối với các vật thể vĩ mô, việc xác nhận thuyết tương đối hẹp dựa vào việc kiểm tra các thiên thể hạ nguyên tử ở tốc độ cao hoặc đo các thay đổi nhỏ bằng thiết bị đo nhạy. Ví dụ: siêu chính xácđồng hồ được đặt trên nhiều loại máy bay thương mại bay với tốc độ một phần triệu ánh sáng. Sau hai ngày bay liên tục, thời gian được hiển thị bởi đồng hồ trên không khác nhau một phần của micro giây so với thời gian được hiển thị bởi một đồng hồ đồng bộ còn lại trên Trái đất, như dự đoán.
Các hiệu ứng lớn hơn được nhìn thấy với các hạt cơ bản chuyển động với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Một thí nghiệm như vậy liên quan đến các hạt muon , các hạt cơ bản được tạo ra bởi các tia vũ trụ trong bầu khí quyển của Trái đất ở độ cao khoảng 9 km (30.000 feet). Với tốc độ 99,8% tốc độ ánh sáng, các hạt muon sẽ đạt tới mực nước biển trong 31 micro giây, nhưng các phép đo cho thấy nó chỉ mất 2 micro giây. Lý do là, so với các muon di chuyển, khoảng cách 9 km thu hẹp lại còn 0,58 km (1.900 feet). Tương tự, sự gia tăng khối lượng tương đối tính đã được xác nhận trong các phép đo trên các hạt cơ bản chuyển động nhanh, ở đó sự thay đổi lớn ( xem bên dưới Máy gia tốc hạt ).
Kết quả như vậy lại không có nghi ngờ rằng thuyết tương đối đặc biệt mô tả một cách chính xác vũ trụ, mặc dù lý thuyết này là khó chấp nhận ở một tạng cấp. Một số hiểu biết sâu sắc đến từ nhận xét của Einstein rằng trong thuyết tương đối, tốc độ giới hạn của ánh sáng đóng vai trò của một tốc độ vô hạn. Ở tốc độ vô hạn, ánh sáng sẽ đi qua bất kỳ khoảng cách nào trong thời gian bằng không. Tương tự như vậy, theo các phương trình tương đối tính, một người quan sát cưỡi trên một làn sóng ánh sáng sẽ thấy độ dài co lại bằng 0 và đồng hồ ngừng tích tắc khi vũ trụ tiếp cận anh ta với tốc độ ánh sáng. Về mặt hiệu quả, thuyết tương đối thay thế giới hạn tốc độ vô hạn bằng giá trị hữu hạn 3 × 10 8 mét / giây.
