Thuyết tương đối hẹp

Phương trình nổi tiếng của Einstein

Thuyết tương đối hẹp hay thuyết tương đối đặc biệt (tiếng Anh: special relativity hay the special theory of relativity) là thuyết vật lý được chấp nhận về mối quan hệ giữa không gian và thời gian. Nó được dựa trên hai định đề: (1) các định luật vật lý là bất biến (giống hệt nhau) trong tất cả các hệ thống quán tính (không tăng tốc hệ quy chiếu); và (2) tốc độ của ánh sáng trong chân không là như nhau cho tất cả các người quan sát, không phụ thuộc vào chuyển động của nguồn ánh sáng.

Thuyết này do Albert Einstein đề xuất vào năm 1905 trong báo cáo "Về điện động học của các vật di chuyển". Sự bất nhất của cơ học Newton với phương trình Maxwell về điện không có khả năng phát hiện chuyển động của Trái Đất trong chân không dẫn đến sự phát triển của thuyết tương đối hẹp, trong đó thay đổi các quy tắc cơ học để xử lý các tình huống liên quan đến chuyển động gần tốc độ ánh sáng. Tính đến hôm nay, thuyết tương đối hẹp là mô hình chính xác nhất của chuyển động tại bất kỳ tốc độ nào. Mặc dù vậy, cơ học Newton vẫn còn hữu dụng (do sự đơn giản và độ chính xác cao của nó) khi vận tốc tương đối nhỏ so với tốc độ ánh sáng.

Thuyết tương đối hẹp bao hàm một loạt các hệ quả đã được kiểm tra bằng thực nghiệm, bao gồm thu hẹp độ dài, giãn nở thời gian, khối lượng tương đối, chuyển đổi tương đương khối lượng-năng lượng, giới hạn tốc độ phổ quát, và thuyết tương đối của sự đồng thời. Nó đã thay thế khái niệm thông thường của một thời gian phổ quát tuyệt đối với khái niệm của một thời gian phụ thuộc vào hệ quy chiếu và vị trí không gian. Thay vì một khoảng thời gian bất biến giữa hai sự kiện, có một khoảng thời gian không-thời gian bất biến. Kết hợp với các định luật khác của vật lý, hai định đề của lý thuyết tương đối hẹp dự đoán được sự chuyển đổi tương đương giữa khối lượng và năng lượng, thể hiện trong công thức biến đổi tương đương khối lượng-năng lượng E = mc², trong đó c là tốc độ ánh sáng trong chân không.

Một đặc điểm nổi bật của thuyết tương đối hẹp là sự thay thế của những biến đổi Galilê của cơ học Newton với biến đổi Lorentz. Thời gian và không gian không thể được xác định riêng biệt với nhau. Không gian và thời gian cần được đan xen vào một mô hình liên tục duy nhất được gọi là mô hình không-thời gian. Sự kiện xảy ra cùng một lúc cho một người quan sát này có thể xảy ra vào các thời điểm khác nhau đối với một người quan sát khác.

Lý thuyết này được gọi là "hẹp" vì nó áp dụng các nguyên tắc của thuyết tương đối trong các trường hợp đặc biệt của hệ quy chiếu quán tính. Einstein sau đó xuất bản một bài báo về thuyết tương đối rộng vào năm 1915 để áp dụng các nguyên tắc trong trường hợp chung, đó là, với bất kỳ khung không thời gian nào để xử lý phối hợp biến đổi nói chung, và các hiệu ứng hấp dẫn.

Giả thuyết này giải thích cho kết quả của thí nghiệm Michelson-Morley và vì vận tốc truyền ánh sáng là như nhau theo mọi phương nên không thể sử dụng công thức cộng vận tốc Galileo cho ánh sáng.

Thực tế giả thuyết này có thể suy trực tiếp từ tiên đề đầu tiên. Mọi phương trình vật lý không thay đổi khi đi từ hệ quy chiếu quán tính này sang hệ quy chiếu quán tính khác, nghĩa là các phương trình Maxwell cũng bất biến, và một kết quả của nó là tiên đoán về tốc độ ánh sáng cũng phải bất biến. Do đó giả thuyết này không thể là tiên đề, chỉ là hệ quả của tiên đề tổng quát đầu tiên, nếu coi lý thuyết điện từ Maxwell là đúng.

Cũng có thể chú ý rằng, giả thuyết thứ hai có thể đứng độc lập thành một tiên đề, nếu không công nhận lý thuyết điện từ Maxwell hoặc không cần dùng đến hiểu biết về trường điện từ.

Lịch sử

Theo quyển nhật ký của nhà toán học David Hilbert (từng là đồng nghiệp của Einstein vào cuối thế kỷ 19) thì vào tháng 8 năm 1898, ông nói Einstein đã phát minh ra một thuyết mà khi nhắc đến, người đời sẽ sửng sốt. Khi nghiên cứu những vật thể chuyển động với vận tốc rất lớn gần bằng với vận tốc ánh sáng, người ta thấy rằng cơ học cổ điển của Newton không còn thích hợp nữa. Do đó cần thiết phải xem lại các khái niệm về không gian và thời gian. Việc xem xét này thực hiện trong thuyết tương đối.

Xem thêm

• Thuyết tương đối
• Thuyết tương đối rộng
• Lịch sử thuyết tương đối hẹp

Liên kết ngoài

Tác phẩm góc

• Zur Elektrodynamik bewegter Körper Einstein's original work in German, Annalen der Physik, Bern 1905
• On the Electrodynamics of Moving Bodies English Translation as published in the 1923 book The Principle of Relativity.

Thuyết tương đối hẹp cơ bản (không cần kiến thức toán)

• Wikibooks: Special Relativity
• Einstein Light An award-winning, non-technical introduction (film clips and demonstrations) supported by dozens of pages of further explanations and animations, at levels with or without mathematics.
• Einstein Online Introduction to relativity theory, from the Max Planck Institute for Gravitational Physics.
• Audio: Cain/Gay (2006) – Astronomy Cast. Einstein's Theory of Special Relativity

Thuyết tương đối hẹp nâng cao (sử dụng công thức toán từ đơn giản đến phức tạp)

• Greg Egan's Foundations.
• The Hogg Notes on Special Relativity A good introduction to special relativity at the undergraduate level, using calculus.
• Relativity Calculator: Special Relativity – An algebraic and integral calculus derivation for E = mc².
• MathPages – Reflections on Relativity A complete online book on relativity with an extensive bibliography.
• Relativity An introduction to special relativity at the undergraduate level, without calculus.
• Relativity: the Special and General Theory tại Dự án Gutenberg, by Albert Einstein
• Special Relativity Lecture Notes is a standard introduction to special relativity containing illustrative explanations based on drawings and spacetime diagrams from Virginia Polytechnic Institute and State University.
• Understanding Special Relativity The theory of special relativity in an easily understandable way.
• An Introduction to the Special Theory of Relativity (1964) by Robert Katz, "an introduction... that is accessible to any student who has had an introduction to general physics and some slight acquaintance with the calculus" (130 pp; pdf format).
• Lecture Notes on Special Relativity by J D Cresser Department of Physics Macquarie University.
• SpecialRelativity.net - An overview with visualizations and minimal mathematics.

Hệ quả tưởng tượng của thuyết tương đối hẹp

• Raytracing Special Relativity Software visualizing several scenarios under the influence of special relativity.
• Real Time Relativity The Australian National University. Relativistic visual effects experienced through an interactive program.
• Spacetime travel A variety of visualizations of relativistic effects, from relativistic motion to black holes.
• Through Einstein's Eyes The Australian National University. Relativistic visual effects explained with movies and images.
• Warp Special Relativity Simulator A computer program to show the effects of traveling close to the speed of light.
• Animation clip trên YouTube visualizing the Lorentz transformation.
• Original interactive FLASH Animations from John de Pillis illustrating Lorentz and Galilean frames, Train and Tunnel Paradox, the Twin Paradox, Wave Propagation, Clock Synchronization, etc.
• Relativistic Optics at the ANU
• lightspeed An OpenGL-based program developed to illustrate the effects of special relativity on the appearance of moving objects.
• Animation showing the stars near Earth, as seen from a spacecraft accelerating rapidly to light speed.