Bài giảng Vật lý đại cương 2 - Chương 6: Thuyết tương đối hẹp của Einstein - Nguyễn Xuân Thấu

Chương 6 THUYẾT TƯƠNG ĐỐI HẸP CỦA EINSTEIN HÀ NỘI 2016 1 Nguyễn Xuân Thấu -BMVL 2CHƯƠNG 6. THUYẾT TƯƠNG ĐỐI HẸP EINSTEIN NỘI DUNG CHÍNH  CÁC TIÊN ĐỀ EINSTEIN  ĐỘNG HỌC TƯƠNG ĐỐI TÍNH – PHÉP BIẾN ĐỔI LORENTZ  ĐỘNG LỰC HỌC TƯƠNG ĐỐI TÍNH – HỆ THỨC EINSTEIN 3CƠ HỌC NEWTON 4CƠ HỌC NEWTON 5CƠ HỌC NEWTON  Không gian, thời gian, vật chất không phụ thuộc vào chuyển động, cụ thể là khoảng thời gian của một hiện tượng xảy ra, kích thước của một vật và khối lượng của nó đều như nhau trong mọi hệ quy chiếu đứng yên hay chuyển động  THỜI GIAN, KHÔNG GIAN LÀ TUYỆT ĐỐI  KHỐI LƯỢNG LÀ BẤT BIẾN 6CUỐI THẾ KỶ 19, ĐẦU THẾ KỶ 20  Xuất hiện những vật chuyển động nhanh với vận tốc vào cỡ vận tốc ánh sáng trong chân không c = 3.108 m/s  Không gian, thời gian, khối lượng đều phụ thuộc vào chuyển động.  Không thể giải quyết bằng lý thuyết của Newton! 7KẾT LUẬN  CƠ HỌC NEWTON CHỈ ÁP DỤNG CHO CÁC VẬT CHUYỂN ĐỘNG VỚI VẬN TỐC NHỎ SO VỚI VẬN TỐC ÁNH SÁNG v c MÔN CƠ HỌC TỔNG QUÁT ÁP DỤNG ĐƯỢC CHO CẢ CÁC VẬT CHUYỂN ĐỘNG VỚI VẬN TỐC CƠ HỌC TƯƠNG ĐỐI TÍNH v c CƠ HỌC TƯƠNG ĐỐI TÍNH = THUYẾT TƯƠNG ĐỐI HẸP EINSTEIN (SPECIAL RELATIVITY) 8SỰ RA ĐỜI CỦA THUYẾT TƯƠNG ĐỐI  Lý thuyết tương đối được Einstein đề xuất năm 1905, khi ông mới 25 tuổi  Lý thuyết tương đối phá bỏ những quan niệm cũ, nhưng đồng thời tạo ra những khái niệm mới, không khó về mặt toán học nhưng lại gây khó khăn về mặt nhận thức do những ý tưởng “xa lạ” về không gian và thời gian.  Đến nay thì tính đúng đắn của thuyết tương đối là không cần bàn cãi, nó đã trở thành tiêu chuẩn để đánh giá mọi thí nghiệm vật lý. 91. CÁC TIÊN ĐỀ EINSTEIN 1.1. TIÊN ĐỀ 1 “Các định luật vật lý hoàn toàn giống nhau đối với những người quan sát trong mọi hệ quy chiếu quán tính, không có hệ nào ưu tiên hơn hệ nào”  Các định luật của tự nhiên có cùng một dạng toán học trong mọi hệ quy chiếu quán tính.  Đây là sự mở rộng của nguyên lý tương đối Galilei NGUYÊN LÝ TƯƠNG ĐỐI 10 1. CÁC TIÊN ĐỀ EINSTEIN 1.1. TIÊN ĐỀ 2 NGUYÊN LÝ VỀ SỰ BẤT BIẾN CỦA VẬN TỐC ÁNH SÁNG “Tốc độ ánh sáng trong chân không đều bằng nhau theo mọi phương và trong mọi hệ quy chiếu quán tính. Nó có giá trị c = 3.108 m/s và là giá trị vận tốc lớn nhất trong tự nhiên”  Tốc độ ánh sáng trong chân không là giới hạn mà mọi thực thể mang năng lượng hay thông tin đều không thể vượt qua.  Thí nghiệm kiểm chứng: Năm 1964, hạt piôn trung hoà (0) được gia tốc đến tốc độ 0,99975c. Khi phân rã thành hai tia gamma có tốc độ như nhau và bằng c. 11 1. CÁC TIÊN ĐỀ EINSTEIN NGUYÊN LÝ TƯƠNG ĐỐI GALILEO & NGUYÊN LÝ TƯƠNG ĐỐI EINSTEIN NGUYÊN LÝ TƯƠNG ĐỐI GALILEI NGUYÊN LÝ TƯƠNG ĐỐI EINSTEIN - Các định luật cơ học là như nhau trong các hệ quy chiếu quán tính - Các định luật Vật lý là như nhau trong các hệ quy chiếu quán tính Như vậy nguyên lý tương đối Einstein đã mở rộng nguyên lý tương đối Galilei từ các hiện tượng cơ học sang các hiện tượng vật lý nói chung. 12 1. CÁC TIÊN ĐỀ EINSTEIN VẬN TỐC TRUYỀN TƯƠNG TÁC TRONG CƠ HỌC NEWTON & THUYẾT TƯƠNG ĐỐI EINSTEIN CƠ HỌC NEWTON THUYẾT TƯƠNG ĐỐI EINSTEIN Vận tốc truyền tương tác là lớn vô hạn. Khi một vật trong hệ thay đổi vị trí thì lập tức sự thay đổi ấy ảnh hưởng đến các vật khác. Vận tốc truyền tương tác là như nhau trong tất cả các hệ quán tính nhưng nó có 1 giá trị hữu hạn. Thực nghiệm chứng tỏ vận tốc này bằng vận tốc ánh sáng trong chân không c = 3.108 m.s Như vậy, có thể chuyển từ thuyết tương đối Einstein về cơ học Newton bằng cách cho c∞ ở trong các công thức cơ học tương đối tính. 13 2. ĐỘNG HỌC TƯƠNG ĐỐI TÍNH – PHÉP BIẾN ĐỔI LORENTZ 2.1. SỰ MÂU THUẪN CỦA PHÉP BIẾN ĐỔI GALILEI VỚI THUYẾT TƯƠNG ĐỐI EINSTEIN - Thời gian diễn biến của một quá trình vật lý trong các hệ quy chiếu quán tính K và K’ đều như nhau: t t - Khoảng cách giữa hai điểm 1 và 2 nào đó trong các hệ K và K’ đều bằng nhau: 2 1 2 1l x x l x x         - Vận tốc tuyệt đối của v của chất điểm bằng tổng vector các vận tốc tương đối v’ và vận tốc theo V của hệ quán tính K’ đối với hệ K: v v V  14 2. ĐỘNG HỌC TƯƠNG ĐỐI TÍNH – PHÉP BIẾN ĐỔI LORENTZ 2.1. SỰ MÂU THUẪN CỦA PHÉP BIẾN ĐỔI GALILEI VỚI THUYẾT TƯƠNG ĐỐI EINSTEIN - Trong hệ K’ có 3 điểm A, B, C. Điểm B phát ánh sáng về 2 phía với vận tốc c - Đối với hệ K: Ánh sáng đi từ B đến A có vận tốc: c + V, còn đi từ B đến C lại là c – V. Điều này trái với tiên đề thứ 2 của Einstein về tính bất biến của vận tốc truyền ánh sáng. Như vậy phép biến đối Galilei không phù hợp cho chuyển động của các vật có vận tốc cỡ vận tốc ánh sáng. 15 2. ĐỘNG HỌC TƯƠNG ĐỐI TÍNH – PHÉP BIẾN ĐỔI LORENTZ 2.2. PHÉP BIẾN ĐỔI LORENTZ  Khi xem xét các hiện tượng điện từ, nhà vật lý người Hà Lan Hendrik Lorentz (1853-1928) đã điều chỉnh phép biến đổi Galilei sao cho phù hợp với tính bất biến của các phương trình Maxwell đối với các hệ quy chiếu quán tính. Chính Einstein đã biến phép biến đổi trên – còn gọi là phép biến đổi Lorentz, trở thành phép biến đổi hệ toạ độ cơ sở cho thuyết tương đối hẹp và dựa vào đó đưa ra những hệ quả nổi tiếng. 16 2. ĐỘNG HỌC TƯƠNG ĐỐI TÍNH – PHÉP BIẾN ĐỔI LORENTZ 2.2. PHÉP BIẾN ĐỔI LORENTZ  Xét 2 hệ quy chiếu quán tính K và K’. Giả sử lúc đầu 2 gốc tọa độ O và O’ trùng nhau. Hệ K’ chuyển động so với hệ K với vận tốc là V  Điểm M có tọa độ không gian và thời gian là xyzt và x’y’z’t’ lần lượt xét trong các hệ K và K’. V 17 2. ĐỘNG HỌC TƯƠNG ĐỐI TÍNH – PHÉP BIẾN ĐỔI LORENTZ 2.2. PHÉP BIẾN ĐỔI LORENTZ Lorentz đã dẫn ra mối quan hệ giữa các tọa độ của điểm M như sau: 2 2 2 2 2 V.x t x V.t cx ' , y ' y, z ' z, t ' V V 1 1 c c         2 2 2 2 2 V.x ' t ' x ' V.t ' cx , y y ', z z ', t V V 1 1 c c         V 18 2. ĐỘNG HỌC TƯƠNG ĐỐI TÍNH – PHÉP BIẾN ĐỔI LORENTZ 2.2. PHÉP BIẾN ĐỔI LORENTZ V 0 c Khi tức là ta lại có phép biến đổi GalileiV c x ' x V.t, y ' y, z ' z, t ' t     x x ' V.t ', y y ', z z ', t t '     Điều kiện: tương ứng với sự gần đúng cổ điển V 0 c  Khi c∞ ta cũng thu được phép biến đổi Galilei, tương ứng với quan niệm tương tác tức thời. 19 2. ĐỘNG HỌC TƯƠNG ĐỐI TÍNH – PHÉP BIẾN ĐỔI LORENTZ 2.3. CÁC HỆ QUẢ CỦA PHÉP BIẾN ĐỔI LORENTZ a) Khái niệm về tính đồng thời và quan hệ nhân quả  Giả sử có hai sự kiện A và B xảy ra tại hai thời điểm t1 và t2 trong hệ K.  Khoảng thời gian diễn ra hai sự kiện đó trong hệ K’:  ' ' 2 12 1 2 1 22 2 V(x x )1 t t t t cV 1 c           22 2 1 V. x t ' t cV 1 c            Nếu hai sự kiện A, B không liên quan nhau đồng thời xảy ra tại hai điểm khác nhau (∆x ≠ 0) trong hệ K (∆t = 0) thì không đồng thời xảy ra trong hệ K’ (∆t’ ≠ 0). Tính đồng thời chỉ mang tính tương đối! 20 2. ĐỘNG HỌC TƯƠNG ĐỐI TÍNH – PHÉP BIẾN ĐỔI LORENTZ 2.3. CÁC HỆ QUẢ CỦA PHÉP BIẾN ĐỔI LORENTZ a) Khái niệm về tính đồng thời và quan hệ nhân quả  ' ' 2 1 2 12 1 2 1 2 22 2 2 2 V(x x ) t t1 Vu t t t t 1 0 c cV V 1 1 c c                    Tuy nhiên nếu sự kiện 1 (nguyên nhân) xảy ra trước sự kiện 2 (kết quả) (t2 – t1 > 0) thì ta có:  2 1 2 1x x u t t    Nguyên nhân luôn xảy ra trước hệ quả trong mọi hệ quy chiếu. 21 2. ĐỘNG HỌC TƯƠNG ĐỐI TÍNH – PHÉP BIẾN ĐỔI LORENTZ 2.3. CÁC HỆ QUẢ CỦA PHÉP BIẾN ĐỔI LORENTZ b) Sự co ngắn Lorentz  Giả sử có một thanh đứng yên trong hệ K’ đặt dọc theo trục x’, độ dài của nó trong hệ K’ là: 0 2 1l x x    Gọi l là độ dài của nó đo trong hệ K, muốn vậy ta phải xác định vị trí các đầu của thanh trong hệ K tại cùng thời điểm. 1 1 2 2 1 2 1 2 2 2 2 2 x V.t x V.t x , x , t t V V 1 1 c c         2 1 2 1 2 2 x x x x V 1 c      2 0 02 V l l 1 l c    22 2. ĐỘNG HỌC TƯƠNG ĐỐI TÍNH – PHÉP BIẾN ĐỔI LORENTZ 2.3. CÁC HỆ QUẢ CỦA PHÉP BIẾN ĐỔI LORENTZ b) Sự co ngắn Lorentz  Như vậy “Độ dài (dọc theo phương chuyển động) của thanh trong hệ quy chiếu mà thanh chuyển động ngắn hơn độ dài của thanh ở trong hệ mà thanh đứng yên”  Nói cách khác, khi vật chuyển động, kích thước của nó bị co ngắn lại theo phương chuyển động 23 2. ĐỘNG HỌC TƯƠNG ĐỐI TÍNH – PHÉP BIẾN ĐỔI LORENTZ 2.3. CÁC HỆ QUẢ CỦA PHÉP BIẾN ĐỔI LORENTZ с) Sự giãn nở của thời gian Giả sử có 1 đồng đứng yên trong hệ K’. Xét 2 biến cố xảy ra tại cùng 1 điểm A có các tọa độ x’y’z’ trong hệ K’. Gọi khoảng thời gian giữa 2 biến cố đó là: 2 1t t t     Ta đi tìm khoảng thời gian giữa 2 biến cố trên trong hệ K: 2 1 2 1 2 2 2 2 t t t t t t V V 1 1 c c            2 2 V t t 1 t c        Như vậy, khoảng thời gian trong hệ quy chiếu chuyển động nhỏ hơn khoảng thời gian của cùng quá trình đó trong hệ quy chiếu đứng yên. 24 2. ĐỘNG HỌC TƯƠNG ĐỐI TÍNH – PHÉP BIẾN ĐỔI LORENTZ 2.3. CÁC HỆ QUẢ CỦA PHÉP BIẾN ĐỔI LORENTZ с) Sự giãn nở của thời gian  Đồng hồ chuyển động chạy chậm hơn đồng hồ đứng yên.  Thí nghiệm kiểm chứng: Hạt “muon” () có thời gian sống trung bình khi nằm yên là 2,200s. Khi gia tốc hạt đến vận tốc 0,9994c thì đo được thời gian sống của hạt là 63,5s.  Trường Đại học Maryland đo sự giãn nở của thời gian bằng đồng hồ nguyên tử trên chuyến bay liên tục 15 giờ. 25 2. ĐỘNG HỌC TƯƠNG ĐỐI TÍNH – PHÉP BIẾN ĐỔI LORENTZ 2.3. CÁC HỆ QUẢ CỦA PHÉP BIẾN ĐỔI LORENTZ d) Định lý tổng hợp vận tốc Giả sử u(ux,uy,uz) là vận tốc của 1 chất điểm đối với hệ K, u’(u’x,u’y,u’z) là vận tốc cũng của chất điểm đó đối với hệ K’. 2 2 2 2 2 V dt dx dx Vdt cdx ,dt V V 1 1 c c        x x x 2 2 u Vdx dx Vdt u V Vudt dt dx 1 c c          2 2 2 V dt dx cdy dy,dt V 1 c      2 2 y2 2 y x 2 2 V V dy 1 u 1 dy c c u V Vudt dt dx 1 c c           26 2. ĐỘNG HỌC TƯƠNG ĐỐI TÍNH – PHÉP BIẾN ĐỔI LORENTZ 2.3. CÁC HỆ QUẢ CỦA PHÉP BIẾN ĐỔI LORENTZ d) Định lý tổng hợp vận tốc x x x 2 u V u Vu 1 c     2 y 2 y x 2 V u 1 c u Vu 1 c     2 z 2 z x 2 V u 1 c u Vu 1 c     Từ các công thức này ta có thể suy ra tính bất biến của vận tốc ánh sáng trong chân không: xu c x 2 c V u c Vc 1 c      Định lý tổng hợp vận tốc trong thuyết tương đối 27 3. ĐỘNG LỰC HỌC TƯƠNG ĐỐI TÍNH 3.1. PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA CHUYỂN ĐỘNG CHẤT ĐIỂM  Khối lượng của chất điểm chuyển động với vận tốc v – khối lượng tương đối: 0 2 m m 1 (v / c)   - trong đó m0 – gọi là khối lượng nghỉ, là khối lượng khi chất điểm đứng yên.  Phương trình cơ bản của chuyển động chất điểm: 0 2 m vd d F (mv) dt dt 1 (v / c)         28 3. ĐỘNG LỰC HỌC TƯƠNG ĐỐI TÍNH 3.2. ĐỘNG LƯỢNG VÀ NĂNG LƯỢNG  Động lượng tương đối tính của chất điểm: 0 2 m v P mv 1 (v / c)     Năng lượng của chất điểm: Độ biến thiên năng lượng của vật bằng công của ngoại lực tác dụng lên vật:   0 2 m vd dW dA Fds .ds dt 1 v / c           dp F dt  dv ds .ds dv. v.dv dt dt     0 3/2 2 m vdv dW 1 v / c      29 3. ĐỘNG LỰC HỌC TƯƠNG ĐỐI TÍNH 3.2. ĐỘNG LƯỢNG VÀ NĂNG LƯỢNG  Năng lượng của chất điểm: Mặt khác: 0 2 m m 1 (v / c)     0 3/2 22 m vdv dm c 1 v / c       Suy ra: 2 2dW c .dm W mc const    Điều kiện là khi m = 0 thì W = 0 nên ta có const = 0. Từ đó: 2W mc HỆ THỨC EINSTEIN 30 3. ĐỘNG LỰC HỌC TƯƠNG ĐỐI TÍNH 3.3. CÁC HỆ QUẢ CỦA HỆ THỨC EINSTEIN  Năng lượng nghỉ của vật, nghĩa là lúc vật đứng yên (m=m0) 2 0W m c  Khi chuyển động thì vật có thêm động năng:   2 2 2 0 0 2 1 W mc m c m c 1 1 v / c            ® 31 3. ĐỘNG LỰC HỌC TƯƠNG ĐỐI TÍNH 3.3. CÁC HỆ QUẢ CỦA HỆ THỨC EINSTEIN  Biểu thức liên hệ giữa năng lượng và động lượng     2 22 2 2 40 0 2 m c W mc W 1 v / c m c 1 v / c                2 22 2 2 4 2 2 4 2 0 0 22 4 2 4 2 4 2 2 2 0 0 W W v / c m c W m c W v / c m c m c v / c m c m v c            2 4 2 2 0W m c p c  mv pThay , ta thu được: 32 3. ĐỘNG LỰC HỌC TƯƠNG ĐỐI TÍNH 3.3. CÁC HỆ QUẢ CỦA HỆ THỨC EINSTEIN  Hiện tượng phân rã hạt nhân Giả sử một hạt nhân phân rã thành hai hạt thành phần. Khối lượng nghỉ của các hạt lần lượt là m, m1, m2. Theo định luật bảo toàn năng lượng: 1 2W W W      2 2 2 2 21 2 1 2 2 2 1 2 m c m c mc m c m c 1 v / c 1 v / c       1 2m m m  Khối lượng hạt nhân trước khi tự phân rã lớn hơn tổng khối lượng của các hạt thành phần. Phần năng lượng tương ứng với độ hụt khối lượng được tỏa ra dưới dạng bức xạ:   2 21 2W m m m c m.c        33 Chương 6 THUYẾT TƯƠNG ĐỐI HẸP CỦA EINSTEIN Các bài tập cần làm: (Sách BT Lương Duyên Bình): 6.1, 6.2, 6.4, 6.5, 6.6, 6.8 HẾT