Thuyết Tương đối và những lý giải liên quan đến cuộc sống

Tại sao vàng có màu vàng và không dễ bị ăn mòn? Hệ thống định vị toàn cầu (GPS) hoạt động nhờ đâu? Nguyên nhân của các vụ nổ siêu tân tinh là gì?... Với Thuyết Tương đối, chúng ta sẽ hiểu được phần nào những bí ẩn vẫn luôn tồn tại trong cuộc sống xung quanh.

Phương trình thế kỷ: E=mc2

Được nhà khoa học Albert Einstein đưa ra vào năm 1905, Thuyết Tương đối giải thích trạng thái của các đối tượng trong không gian và thời gian và nó cũng có thể được sử dụng để phỏng đoán mọi thứ từ sự tồn tại của lỗ đen (Black Holes) đến ánh sáng uốn cong do trọng lực; hay trạng thái của sao Thủy trong quỹ đạo của nó.

Tin liên quan: Bí mật khổng lồ của ‘kẻ giết người vô hình’ ngoài vũ trụ

Dưới đây là những thứ chịu ảnh hưởng bởi tính chất tương đối mà chúng ta có thể nhìn thấy hàng ngày trong cuộc sống:

1. Hệ thống định vị toàn cầu (GPS)

Các hệ thống định vị GPS trên ô tô có thể hoạt động chính xác là do các vệ tinh sử dụng các tính chất tương đối. Mặc dù các vệ tinh không chuyển động với tốc độ gần với tốc độ của ánh sáng, nhưng chúng vẫn chuyển động với vận tốc khá nhanh.

Vệ tinh sử dụng các tính chất tương đối để xác định vị trí trên mặt đất

Vệ tinh cũng gửi các tín hiệu về các trạm thu dưới mặt đất. Những trạm không gian này và hệ thống GPS trên ô tô có gia tốc cao hơn do lực hấp dẫn so với các vệ tinh trên quỹ đạo.

Hệ thống định vị GPS trên ô tô

Để xác định chính xác các vị trí dưới mặt đất, vệ tinh sử dụng các đồng hồ có độ chính xác tới vài tỷ/giây. Vì mỗi vệ tinh nằm cách mặt đất khoảng 20.300 km và di chuyển với tốc độ 10.000 km/giờ, nên sai số tương đối về thời gian là khoảng 4 phần triệu giây mỗi ngày.

Cộng với tác động của trọng lực, sai dố này tăng lên khoảng 7 phần triệu giây. Sự khác nhau rất rõ ràng: nếu không có tác động của tính tương đối, một thiết bị GPS sẽ thông báo với bạn rằng trạm xăng cách bạn khoảng 0,8 km xa thêm 8km chỉ sau 1 ngày.

2. Nam châm điện

Từ tính là một tác động của tính tương đối. Nếu bạn sử dụng điện, bạn có thể hiểu tại sao máy phát điện nhờ tính chất tương đối.

Nếu bạn sử dụng điện, bạn có thể thể hiểu tại sao máy phát điện nhờ tính chất tương đối

Nếu bạn lấy một cuộn dây và đưa nó qua một từ trường, bạn sẽ tạo ra một dòng điện. Các phần tử tích điện trong dây bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi của từ trường, buộc một số phần tử tích điện chuyển động và tạo ra dòng điện.

Thomas Moore, Giáo sư vật lý học tại trường Đại học Pomona (Mỹ), sử dụng nguyên lý của thuyết tương đối để giải thích tại sao định luật Faraday, cho rằng sự thay đổi từ trường tạo ra dòng điện, là hoàn toàn chính xác.

Giáo sư Vật lý học Thomas Moore

“Vì đây là nguyên lý cốt lõi sau các máy biến thế và máy phát điện, nên bất cứ ai sử dụng điện đều đang trải nghiệm sử ảnh hưởng của tính tương đối”, Giáo sư Moore giải thích.

Nam châm điện cũng hoạt động thông qua tính chất tương đối. Khi một dòng điện trực tiếp di chuyển qua cuộn dây, các điện tử di chuyển qua vật liệu. Ban đầu, cuộn dây là vật liệu mang phần tử điện trung tính. Nhưng khi bạn đưa nó cạnh một cuộn dây chứa dòng điện trực tiếp, các cuộn dây sẽ hút hoặc đẩy nhau, tùy thuộc vào hướng dòng điện chuyển động.

Trong trường hợp các dòng điện đang di chuyển cùng chiều, các điện tử trong cuộn dây đầu tiên sẽ thấy các điện tử trong cuộn dây thứ hai đứng im vì hai dòng điện cùng sức mạnh. Trong khi đó, dòng điện di chuyển ngược chiều sẽ hút nhau, bởi vì điện tử ở cuộn dây thứ nhất coi các điện tử ở cuộn dây thứ hai đông đúc hơn, tạo ra phản ứng dây chuyền.

3. Màu của vàng

Phần lớn các kim loại đều sáng bóng bởi vì các điện tử trong nguyên tử nhảy qua lại giữa các mức độ năng lượng khác nhau. Một số lượng tử ánh sáng đập vào kim loại bị hấp thu và phản chiếu lại, cho dù ở xa. Phần lớn ánh sáng hữu hình đều phản chiếu khi đập vào bề mặt kim loại.

Kim loại vàng có màu vàng vì ánh sáng vàng, cam và đỏ có bước sóng dài hơn ánh sáng xanh

Vàng là một nguyên tử nặng, nên các điện tử bên trong di chuyển đủ nhanh khiến khối lượng tương đối (relativistic mass) tăng đáng kể. Kết quả, những điện tử quanh hạt nhân trên quỹ đạo ngắn hơn với động lực lớn hơn. Các điện tử ở quỹ đạo bên trong mang năng lượng gần giống năng lượng của các điện tử bên ngoài và bước sóng hấp thu và phản chiếu dài hơn.

Bước sóng của ánh sáng dài hơn đồng nghĩa một số ánh sáng hữu hình, thường chỉ bị phản chiếu, bị hấp thu và ánh sáng đó nằm ở cuối dải xanh trên quang phổ.

Ánh sáng trắng là kết hợp của tất cả các màu sắc cầu vồng, nhưng trong trường hợp của vàng, khi ánh sáng bị hấp thu và phản chiếu, bước sóng thường dài hơn. Điều đó đồng nghĩa sự kết hợp của các bước sóng ánh sáng chúng ta nhìn thấy thường ít màu xanh và tím. Vì thế, kim loại vàng có màu vàng vì ánh sáng vàng, cam và đỏ có bước sóng dài hơn ánh sáng xanh.

4. Vàng không dễ dàng bị ăn mòn

Tác động của tính chất tương đối lên các điện tử của vàng cũng là một nguyên nhân khiến kim loại này không bị ăn mòn hay phản ứng dễ dàng với những chất khác.

Tác động của tính chất tương đối lên các điện tử của vàng cũng là một nguyên nhân khiến kim loại này không bị ăn mòn hay phản ứng dễ dàng với những chất khác

Vàng chỉ có duy nhất 1 điện tử ở vỏ ngoài của nó, nhưng nó không dễ phản ứng như canxi hay lithium. Thay vào đó, các điện tử của vàng được giữ gần với hạt nhân nguyên tử của nó. Điều này có nghĩa điện tử bên ngoài không được đặt ở vị trí mà nó có thể phản ứng với các chất khác.

5. Thủy ngân ở dạng lỏng

Tương tự như vàng, thủy ngân cũng là một nguyên tử nặng với các hạt điện tử được giữ gần nhân do khối lượng và tốc độ của nó tăng lên.

Thuyết tương đối giúp giải thích tại sao thủy ngân thường ở dạng lỏng

Với thủy ngân, liên kết giữa các nguyên tử của nó rất yếu, nên thủy ngân tan chảy ở nhiệt độ thấp và chúng ta thường nhìn thấy nó ở dạng lỏng.

6. Tivi cũ

Cách đây vài năm, phần lớn tivi và màn hình sử dụng công nghệ màn hình ống tia catốt (CRT). Một màn hình CRT hoạt động bằng cách bắn phá các hạt điện tử trên một bề mặt phốt pho với một nam châm lớn.

Màn hình ống tia catốt (CRT)

Mỗi điện tử tạo ra 1 ảnh điểm khi nó chạm vào màn hình. Các hạt điện tử bắn ra để tạo chuyển động ảnh ở tốc độ bằng 30% tốc độ của ánh sáng. Ảnh hưởng của lực hấp dẫn rất dễ nhận thấy trong trường hợp này, khi các nhà sản xuất phải dùng tới nam châm

7. Ánh sáng

Nếu nhà khoa học Isaac Newton đúng trong nhận định rằng ánh sáng có một quãng nghỉ hoàn toàn, thì chúng ta phải tìm ra cách giải thích khác về ánh sáng. Nhưng điều đó sẽ không xảy ra.

Ánh sáng dưới 'con mắt' của Thuyết Tương đối là không tồn tại

“Không chỉ từ tính không tồn tại mà ánh sáng cũng không tồn tại, bởi vì thuyết tương đối đòi hỏi sự thay đổi trong chuyển động từ trường ở tốc độ hạn chế thay vì tức thời. Nếu thuyết tương đối không thực thi đòi hỏi này...những thay đổi trong từ trường sẽ được giao tiếp tức thời. Thay vì qua sóng điện từ, cả từ tính và ánh sáng sẽ không cần thiết”, Giáo sư Thomas Moore cho biết.

8. Nhà máy hạt nhân và Siêu tân tinh

Tính tương đối là một lý do khối lượng và năng lượng có thể chuyển đổi lẫn nhau. Điều này giúp giải thích các nhà máy hạt nhân hoạt động như thế nào và tại sao Mặt trời chiếu sáng. Một tác dụng quan trọng khác là giải thích các vụ nổ siêu tân tinh, dấu hiệu kết thúc của các ngôi sao lớn.

Hình ảnh của siêu tân tinh W498 do kính thiên văn của NASA ghi lại

“Các siêu tân tinh tồn tại là do ảnh hưởng của tính tương đối vượt qua ảnh hưởng của lượng tử trong lõi một ngôi sao lớn, cho phép nó sụp đổ đột ngột dưới trọng lượng của nó cho tới khi trở thành một ngôi sao nơtron nhỏ hơn rất nhiều”, Giáo sư Thomas Moore giải thích.

Trong một siêu tân tinh, các lớp bên ngoài của một ngôi sao sụp đổ xuống nhân của nó và tạo ra một vụ nổ cực lớn, tạo ra các nguyên tố nặng hơn sắt. Trên thức tế, gần như tất cả các nguyên tố nặng chúng ta đã biết được tạo ra từ các siêu tân tinh.