Thuyết tương đối

Thuyết tương đối miêu tả cấu trúc của không gian và thời gian trong một thực thể thống nhất là không thời gian cũng như giải thích bản chất của lực hấp dẫn là do sự uốn cong của không thời gian bởi vật chất và năng lượng. Thuyết tương đối gồm hai lý thuyết vật lý do Albert Einstein phát triển, với thuyết tương đối đặc biệt công bố vào năm 1905 và thuyết tương đối tổng quát công bố vào cuối năm 1915 và đầu năm 1916. Thuyết tương đối hẹp miêu tả hành xử của không gian và thời gian và những hiện tượng liên quan từ những quan sát viên chuyển động đều tương đối với nhau. Thuyết tương đối rộng tổng quát các hệ quy chiếu quán tính sang hệ quy chiếu chuyển động có gia tốc và bao gồm lực hấp dẫn giữa các khối lượng với nhau.
Thuyết tương đối thường phải được tính đến trong những quá trình có vận tốc là lớn đáng kể so với tốc độ ánh sáng (thường là trên 10% tốc độ ánh sáng) hoặc có trường hấp dẫn khá mạnh và không thể bỏ qua được. Ở vận tốc tương đối tính, các hiệu ứng của thuyết tương đối hẹp trở nên quan trọng và ảnh hưởng tới kết quả tiên đoán cũng như miêu tả hiện tượng vật lý.
Thuật ngữ "thuyết tương đối" (tiếng Đức: Relativtheorie) sử dụng lần đầu tiên vào năm 1906 bởi Max Planck khi ông nhấn mạnh trong lý thuyết này có một trong những nền tảng là dựa trên nguyên lý tương đối. Trong phần thảo luận của cùng một bài báo, Alfred Bucherer lần đầu tiên sử dụng cách viết Relativitätstheorie.

Các lý thuyết mở rộng

Với lý thuyết mới coi bản chất của lực hấp dẫn như một hiệu ứng hình học, các nhà vật lý đặt câu hỏi liệu những lực cơ bản khác, như lực điện từ có là do hiệu ứng hình học. Theodor Kaluza (1921) và Oskar Klein (1926) đã mở rộng thuyết tương đối rộng để nghiên cứu thêm lực điện từ bằng cách thêm một chiều nữa vào không thời gian bốn chiều để có không gian năm chiều, mà một chiều có kích cỡ vi mô ẩn giấu dưới cảm nhận thông thường. Tuy nhiên, lý thuyết của họ đã không thành công. Thậm chí Einstein đã dành phần lớn thời gian nghiên cứu khoa học của nửa cuộc đời còn lại để nghiên cứu lý thuyết trường thống nhất nhưng ông cũng đã không thành công.
Một trong những lý do thất bại của Einstein đó là, ở thời điểm của ông, cộng đồng các nhà vật lý chưa hiểu rõ hết bản chất của hai lực cơ bản còn lại: tương tác mạnh và tương tác yếu. Cùng với sự phát triển của lý thuyết trường lượng tử, lý thuyết Kaluza-Klein đã được khôi phục lại khi các nhà vật lý dựa trên ý tưởng không thời gian có nhiều hơn bốn chiều như vẫn thường thấy. Ngày nay, hầu hết các lý thuyết nhằm thống nhất thuyết tương đối với cơ học lượng tử bao gồm lý thuyết dây có cơ sở dựa trên không thời gian nhiều chiều, với sáu hoặc bảy chiều ẩn giấu ở phạm vi độ dài Planck.

Tầm quan trọng

Thuyết tương đối làm nên cuộc cách mạng về sự hiểu biết không gian và thời gian cũng như những hiện tượng liên quan mà vượt xa khỏi những ý tưởng và quan sát trực giác. Những hiện tượng này đã được miêu tả bằng những phương trình toán học chính xác và xác nhận đúng đắn bằng thực nghiệm. Khi được phát minh, thuyết tương đối chứa đựng lý thuyết cơ học cổ điển của Isaac Newton có từ hơn 200 năm trước như là một trường hợp giới hạn của nó.Và do đó, thuyết tương đối cũng thỏa mãn nguyên lý tương ứng.
Mô hình chuẩn của vật lý hạt mô tả bằng lý thuyết trường lượng tử, lý thuyết thống nhất giữa thuyết tương đối hẹp và cơ học lượng tử. Với thuyết tương đối, ngành vũ trụ học và vật lý thiên văn đã tiên đoán và quan sát thấy những hiện tượng thiên văn học kỳ lạ bao gồm sao neutron, lỗ đen, sóng hấp dẫn, thấu kính hấp dẫn...
Thuyết tương đối tổng quát cùng với vật lý lượng tử là hai trụ cột chính yếu của vật lý hiện đại. Hiện nay, các nhà vật lý đang nỗ lực thống nhất hai lý thuyết này trong một thuyết gọi là Lý thuyết vạn vật (Theory of Everything). Mặc dù có nhiều bước tiến với những mô hình khác nhau, song nỗ lực thống nhất hai lý thuyết vẫn là một trong những thử thách lớn nhất của ngành nghiên cứu vật lý cơ bản.

Tính tương đối của không gian và thời gian

Không gian và thời gian không còn là cấu trúc bất biến phổ quát trong thuyết tương đối nữa. Cụ thể, các quan sát viên sẽ nhận xét hai sự kiện xảy ra trong không gian và thời gian là đồng thời hay sớm hoặc trễ tùy thuộc vào trạng thái chuyển động của họ. Vật thể chuyển động có kích thước bị ngắn lại theo hướng chuyển động so với khi nó đứng yên và đồng hồ chuyển động chạy chậm hơn so với đồng hồ đặt yên một chỗ. Tuy nhiên, mỗi quan sát viên chuyển động với vận tốc đều đưa ra kết luận chỉ đúng trong hệ quy chiếu của riêng họ, do vậy những kết luận từ hai quan sát viên có tính tương hỗ lẫn nhau, ví dụ như mỗi người sẽ thấy đồng hồ của người kia chạy chậm lại. Thêm nữa, nếu hai người chuyển động dọc theo hướng nhìn của nhau, mỗi người sẽ thấy thước đo của người kia ngắn đi. Nguyên lý tương đối không thể trả lời cho câu hỏi về người nào miêu tả là đúng mà nó chỉ cho biết kết quả của từng người thu được.
Sự co ngắn chiều dài và sự dãn thời gian có thể dễ dàng hiểu được từ biểu đồ Minkowski và nghịch lý anh em sinh đôi. Trong dạng thức toán học, chúng là kết quả của phép biến đổi Lorentz miêu tả mối liên hệ giữa tọa độ không gian và thời gian của các quan sát viên khác nhau. Phép biến đổi tuyến tính này được rút ra trực tiếp từ hai tiên đề trên.
Hầu hết các hiệu ứng tương đối tính đều trở nên đáng kể khi vận tốc là tương đối lớn so với tốc độ ánh sáng, do vậy phần lớn các hiện tượng hàng ngày có thể giải thích dựa trên cơ học Newton và những hiệu ứng tương đối tính có vẻ như trái ngược với trực giác.

Từ trường trong thuyết tương đối

Sự tồn tại của lực từ có mối liên hệ mật thiết với thuyết tương đối hẹp. Định luật Coulomb về lực điện khi đứng riêng rẽ sẽ không thể tương thích với cấu trúc của không thời gian. Thật vậy, khi các điện tích đứng yên sẽ không có từ trường xuất hiện, trừ khi có một quan sát viên đang di chuyển so với các điện tích. Có thể giải thích kết quả quan sát này dựa trên phép biến đổi Lorentz giữa mối liên hệ của vectơ từ trường và vectơ điện trường, cho thấy mối liên hệ khăng khít giữa từ trường, điện trường và hệ quy chiếu được lựa chọn. Sự xuất hiện của từ trường khi đưa nam châm di chuyển đến gần vòng dây dẫn (và ngược lại), hay tổng quát hơn khi có từ trường biến đổi thì xuất hiện điện trường (và ngược lại) còn liên quan đến thuộc tính của không gian và thời gian. Từ phương diện này, tuy hai định luật Coulomb và định luật Biot-Savart có vẻ khác nhau nhưng khi xét trong từng hệ quy chiếu của quan sát viên đứng yên hay chuyển động sẽ cho những kết quả như nhau. Trong mô tả toán học của thuyết tương đối, từ trường và điện trường được miêu tả chung bằng một đại lượng, tenxơ trường điện từ hạng bốn, tương tự như sự thống nhất giữa không gian và thời gian trong không thời gian bốn chiều.

Đồng hồ trong trường hấp dẫn

Trong thuyết tương đối rộng, tốc độ hoạt động của đồng hồ không chỉ phụ thuộc vào vận tốc tương đối của chúng, mà còn phụ thuộc vào vị trí của nó trong trường hấp dẫn cũng như độ mạnh yếu của trường. Một đồng hồ đặt trên đỉnh núi sẽ chạy nhanh hơn cái y hệt đặt dưới thung lũng.  Tuy hiệu ứng này là rất nhỏ trong trường hấp dẫn của Trái Đất, nhưng để máy thu GPS tránh được các sai số trong tọa độ vị trí khi nó thu được từ tần số vệ tinh thì cần phải hiệu chỉnh thời gian giữa máy thu và thời gian trên vệ tinh để cho chúng đồng bộ.

Vũ trụ học

Trong khi thuyết tương đối hẹp áp dụng cho trường hợp hệ quy chiếu đang xét nằm trong vùng không thời gian có độ cong nhỏ có thể bỏ qua được, thì thuyết tương đối tổng quát không đòi hỏi giới hạn này. Do đó nó có thể áp dụng cho toàn thể vũ trụ và lý thuyết đóng vai trò quan trọng của ngành vũ trụ học. Vì thế, sự giãn nở của vũ trụ, như được tiên đoán bởi Alexander Friedmann và Georges Lemaître từ phương trình trường Einstein cũng như kết hợp với hằng số vũ trụ học (năng lượng tối) và một số yếu tố khác như vật chất tối đã trở thành mô hình chuẩn của vũ trụ học. Sự giãn nở này bắt đầu từ Vụ Nổ Lớn xảy ra từ cách nay 13,8 tỷ năm trước. Nó cũng là sự bắt đầu của không gian và thời gian khi toàn bộ vũ trụ tập trung trong một vùng không gian có đường kính kích cỡ chiều dài Planck.

Nhận thức của công chúng

Cách tiếp cận mới của thuyết tương đối về không gian và thời gian đã thu hút sự quan tâm của công chúng kể từ khi lý thuyết ra đời. Einstein trở lên nổi tiếng và thuyết tương đối dần xuất hiện trên các phương tiện truyền thông. Với cách nói đơn giản mọi thứ đều tương đối, đôi khi lý thuyết trở thành một lĩnh vực xem xét của chủ nghĩa tương đối trong triết học.
Trong bộ phim chiếu vào tháng 4 năm 1922 nhan đề "Những điều cơ bản của thuyết tương đối Einstein", với nhiều khung hình minh họa giải thích thuyết tương đối hẹp của Einstein trước khán giả.
Những lời chỉ trích phê bình về thuyết tương đối bắt nguồn từ nhiều cách khác nhau, như hiểu sai lý thuyết, chống đối những tiến bộ của toán học và vật lý hay liên quan đến nguồn gốc Do Thái của Einstein. Từ thập kỷ 1920 một vài nhà vật lý ở Đức đã công khai chống người Do Thái, bao gồm hai người đoạt giải Nobel là Philipp Lenard và Johannes Stark, với phong trào Deutsche Physik chống lại thuyết tương đối. Vài năm sau khi Chủ nghĩa Quốc xã nắm quyền, Stark đăng một bài viết trên tờ Das Schwarze Korps của SS số ngày 15 tháng 7 năm 1937 chống lại những người trong nước còn theo ủng hộ thuyết tương đối và thuyết lượng tử. Trong số họ, Stark tố cáo Werner Heisenberg và Max Planck là những người Do Thái trắng. Heisenberg đã đến gặp trực tiếp Himmler và đạt được khôi phục danh dự của mình.

Khoa học công nhận

Thời gian đầu thuyết tương đối mới ra đời chưa được cộng đồng khoa học công nhận, với Albert Einstein nhận giải Nobel Vật lý năm 1921 với lý do có cống hiến cho nền vật lý lý thuyết và đặc biệt cho hiệu ứng quang điện. Ngày nay, cả thuyết tương đối hẹp và thuyết tương đối rộng đã được thừa nhận rộng rãi và chúng là những trụ cột cho ngành vật lý cũng như nền tảng trong sự phát triển của các công nghệ hiện đại.