Thích Minh Pháp
hình minh họa
-
Theo quan
điểm thời Cổ đại
Vào thời cổ đại, con người quan niệm về không gian và
thời gian còn đơn sơ và mộc mạc. Theo các Triết gia Phương Đông, đặc biệt các
Triết gia Ấn Độ có những nhận thức như sau:
Theo họ không gian thời gian có giới hạn ở một số chiều
và vô biên ở một số chiều, rồi có lúc lại cho rằng: không có điểm khởi đầu và
không có điểm kết thúc. Bởi lẽ, nó không vĩnh hằng và cũng không phải không vĩnh hằng bởi vì
bản thân nó là không thực có.
Còn các Triết gia Phương Tây mà
nổi bậc nhất là các Triết gia Hy Lạp, vào thế kỳ thứ V trước công nguyên. Triết gia cổ đại Democrite quan niệm về không gian đã cho rằng: Các
nguyên tử không phân chia ra được mà chuyển động trong không gian trống rỗng của
thế giới. Như vậy đã xem thế giới là chân không, là cái giới
hạn các vật thể và ngược lại các vật thể giới hạn chân không.
Còn Aristote lại không thừa nhận chân không. Trong
thiên nhiên không có cái trống rỗng. Ông giải thích rằng: Vì thiên nhiên
sợ cái trống rỗng cho nên khi một vật di động khỏi vị trí cũ thì lập tức không
khí chung quanh ập đến lấp đầy cái trống vừa được tạo ra đó.
Aristote cũng phân chia không gian làm hai phần: Thế giới từ Mặt Trăng trở lên
là thế giới của Trời, thế giới đó là cao nhất và do Chúa chi phối. Còn thế giới từ Mặt Trăng trở xuống là thế giới của đất, là thế giới
trần tục.
Về mặt thời gian, lúc bấy giờ
người ta cho rằng thời gian như một tấm lụa trãi dài vô cùng bằng phẳng nơi nào
cũng như nơi nào. Bên cạnh những quan niệm không gian, thời gian nêu trên, còn một quan
niệm khác mang tính duy tâm cho rằng: Không gian thời gian là sản phẩm của sự
tưởng tượng của con người đặt ra, xuất phát từ ý thức của con người.
Tóm lại, trong giai đoạn này những quan niệm về không gian thời gian không được
xây dựng trên một cơ sở khoa học nào.
- Theo quan
điểm Cơ học cổ điển
Quan niệm về không gian và thời
gian của Cơ học cổ điển mà điển hình là cơ học của Newton, có sự kế thừa các quan niệm của giai
đoạn trước thuộc trường phái Nguyên tử luận. Tuy nhiên, đến giai đoạn này, những quan niệm về không gian, thời
gian được xây dựng có cơ sở khoa học, có hệ thống và phù hợp với các chuyển động
cơ học được quy định bỡi các định luật của Newton.
Theo Newton, không gian được chia làm hai loại đó là
không gian tuyệt đối và không gian tương đối.
Không gian tuyệt đối là cái trống
rỗng để chứa mọi vật, nó tuyệt đối thấu suốt, không tác dụng lên cái gì và không
chịu tác dụng của cái gì. nó có ba chiều, liên tục, vô hạn, đồng nhất,
đẳng hướng, không chuyển động và có các phần tử hoàn toàn giống nhau. Không gian tuyệt đối tự nó từ xưa đến nay và mãi mãi về sau vẫn tồn
tại như vậy không bao giờ thay đổi. Hình học của nó là
hình học Euclide.
Không gian tương đối là không gian
cụ thể, do các vật thể vật chất của chất rắn, chất lỏng, chất khí…chiếm chổ. Đó là không gian cụ thể của hòn
đá, căn nhà, trái đất….Theo Newton, không gian tương đối luôn luôn trùng với một
khoảng nào đó của không gian tuyệt đối. Khoảng không gian đó hoàn toàn như nhau về độ lớn và hình dạng.
Về thời gian, theo
Newton
cũng được chia làm hai loại, đó là thời gian tuyệt đối và thời gian tương đối.
Thời gian tuyệt đối là sự lâu dài thuần tuý, là cái
trống rỗng chứa các biến cố ( của một sự kiện hiện
tượng bất kỳ nào đó xảy ra trong không gian và thời gian) không phụ thuộc vào
cái gì và cũng không chịu ảnh hưởng của cái gì. nó
có một chiều, liên tục, vô hạn, đồng nhất và trôi đều đặn từ quá khứ đến tương
lai. Thời gian tuyệt đối tự nó từ xưa đến nay và mãi về sau
này vẫn tồn tại như vậy, không bao giờ thay đổi. Thời gian tuyệt đối ở chổ nào cũng như chổ nào và lúc nào cũng trôi
đều đặn như lúc nào.
Thời gian tương đối là thời gian
không thường, là thời gian biểu kiến. Đó là sự
lâu dài cụ thể mà giác quan ta cảm thấy có được nhờ có một quá trình nào đó.
Thí dụ như dựa vào sự chuyển động của Trái Đất quay quanh Mặt Trời mà xác định
ra năm, tháng, ngày, giờ…v…v… những quá trình mà ta coi đều đặn được dùng làm
“ Đồng
hồ” để đo thời gian.
Tóm lại quan niệm về không gian và
thời gian của Newton
đã có nhiều mặt tiến bộ hơn so với những quan niệm của trường phái Duy Tâm, siêu
hình. Ông thừa nhận không gian và thời gian có tính chất
khách quan, không phụ thuộc vào ý thức của con người. Tuy nhiên, quan
niệm của Newton vẫn còn hạn chế, làm cho khái niệm không gian và
thời gian theo cơ học Newton chưa mang tính tổng
quát.
- Theo quan
điểm Cơ hoc hiện đại
Cuối thế kỷ XIX đầu thế kỷ XX, Khoa học và kỷ thuật
phát triển mạnh, con người bắt đầu tiếp xúc với những vật chất chuyển động nhanh,
cỡ vận tốc ánh sáng ( 300.000km/s trong chân không). Khi đó, xuất hiện nhiều hiện tượng mâu thuẫn với các quan điểm cơ
học của Newton. Cụ thể là:
Không gian, thời gian, khối lượng đều phụ thuộc vào chuyển động.
Những khó khăn đó, cơ học của Newton không thể giải đáp được. Từ đó,
các nhà Thiên văn học rút ra kết luận: Cơ học Newton ( tức cơ học
cổ điển) chỉ áp dụng cho những vật chất chuyển động với vận tốc nhỏ so với vận
tốc ánh sáng. Như vậy, cần phải xây dựng một cơ học mới, tổng
quát hơn, áp dụng cho tất cả các trường hợp.
Đó là lý do ra đời của môn cơ học tương đối tính hay là thuyết tương đối hẹp và
môn cơ học tương đối tổng quát hay là thuyết tương đối rộng của Albert Einstein.
3.1.
Theo thuyết tương đối hẹp
Để xây dựng thuyết tương đối hẹp, Einstein đã đưa ra
hai tiên đề dựa trên kết quả đo vận tốc ánh sáng, đó là: Vận tố ánh sáng trong
chân không là một bất biến đổi với mọi hệ quy chiếu quán tính.
Mọi định luật vật lý đều giống
nhau trong các hệ quy chiếu quán tính. Từ đó, Einstein
đã xây dựng được không gian và thời gian. Theo ông,
không gian có tính tương đối và thời gian cũng có tính tương đối.
Tính tương đối của không gian
Qua kết quả kiểm nghiệm của Einstein thì: Độ dài của
thanh vật chất đo được ở trong hệ chuyển động thì ngắn hơn độ dài của thanh vật
chất đó đo được trong hệ mà nó đứng yên. Hoặc được hiểu là: Khi một vật chuyển
động thì kích thước của nó bị co ngắn lại theo phương
mà nó chuyển động. Ví dụ: Một con tàu Vũ trụ dài 8m chuyển động vận tốc
260.000km/s. lúc chuyển động thì chiều dài của con tàu còn lại là:
Áp dụng công thứ của Einstein: {15,152}
1 = 1A. 1
v2 Thay vào ta
được
c2
1=8.
1 (260000)2
(300000)2
tức con tàu co lại
còn một nửa.
Hiện tượng này được gọi là hiệu
ứng co của thuyết tương đối hẹp. Như vậy,
kích thước của vật ( nói
rộng ra là không gian) phụ thuộc vào chuyển động. Do vậy, không gian có tính
chất tương đối.
Tính tương đối của thời gian.
Qua kết quả kiểm nghiệm của Einstein thì: Khoảng thời
gian xảy ra của một biến cố trong hệ qui chiếu 0’ chuyển động bao giờ cũng nhỏ
hơn khoảng thời gian xảy ra của biến cố đó trong hệ qui chiếu đứng yên 0.
Nếu ta gắn trên hai hệ qui chiếu đó hai đồng hồ như nhau thì khoảng thời gian
xảy ra của cùng một biến cố được ghi trên đồng hồ của hệ 0’ù sẽ nhỏ hơn khoảng
thời gian ghi được trên đồng hồ gắn vào hệ 0. Ta nói: Đồng hồ chuyển động
chạy chậm hơn đồng hồ đứng yên.
Điều này có nghĩa là: Thời gian xảy ra của một biến cố
sẽ khác nhau tuỳ thuộc vào chổ ta đứng quan sát biến cố đó. Thời gian có sự thay
đổi tuỳ theo các hệ qui chiếu ( nơi mà ta quan sát biến
cố đó). Hay nói cách khác, thời gian có tính tương đối phụ
thuộc vào chuyển động.
Ví dụ: Nếu một nhà Du hành vũ trụ ngồi trên tàu vũ trụ
với vận tốc 299960 km/s phải đi trong một năm thì ta hãy tính xem với khoảng
thời gian đó thì ở mặt đất đã trãi qua bao lâu?.
Áp dụng công thức của Einstein: {15,154}
(t’ = (t .
1-
Thay vào ta được
(t
= 1 :
1-
== 100 năm
Như vậy là nhà Du hành đi trong vũ trụ một năm thì trên
quả đất đã trôi qua 100 năm. Nếu sau khi thám hiểm vũ trụ xong, trong 1 năm nhà
Du hành lại quay về quả đất ( tức là cả đi lẫn về mất 2 năm) thì lúc về, thời
gian ở trên quả đất đã trôi qua 200 năm. Lúc đó chỉ còn chắt chiu (con cháu) ra
đón nhà Du hành mà thôi.
3.2.
Theo thuyết tương đối rộng.
Con người, trước hết hiểu không gian và thời gian một cách
có hệ thống thông qua cơ học Newton. Theo đó, không gian, thời gian không những
không liên hệ gì với vận động mà ngay bản thân chúng cũng tách rời nhau. Không
gian thời gian là một khái niệm chỉ “ quảng tính”của vật. Vì vậy, chúng ta vẫn
coi không gian và thời gian là hai phạm trù vật lý khác nhau.
Ngày nay, khả năng nghiên cứu của con người đã vươn tới
tầm vũ trụ, tiếp xúc với những đối tượng vật lý có những đặc tính mới mẽ như các
sao Notron, các Lỗ Đen….. là những vùng có sự tập trung vật chất rất lớn mà trên
hành tinh chúng ta chưa từng có. Trong điều kiện đó, thuyết tương đối hẹp tỏ ra
còn “ hẹp” chưa đáp ứng được tình hình thực tế đặt ra. Cho nên, Einstein đã xây
dựng nên thuyết tương đối rộng hay còn gọi là thuyết tương đối tổng quát.
Theo thuyết tương đối rộng ( tổng quát) Einstein chia làm
hai phần, đó là: Từ không gian, thời gian đến “ Không – thời gian” và từ không
gian, thời gian với khối lượng đến “ Không – thời gian cong”.
Từ thời gian, không gian đến “ Không – thời
gian”:
Đến đây, không gian và thời gian càng liên hệ chặt chẽ hơn
để trở thành một phạm trù “Kép” hay khái niệm kép là “ không gian, thời gian”
không tách rời nhau. Để biểu diễn chúng, Einstein đã xây dựng một hệ toạ độ
riêng gọi là “ nón ánh sáng”.
Y
(b)
O
t
(a)
X
Trong hệ toạ độ không gian thời gian này gồm trục chỉ toạ
độ không gian Ox và Oy ( không gian hai chiều) và trục chỉ thời gian Ot.
Nếu sự kiện hay biến cố xảy ra với vận tốc nhỏ hơn vận tốc
ánh sáng ( âm thanh chẳng hạn) thì quỹ đạo của chúng được định xứ trong nón ánh
sáng(a) còn đối với sự kiện hay biến cố ( nếu như có) xảy ra với vận tốc lớn hơn
vận tố ánh sáng? thì sẽ được định xứ trong phần nằm ngoài nón ánh sáng ( phần
b).
Trong thuyết tương đối hẹp, mọi vật chất có khối lượng đều
chuyển động với vận tốc không thể vượt qua vận tốc của ánh sáng. cho nên quỹ đạo
của chúng đều nằm trong nón ánh sáng mà thôi. Trong phạm vi này, không gian thời
gian có mối quan hệ chặt chẽ với nhau, có nghĩa là không gian và thời gian đã
“xích” gần lại với nhau khi cùng có quan hệ khăn khít với vận tốc, chúng không
còn là hai cái “ trống rỗng” không liên hệ với cái gì và không bị bất cứ cái gì
ảnh hưởng.
Từ không gian thời gian với khối lượng đến “không
– thời gian cong:
Đến đây, thuyết tương đối rộng ( tổng quát) quan tâm đến
trường hấp dẫn giữa các đối tượng vật chất, nhất là những đối tượng vật chất có
khối lượng lớn, còn gọi là thuyết tương đối rộng là thuyết hấp dẫn Einstein.
Theo định luật vạn vật hấp dẫn thì các vật hấp dẫn nhau
bởi một lực:
F = G .
Trong đó:
G: là hằng số hấp dẫn.
r: là khoảng cách giữa hai vật.
m1
m2
: là khối lượng của hai vật hấp dẫn nhau.
Khi r giảm đến 0 ( r ( 0) thì luật hấp dẫn sẽ lớn đến vô
cùng. Lực hấp dẫn này tác dụng tức thời. Điều này có nghĩa là trường hấp dẫn (
cũng là một dạng của vật chất) có thể truyền một cách tức thời với vận tốc vô
cùng!.
Đây là điều trái ngược với một trong những khẳng định của
lý thuyết tương đối hẹp ( là không một dạng vật chất nào có thể chuyển động
nhanh hơn vận tốc ánh sáng).
Trong khi đó, theo thuyết tương đối rộng ( tổng quát) thì
lực hấp dẫn và lực quán tính đều có chung một tác dụng như nhau và được biểu
hiện qua độ cong của không gian thời gian: Nó thể hiện một đặc tính của không
gian thời gian: không gian, thời gian cong lại bởi quán tính của vật chất. Độ
cong này ( tứclà độ lệch khỏi không gian Euclide) phụ thuộc vào khối lượng và
khoảng cách đến vật.
Theo thuyết tương đối rộng có thể rút ra hệ quả: Lực hấp
dẫn của một vật có khối lượng M lên một vật khác tăng đến vô cực (không phải khi
khoảng cách r ( 0) mà là khi r ( Rg thì:
Rg =
Trong đó:
Rg: được gọi là bán kính hấp dẫn của vật có khối lượng M.
G: là hằng số hấp dẫn.
C: vận tố ánh sáng.
Vì thế, quanh một Thiên thể ( Sao, Siêu Sao…) có khối
lượng lớn thì: Không chỉ có sự biến đổi lớn của đặc tính không gian mà còn ảnh
hưởng ngay cả đến nhiệt độ của thời gian.
Giả sử (t là khoảng thời gian giữa hai biến cố ( ở đây
được gọi là thời gian riêng) xảy ra trên một thiên thể có khối lượng M và bán
kính r và (t’ là khoảng thời gian cũng giữa hai biến cố đó ( ở đây được gọi là
thời gian toạ độ) nhưng được ghi nhận bởi người quan sát ở ngoài thiên thể đó,
thì : {15,161}
rt’ = rt
= rt
1-
1-
Từ đó chúng ta thấy rằng: Nếu r >> Rg thì (t’ = (t.
Nếu r ( Rg thì (t ( , tức là khi Thiên thể co rút đến gần
bán kính hấp dẫn Rg của nó thì thời gian thay đổi sẽ trở nên vô cùng lớn, có
nghĩa là thời gian kéo dài ra, trôi chậm lại. Điều này nói lên một tínhchất vậy
lý là: ở gần những nơi tập trung khối lượng ( như Mặt trời, các sao Notron, các
Lỗ đen..v..v..) thì thời gian sẽ giãn ra, trôi chậm. Thời gian cũng phụ thuộc
vào khối lượng.
Hay nói một cách tổng quát: không gian thời gian bị cong
và chậm lại khi gần các vật thể có khối lượng lớn. Mức độ cong phụ thuộc qui mô
vật chất và khoảng cách đến chúng.
Các Thiên thể trong vũ trụ làm cho không gian thời gian
quanh chúng cong lại, các Sao, các Hành tinh chuyển động theo thớ không gian
thời gian cong này, mà ta gọi là trường hấp dẫn. Người ta đã xác định độ cong
của các tia sáng khi đi qua mặt trời. Tuy rằng góc lệch tương đối nhỏ chỉ bằng
1,76s như hình vẽ dưới đây:
Trường hấp dẫn
Điều này phụ thuộc với tiên đoán của thuyết tương đối rộng
của Einstein: có nghĩa là không gian thời gian có mối quan hệ gắn bó với nhau.
Chúng phụ thuộc vào khối lượng vật chất tồn tại trong không gian thời gian đó.
Khối lượng càng lớn, khoảng cách đến các khối vật chất đó càng gần thì ảnh hưởng
của vật chất đó lên không gian thời gian càng mạnh làm cho không gian cong và
thời gian kéo dài ra, trôi chậm lại.
Hoàn toàn khác với quan niệm không gian tuyệt đối và thời
gian tuyệt đối, không làm ảnh hưởng đến cái gì và cũng không bị cái gì làm ảnh
hưởng theo quan niệm của cơ học cổ điển. Không gian thời gian trong cơ học hiện
đại ( theo thuyết tương đối) mang tính chất tương đối phụ thuộc sâu sắc vào vật
chất, cũng như phụ thuộc vào vận động. Hay nói cách khác: không gian, thời gian
là những hình thức tồn tại của vật chất. Không có không gian và thời gian bên
ngoài vật chất vận động. Như LêNin đã nói: “Thế giới không có gì ngoài vật chất đang vận động và vật chất đang vận
động không thể vận động ở đâu ngoài không gian và thời gian”.
{ 16, XVIII, 209}
Để cho dễ hiểu, thuyết tương đối rộng đã được thử nghiệm
thành công trong năm trường hợp sau đây:
- Ánh sáng từ một Sao tới Mặt đất bị Mặt trời làm cho lệch đi một gốc
bằng 1”75. các nhà Thiên văn ( Eddington, 1919) đã thử nghiệm khi có nhật
thực toàn phần ở Châu Phi và đã thấy 1”75.
- Tịnh tiến cận điểm Quỹ đạo Thuỷ tinh; Quỹ đạo sao Thuỷ, thay vì cố
định như Quỹ đạo của các Hành tinh khác, lại quay quanh Mặt trời. Cận điểm
tiến lên 574” ( 3600’ = 1 góc hay
cung ) trong một thế kỷ.
Vật lý cổ điển cho rằng tác động các hành tinh khác làm cho cận điểm rời đi
532”, còn lại 42” thì Le Verrier ( 1846) đoán rằng có một hành tinh mới gần
Mặt trời hơn, đặt tên là Vulcain! Năm 1919, Einstein cho rằng tịnh tiến của
sao Thuỷ là tại sự biến dạng cuả vũ trụ quanh mặt trời mà Thuỷ tinh ở trong
vùng đó nên sau tính toán công phu Einstein thấy độ di chuyển là 577”. Nghĩa
là chỉ vượt số thực nghiệm là 3”. Năm 1982, Giáo sư Hill, Giáo sư Goode cho
biết lố 3” là tại Einstein cho rằng Mặt trời hoàn toàn hình cầu. Sự thật,
Mặt trời dẹt ở hai cực và phình ra ở Xích đạo. Điều chỉnh như vậy thì tính
toán cho thâý đúng 574”.
- Các vạch Quang phổ mặt trời di chuyển về phía đỏ: trên một đĩa quay
đặt một đồng hồ ở tâm và một cái nữa giống hệt ở mép. Đồng hồ thứ hai này
chậm so với đồng hồ thứ nhất kia, nếu có một đồng hồ ở trái đất và một cái
giống hệt ở Mặt trời (!)cái này chậm so với cái kia. Tần số giảm, độ dài
sóng tăng, các vạch di chuyển về phía đỏ.
- Hiệu ứng Mossbauer (1960) đo trên mặt đất độ chậm của thời gian: một
nguồn bức xạ Gama có thể phát ra những vạch cực kỳ hẹp ( một độ dài sáng duy
nhất); nếu nâng nó lên cao 20m có thể dò và đo độ di chuyển về phía độ dài
sóng lớn.
- Ngay năm 1916, Einstein đã khẳng định thiên thể A không thể hút thiên
thể B một cách tức thời như Newton. Để cho hiểu sự hút phải truyền theo sóng
( hấp dẫn) với vận tốc giới nội V nhỏ hơn hay bằng C. đó là sóng hấp dẫn.