Thuyết tương đối hẹp có gì đặc biệt? các công thức của thuyết tương đối hẹp?

Thuyết tương đối hẹp (Special Relativity – do Albert Einstein công bố năm 1905) là một trong những cuộc cách mạng lớn nhất trong vật lý hiện đại. Nó thay đổi căn bản cách con người hiểu về không gian, thời gian và chuyển động.

1. Điểm đặc biệt của thuyết tương đối hẹp

Hai tiên đề cơ bản:
1. Các định luật vật lý đều giống nhau trong mọi hệ quy chiếu quán tính (hệ chuyển động thẳng đều).
2. Tốc độ ánh sáng trong chân không là không đổi (≈ 299.792.458 m/s), không phụ thuộc vào chuyển động của nguồn sáng hay người quan sát.
Điểm đặc biệt so với cơ học Newton:
- Thời gian và không gian không còn tuyệt đối, mà phụ thuộc vào vận tốc của người quan sát.
- Khái niệm “đồng thời” không còn mang tính tuyệt đối.
- Khối lượng, năng lượng và động lượng liên hệ chặt chẽ qua công thức nổi tiếng $E=mc^2$
Ứng dụng:
- GPS hoạt động chính xác nhờ hiệu chỉnh cả thuyết tương đối hẹp (tốc độ vệ tinh cao) và thuyết tương đối rộng (trường hấp dẫn).
- Các máy gia tốc hạt, vật lý hạt nhân, công nghệ năng lượng, thiên văn học.

2. Các công thức quan trọng của thuyết tương đối hẹp

(1) Hệ số Lorentz

trong đó $v$ là vận tốc của vật, $c$ là tốc độ ánh sáng.

(2) Giãn thời gian (Time dilation)

Một đồng hồ chuyển động với vận tốc $v$ sẽ chạy chậm hơn so với đồng hồ đứng yên

(3) Co độ dài (Length contraction)

Chiều dài của vật chuyển động song song với hướng chuyển động bị rút ngắn:

(4) Cộng vận tốc (Velocity addition)

Nếu một vật chuyển động với vận tốc $u^{'}$ trong hệ quy chiếu , mà lại chuyển động với vận tốc $v$ so với hệ $S$ , thì vận tốc $u$ đo được trong $S$

(5) Động lượng tương đối tính

trong đó là khối lượng nghỉ.

(6) Năng lượng

Tổng năng lượng:E=γm0c^2

Năng lượng nghỉ E0=m0c2

Quan hệ năng lượng – động lượng:

👉 Nói ngắn gọn, thuyết tương đối hẹp đặc biệt vì nó xóa bỏ khái niệm tuyệt đối về không gian và thời gian, thay bằng một cấu trúc mới: không-thời gian (space-time), nơi vận tốc ánh sáng là giới hạn cuối cùng của mọi chuyển động.

1. Tại sao thuyết tương đối hẹp ra đời?

Trước năm 1905, khoa học có hai hệ lý thuyết lớn:

Cơ học Newton (1687): Mô tả chuyển động vật thể rất tốt ở vận tốc nhỏ hơn nhiều so với $c$ .
Điện từ học Maxwell (1865): Tập hợp các phương trình mô tả ánh sáng là sóng điện từ, truyền trong chân không với vận tốc không đổi $c$ .

👉 Vấn đề:

Cơ học Newton dựa trên khái niệm không gian và thời gian tuyệt đối, vận tốc có thể cộng theo quy tắc đơn giản
Nhưng theo Maxwell, tốc độ ánh sáng phải giống nhau với mọi quan sát viên, điều này mâu thuẫn với công thức cộng vận tốc của Newton.

Ví dụ: Nếu bạn ngồi trên tàu bắn tia sáng ra phía trước, theo Newton thì người đứng yên bên ngoài phải thấy tốc độ ánh sáng là . Nhưng thực tế (và thí nghiệm Michelson – Morley năm 1887) cho thấy họ vẫn đo được đúng $c$ , không phụ thuộc vận tốc của tàu.

👉 Einstein (1905) giải quyết mâu thuẫn này bằng cách đề xuất hai tiên đề:

Các định luật vật lý là như nhau trong mọi hệ quy chiếu quán tính.
Tốc độ ánh sáng trong chân không là hằng số, không phụ thuộc vào nguồn sáng hay người quan sát.

Từ đó, ông xây dựng thuyết tương đối hẹp, thay đổi cách hiểu về không gian – thời gian – chuyển động.

2. Thuyết tương đối hẹp có phủ định định luật Newton không?

Không phủ định, mà mở rộng.

👉 Như vậy:

Newton đúng trong “thế giới thường ngày” (tốc độ thấp, trọng lực yếu).
Einstein đúng trong phạm vi rộng hơn (vận tốc gần $c$ , năng lượng rất lớn, hay quan sát vũ trụ).

Có thể hình dung: cơ học Newton là trường hợp đặc biệt của cơ học Einstein khi tốc độ nhỏ so với ánh sáng.

Thuyết tương đối hẹp có gì đặc biệt? các công thức của thuyết tương đối hẹp?