VŨ TRỤ TRONG MỘT VỎ HẠT - stephen william hawking phần 1

LINK DOWNLOAD MIỄN PHÍ TÀI LIỆU "VŨ TRỤ TRONG MỘT VỎ HẠT - stephen william hawking phần 1": http://123doc.vn/document/558992-vu-tru-trong-mot-vo-hat-stephen-william-hawking-phan-1.htm

L
Ư
ợ
C
S ử
V
ề T
H U Y
ế
T
T
Ư Ơ N G
Đ ố
I
Trang 5
Người dịch: da_trạch@yahoo.com; http://datrach.blogspot.com
Albert Einstein năm 1920
V
Ũ

T R
ụ
T R O N G

M
ộ
T

V
ỏ
H
ạ
T
Trang 6
Người dịch: da_trạch@yahoo.com; http://datrach.blogspot.com
Vào cuối thế kỷ 19, các ý tưởng trái ngược nhau về sự có mặt của
ê-te bắt đầu xuất hiện. Người ta tin rằng ánh sáng chuyển động với
một tốc độ xác định so với ê-te và nếu bạn chuyển động cùng hướng
với ánh sáng trong ê-te thì bạn sẽ thấy ánh sáng chuyển động chậm
hơn, và nếu bạn chuyển động ngược hướng với ánh sáng thì bạn sẽ
thấy ánh sáng di chuyển nhanh hơn (hình 1.1).
Và một loạt các thí nghiệm để chứng minh điều đó đã thất bại.
Albert Michelson và Edward Morley của trường khoa học ứng dụng
ở Cleveland, bang Ohio đã thực hiện các thí nghiệm cẩn thận và
chính xác nhất vào năm 1887. Họ so sánh tốc độ ánh sáng của hai
chùm sáng vuông góc với nhau. Vì trái đất tự quay quanh mình và
quay quanh m
ặt trời nên dụng cụ thí nghiệm sẽ di chuyển trong ê-te
với tốc độ và hướng thay đổi. Nhưng Michelson và Morley cho thấy
rằng không có sự khác biệt giữa hai chùm sáng đó. Hình như là ánh
sáng truyền với tốc độ như nhau đối với người quan sát, không phụ
thuộc vào tốc độ và hướng của người chuyển động (hình 1.3).
Dựa trên thí nghiệm Michelson-Morley, một nhà vật lý người Ai-len
tên là George Fitzgerald và nhà vật lý người Hà Lan tên là Hendrik
Lorentz gi
ả thiết rằng các vật thể chuyển động trong ê-te sẽ co lại
và thời gian sẽ bị chậm đi. Sự co và sự chậm lại của đồng hồ làm
cho t
ất cả mọi người sẽ đo được một tốc độ ánh sáng như nhau
không phụ thuộc vào việc họ chuyển động như thế nào đối với ê-
te (George Fitzgerald và Hendrik Lorentz vẫn coi ê-te là một loại
vật chất có thực). Tuy vậy, năm 1905, Einstein đã viết một bài báo
chỉ ra rằng nếu người ta không thể biết được người ta chuyển động
(Hình 1.1, phía trên)
LÝ THUYẾT Ê-TE CỐ ĐỊNH
Nếu ánh sáng là sóng trong một
loại vật chất đàn hồi được gọi
là ê-te thì vận tốc của ánh sáng
đối với người ở trên tàu vũ trụ
chuyển động ngược hướng ánh
sáng (a) sẽ nhanh hơn vận tốc
của ánh sáng đối với người trong
con tàu chuyển động cùng hướng
với ánh sáng (b).
(Hình 1.2, trang kế)
Người ta không thấy sự khác
biệt về vận tốc ánh sáng theo các
hướng trong mặt phẳng quỹ đạo
của trái đất và hướng vuông góc
với mặt phẳng quỹ đạo đó.
Ánh sáng chuyển động trong ê-te
L
Ư
ợ
C
S ử
V
ề T
H U Y
ế
T
T
Ư Ơ N G
Đ ố
I
Trang 7
Người dịch: da_trạch@yahoo.com; http://datrach.blogspot.com
Trái đất quay từ tây sang đông Ánh sáng vuông góc với quĩ
đạo của trái đất quanh mặt trời
Các tia sáng vuông góc với
nhau và đi theo chiều quay của
trái đất cũng không thể hiện sự
khác nhau về vận tốc
V
Ũ

T R
ụ
T R O N G

M
ộ
T

V
ỏ
H
ạ
T
Trang 8
Người dịch: da_trạch@yahoo.com; http://datrach.blogspot.com
(HÌNH 1.3) ĐO VẬN TỐC ÁNH SÁNG
Trong giao thoa kế Michenson-Morley, ánh
sáng từ nguồn sáng được tách thành hai chùm
bằng một gương bán mạ. Hai chùm sáng đi
theo hai hướng vuông góc với nhau sau đó
lại kết hợp thành một chùm sáng sau khi đập
vào gương bán mạ một lần nữa. Sự sai khác
về tốc độ ánh sáng của hai chùm sáng đi theo
hai hướng có thể làm cho các đỉnh sóng của
chùm sáng này trùng với đáy sóng của chùm
sáng kia và chúng triệt tiêu nhau.
Hình phải
: sơ đồ thí nghiệm được vẽ lại từ sơ
đồ được in trên tạp chí
Scientific American
năm 1887.
L
Ư
ợ
C
S ử
V
ề T
H U Y
ế
T
T
Ư Ơ N G
Đ ố
I
Trang 9
Người dịch: da_trạch@yahoo.com; http://datrach.blogspot.com
trong không gian hay không thì khái niệm ê-te không còn cần thiết
nữa. Thay vào đó, ông bắt đầu bằng một giả thuyết rằng các định
luật khoa học xuất hiện như nhau đối với tất cả những người quan
sát chuyển động tự do. Đặc biệt là họ sẽ đo được tốc độ ánh sánh
như nhau không phụ thuộc vào tốc độ chuyển động của họ. Tốc độ
của ánh sáng độc lập với chuyển động của người quan sát và như
nhau theo tất cả các hướng.
Ý tưởng này đòi hỏi phải từ bỏ ý nghĩ cho rằng tồn tại một đại lượng
phổ quát được gọi là thời gian có thể đo được bằng tất cả các đồng
hồ. Thay vào đó, mỗi người có một thời gian riêng của họ. Thời
gian của hai người sẽ giống nhau nếu hai người đó đứng yên tương
đối với nhau, nhưng thời gian sẽ khác nhau nếu hai người đó chuyển
động tương đối với nhau.
Giả thuyết này được khẳng định bằng rất nhiều thí nghiệm, trong
đó có một thí nghiệm gồm hai đồng hồ chính xác bay theo hướng
ngược nhau vòng quanh trái đất và quay lại cho thấy thời gian có sai
lệch chút ít. Giả thuyết gợi ý rằng nếu ai đó muốn sống lâu hơn thì
người đó nên bay về hướng đông vì như thế thì tốc độ của trái đất
sẽ bổ sung vào tốc độ của máy bay. Tuy vậy, các bữa ăn trên máy
bay sẽ rút ngắn cuộc sống của bạn gấp nhiều lần một phần nhỏ của
giây mà bạn có được.
Bay từ tây sang đông
Bay từ đông sang tây
(Hình 1.4)
Một phiên bản về nghịch lý anh
em sinh đôi (hình 1.5) đã được
kiểm tra bằng thực nghiệm từ
hai chiếc đồng hồ chính xác bay
ngược chiều nhau vòng quanh
trái đất.
Khi chúng gặp nhau thì đồng hồ
bay về hướng đông đã ghi lại
thời gian ngắn hơn chút ít.
Đồng hồ trên phi cơ bay
về hướng tây ghi nhận một
khoảng thời gian lâu hơn
người anh sinh đôi của nó
bay về hướng ngược lại
Thời gian của các hành khách
trên phi cơ bay về hướng
đông sẽ ngắn hơn thời gian
của những hành khách trên
phi cơ bay về hướng tây
V
Ũ

T R
ụ
T R O N G

M
ộ
T

V
ỏ
H
ạ
T
Trang 10
Người dịch: da_trạch@yahoo.com; http://datrach.blogspot.com
L
Ư
ợ
C
S ử
V
ề T
H U Y
ế
T
T
Ư Ơ N G
Đ ố
I
Trang 11
Người dịch: da_trạch@yahoo.com; http://datrach.blogspot.com
Giả thuyết của Einstein cho rằng các định luật khoa học xuất hiện
như nhau đối với tất cả các người quan sát chuyển động tự do là cơ
sở của thuyết tương đối. Gọi như vậy vì nó ngụ ý rằng chỉ có chuyển
động tương đối là quan trọng. Vẻ đẹp và sự đơn giản của giả thuyết
này đã thuyết phục rất nhiều các nhà tư tưởng, tuy nhiên, vẫn có rất
nhiều các ý kiến trái ngược. Einstein đã vứt bỏ hai khái niệm tuyệt
đối của khoa học thế kỷ 19: đứng yên tuyệt đối – đại diện là ê-te và
thời gian tuyệt đối và phổ quát mà tất cả các đồng hồ đo được. Rất
nhiều người thấy rằng đây là một khái niệm không bình thường. Họ
hỏi, giả thuyết ngụ ý rằng tất cả mọi thứ đều tương đối, rằng không
có một tiêu chuẩn đạo đức tuyệt đối? Sự bứt rứt này tiếp diễn trong
suốt những năm 20 và 30 của thế kỷ 20. Khi Einstein được trao giải
Nobel vào năm 1921 về một công trình kém quan trọng hơn cũng
được ông cho ra đời vào năm 1905. Lúc đó, thuyết tương đối không
được nhắc đến vì nó vẫn còn gây nhiều tranh cãi (đến bây giờ tôi
vẫn nhận được vài ba bức thư hàng tuần nói rằng Einstein đã sai).
Tuy vậy, hiện nay, các nhà vật lý hoàn toàn chấp nhận thuyết tương
đối, và các tiên đoán của nó đã được kiểm chứng trong vô vàn ứng
dụng.
(Hình 1.7)
(Hình 1.5, trang trước)
NGHỊCH LÝ ANH EM SINH
ĐÔI
Trong thuyết tương đối, mỗi
người quan sát sẽ đo thời gian
khác nhau. Điều này có thể dẫn
đến nghịch lý anh em sinh đôi
(twin paradox).
Một người trong cặp anh em sinh
đôi (a) trong một phi thuyền thám
hiểm không gian chuyển động
với vận tốc gần bằng vận tốc ánh
sáng (c) trong khi người anh em
của anh ta (b) vẫn trên mặt đất.
Vì thời gian của (a) trong phi
thuyền chậm hơn thời gian của
(b) trên trái đất. Nên khi người
(a) trở về (a2) anh ta sẽ thấy
người anh em của anh ta trên trái
đất (b2) già hơn anh ta.
Mặc dù nó có vẻ chống lại cảm
nhận chung của chúng ta, rất
nhiều thí nghiệm chứng minh
rằng trong kịch bản này, người
du hành vũ trụ sẽ trẻ hơn người
còn lại.
(Hình 1.6, hình bên)
Một phi thuyền đi ngang qua trái
đất từ trái sang phải với vận tốc
bằng bốn phần năm vận tốc ánh
sáng. Một xung ánh sáng phát ra
từ cabin và phản xạ lại ở đầu kia
(a).
Người trên trái đất nhìn ánh sáng
trên phi thuyền. Vì phi thuyền
chuyển động nên hai ngưới sẽ
quan sát khoảng cách mà ánh
sáng đã đi được khi phản xạ lại
không bằng nhau(b).
Và với họ thời gian mà ánh sáng
dùng để truyền cũng không bằng
nhau, vì theo giả thuyết của Ein-
stein, tốc độ ánh sáng là như nhau
đối với tất cả các người quan sát
chuyển động tự do.
V
Ũ

T R
ụ
T R O N G

M
ộ
T

V
ỏ
H
ạ
T
Trang 12
Người dịch: da_trạch@yahoo.com; http://datrach.blogspot.com
Một hệ quả quan trọng của thuyết tương đối là hệ thức giữa khối
lượng và năng lượng. Giả thiết của Einstein về tốc độ của ánh sáng
là như nhau đối với tất cả các người quan sát ngụ ý rằng không có
gì có thể chuyển động nhanh hơn ánh sáng. Nếu ta dùng năng lượng
để gia tốc một vật nào đó, dù là một hạt hay một tàu vũ trụ, thì khối
lượng của vật đó sẽ gia tăng cùng với tốc độ và do đó sẽ khó có thể
gia tốc thêm được nữa. Ta không thể gia tốc một hạt đến tốc độ ánh
sáng vì ta cần một năng lượng lớn vô cùng để làm điều đó. Khối
lượng và năng lượng là tương đương và điều đó được tổng kết trong
một phương trình nổi tiếng E = mc
2
(hình 1.7). Có lẽ đây là phương
trình vật lý duy nhất mà chúng ta có thể nhìn thấy nó được viết trên
đường phố. Một trong số các hệ quả của phương trình trên là hạt
nhân của nguyên tử Uranium phân rã thành 2 hạt nhân nhỏ hơn có
tổng khối lượng nhỏ hơn khối lượng của hạt nhân ban đầu, việc này
sẽ giải tỏa một năng lượng vô cùng lớn (hình 1.8).
Vào năm 1939, khi mà khả năng một cuộc chiến tranh thế giới nữa
đang lờ mờ xuất hiện, một nhóm các nhà khoa học đã nhận ra tầm
L
Ư
ợ
C
S ử
V
ề T
H U Y
ế
T
T
Ư Ơ N G
Đ ố
I
Trang 13
Người dịch: da_trạch@yahoo.com; http://datrach.blogspot.com
quan trọng và đã thuyết phục Einstein vượt qua sự lưỡng lự của bản
thân để điền tên của ông vào một bức thư gửi Tổng thống Roosevelt
nhằm thúc giục Hoa Kỳ khởi động chương trình nghiên cứu hạt
nhân.
Vi
ệc này dẫn đến dự án Manhattan và kết quả của nó là 2 quả bom
nguyên tử được ném xuống Hiroshima và Nagasaki vào năm 1945.
Một số người đã đổ tội cho Einstein về bom nguyên tử bởi vì ông
đã khám phá ra mối liên hệ giữa khối lượng và năng lượng; nhưng
điều này giống như là đổ tội cho Newton đã gây ra các vụ tai nạn
máy bay vì đã phát hiện ra định luật hấp dẫn.
Sau c
ác bài báo gây chấn động vào năm 1905, Einstein trở lên nổi
tiến trên thế giới. Nhưng đến tận năm 1909 ông mới được mời vào
làm việc tại trường đại học Zurich và do đó, ông có thể từ bỏ công
việc ở văn phòng sáng chế Thụy Sỹ. Hai năm sau, ông chuyển sang
đại học Đức ở Prague, nhưng ông quay trở lại Zurich vào năm 1912,
nhưng lần này ông về trường Bách khoa liên bang. Mặc dù chủ
Bức thư tiên đoán
của Einstein gửi
tổng thống Roos-
evelt năm 1939
“Trong thời gian
bốn tháng qua,
thông qua các công
trình của Joliot
ở Pháp cũng như
Fermi và Szilard ở
Hoa Kỳ, chúng ta
có thể xây dựng
một phản ứng hạt
nhân với một khối
lượng lớn Urani-
um, nhờ đó mà sinh
ra một nguồn năng
lượng lớn. Bây
giờ, chúng ta có
thể làm điều này
trong một tương
lai gần.
Mặc dù chưa chắc
chắn, nhưng hiện
tượng mới này có
khả năng dẫn đến
việc tạo ra các
quả bom có sức
công phá cực lớn.”
V
Ũ

T R
ụ
T R O N G

M
ộ
T

V
ỏ
H
ạ
T
Trang 14
Người dịch: da_trạch@yahoo.com; http://datrach.blogspot.com
nghĩa bài Do thái (anti-semitism) đang phổ biến ở châu Âu, ngay
cả ở trong các trường đại học, nhưng ông vẫn là một tài sản quý
của trường đại học. Có nhiều đề nghị làm việc đến từ Vienna và
Utrecht, nhưng ông đã chấp nhận một vị trí ở Viện hàn lâm khoa
học Prussian ở Berlin vì ở đó ông không phải đảm nhiệm công việc
giảng dạy. Ông chuyển đến Berlin vào tháng 4 năm 1914 và sau
đó ít l
âu vợ và hai con của ông cũng chuyển đến đó với ông. Cuộc
hôn nhân của ông gặp nhiều sóng gió, do vậy, vợ và các con ông
nhanh chóng trở lại Zurich. Mặc dầu thỉnh thoảng ông vẫn trở lại
thăm họ nhưng cuối cùng cuộc hôn nhân của họ cũng tan vỡ. Sau
đó Einstein lấy một người em họ tên là Elsa sống ở Berlin. Trong
những năm chiến tranh ông đã sống độc thân và không có ràng buộc
về gia đình, có lẽ chính vì thế đây là thời kỳ thăng hoa nhất của ông
về mặt khoa học.
Mặc dầu thuyết tương đối rất phù hợp với các định luật điện và từ
nhưng nó lại không tương hợp với định luật hấp dẫn của Newton.
Định luật của Newton nói rằng nếu một lượng vật chất trong một
vùng của không gian bị thay đổi thì trường hấp dẫn mà nó tạo ra
trong to
àn vũ trụ cũng thay đổi ngay lập tức. Điều này có nghĩa là
người ta có thể gửi các tín hiệu nhanh hơn ánh sáng (mâu thuẫn với
thuyết tương đối); để hiểu tức thời có nghĩa là gì, người ta lại cần
đến khái niệm thời gian tuyệt đối và phổ quát, chính điều này lại
loại bỏ thời gian cá nhân.
Uranium (U-235)
Neutron (n) bắn phá hạt nhân
Uranium (U-236)
(U-235) Hạt nhân
tổ hợp dao động
và bất ổn định
(Ba-144) Hạt nhân
tổ hợp dao động và
bất ổn định
Tia gamma
(n)
(Hình 1.8)
NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT
HẠT NHÂN
Hạt nhân được tạo thành từ
proton và neutron liên kết với
nhau nhờ lực hạt nhân mạnh.
Nhưng khối lượng của hạt
nhân luôn nhỏ hơn tổng khối
lượng của các proton và neu
-
tron riêng lẻ tạo nên chúng. Sự
khác nhau chính là một phép đo
năng lượng liên kết hạt nhân
mà giữ hạt nhân lại với nhau.
Năng lượng liên kết này có thể
được tính từ hệ thức Einstein:
năng lượng liên kết hạt nhân =
∆mc
2
trong đó ∆m là sự khác
nhau giữa khối lượng hạt nhân
và tổng các thành phần.
Nó giải thoát một lượng năng
lượng đủ để tạo nên một sức
công phá khổng lồ.
(n)