Những ý tưởng của Einstein đã định hình cách chúng ta nhìn và tương tác với vũ trụ.
Albert Einstein (1879-1955) là một trong những nhà khoa học nổi tiếng nhất mọi thời đại, và tên của ông gần như đồng nghĩa với từ “thiên tài”. Mặc dù danh tiếng của anh ấy có phần nào đó nhờ vẻ ngoài lập dị và những bài phát biểu không thường xuyên về triết học, chính trị thế giới và các chủ đề phi khoa học khác, nhưng việc anh ấy nổi tiếng thực sự đến từ những đóng góp của anh ấy cho vật lý hiện đại, thứ đã thay đổi toàn bộ nhận thức của chúng ta về vũ trụ và giúp hình thành thế giới chúng ta đang sống ngày nay.
Dưới đây là một số khái niệm thay đổi thế giới mà chúng ta mang ơn Einstein.
Không-thời gian
Một trong những thành tựu sớm nhất của Einstein, ở tuổi 26, là thuyết tương đối hẹp của ông – được gọi như vậy vì nó đề cập đến chuyển động tương đối trong trường hợp đặc biệt khi lực hấp dẫn bị bỏ qua. Điều này nghe có vẻ vô thưởng vô phạt, nhưng đó là một trong những cuộc cách mạng khoa học vĩ đại nhất trong lịch sử, thay đổi hoàn toàn cách các nhà vật lý suy nghĩ về không gian và thời gian. Trên thực tế, Einstein đã hợp nhất chúng thành một khái niệm liên tục không-thời gian. Một lý do khiến chúng ta nghĩ về không gian và thời gian là hoàn toàn tách biệt là bởi vì chúng ta đo chúng bằng các đơn vị khác nhau, chẳng hạn như dặm và giây, tương ứng. Nhưng Einstein đã chỉ ra cách chúng thực sự có thể hoán đổi cho nhau, liên kết với nhau thông qua tốc độ ánh sáng – xấp xỉ 186.000 dặm / giây (300.000 km / giây).
Có lẽ hệ quả nổi tiếng nhất của thuyết tương đối hẹp là không gì có thể truyền đi nhanh hơn ánh sáng. Nhưng nó cũng có nghĩa là mọi thứ bắt đầu hoạt động rất kỳ lạ khi tốc độ ánh sáng được tiếp cận. Nếu bạn có thể nhìn thấy một con tàu vũ trụ đang di chuyển với tốc độ 80% tốc độ ánh sáng, nó sẽ trông ngắn hơn 40% so với khi nó xuất hiện ở trạng thái nghỉ. Và nếu bạn có thể nhìn thấy bên trong, mọi thứ dường như sẽ chuyển động chậm, với đồng hồ mất 100 giây để đánh dấu một phút, theo trang web HyperPhysics của Đại học Georgia State. Điều này có nghĩa là phi hành đoàn của tàu vũ trụ thực sự sẽ già đi càng chậm khi họ đang di chuyển nhanh hơn.
E = mc ^ 2
Một nhánh ngoài bất ngờ của thuyết tương đối hẹp là phương trình nổi tiếng E = mc ^ 2 của Einstein, đây có thể là công thức toán học duy nhất đạt đến trạng thái biểu tượng văn hóa. Phương trình biểu thị sự tương đương của khối lượng (m) và năng lượng (E), hai thông số vật lý trước đây được cho là hoàn toàn tách biệt. Trong vật lý truyền thống, khối lượng đo lượng vật chất chứa trong một vật thể, trong khi năng lượng là một đặc tính mà vật thể có được nhờ chuyển động của nó và các lực tác động lên nó. Ngoài ra, năng lượng có thể tồn tại trong điều kiện hoàn toàn không có vật chất, ví dụ như trong ánh sáng hoặc sóng vô tuyến. Tuy nhiên, phương trình của Einstein nói rằng khối lượng và năng lượng về cơ bản là như nhau, miễn là bạn nhân khối lượng với c ^ 2 – bình phương của tốc độ ánh sáng, là một con số rất lớn – để đảm bảo rằng nó kết thúc bằng một đơn vị là năng lượng.
Điều này có nghĩa là một vật thể tăng khối lượng khi nó di chuyển nhanh hơn, đơn giản là vì nó đang tăng năng lượng. Điều đó cũng có nghĩa là ngay cả một vật thể trơ, đứng yên cũng có một lượng năng lượng khổng lồ bị nhốt bên trong nó. Ngoài là một ý tưởng tuyệt vời, khái niệm này còn có những ứng dụng thực tế trong thế giới vật lý hạt năng lượng cao. Theo Hội đồng Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu ( CERN ), nếu các hạt đủ năng lượng bị đập vào nhau, năng lượng của vụ va chạm có thể tạo ra vật chất mới dưới dạng các hạt bổ sung.
Laser
Laser là một thành phần thiết yếu của công nghệ hiện đại và được sử dụng trong mọi thứ, từ máy đọc mã vạch và con trỏ laser đến ảnh ba chiều và truyền thông cáp quang. Mặc dù laser không thường được liên kết với Einstein, nhưng cuối cùng công trình nghiên cứu của ông đã biến chúng thành hiện thực. Từ laser, được đặt ra vào năm 1959, là viết tắt của “sự khuếch đại ánh sáng bằng cách phát xạ kích thích” – và phát xạ kích thích là một khái niệm mà Einstein đã phát triển hơn 40 năm trước đó, theo Hiệp hội Vật lý Hoa Kỳ. Vào năm 1917, Einstein đã viết một bài báo về lý thuyết lượng tử của bức xạ, trong số những thứ khác, mô tả cách một photon ánh sáng truyền qua một chất có thể kích thích sự phát xạ thêm photon.
Einstein nhận ra rằng các photon mới di chuyển theo cùng một hướng, cùng tần số và cùng pha với photon ban đầu. Điều này dẫn đến hiệu ứng thác khi ngày càng có nhiều photon gần như giống hệt nhau được tạo ra. Là một nhà lý thuyết, Einstein không đưa ra ý tưởng nào xa hơn, trong khi các nhà khoa học khác lại chậm chạp trong việc nhận ra tiềm năng thực tế to lớn của phát xạ kích thích. Nhưng cuối cùng thì thế giới cũng đã đến nơi và ngày nay người ta vẫn đang tìm ra những ứng dụng mới cho tia laser, từ vũ khí chống máy bay không người lái đến máy tính siêu nhanh.
Hố đen và hố sâu
Thuyết tương đối hẹp của Einstein đã chỉ ra rằng không-thời gian có thể làm một số điều khá kỳ lạ ngay cả khi không có trường hấp dẫn. Nhưng đó chỉ là phần nổi của tảng băng chìm, như Einstein đã phát hiện ra khi cuối cùng ông đã thành công trong việc thêm lực hấp dẫn vào hỗn hợp, trong thuyết tương đối rộng của mình. Ông phát hiện ra rằng các vật thể khổng lồ như hành tinh và các ngôi sao thực sự làm sai lệch cấu trúc của không-thời gian, và chính sự biến dạng này tạo ra các hiệu ứng mà chúng ta nhận thấy là lực hấp dẫn.
Einstein giải thích thuyết tương đối rộng thông qua một tập hợp các phương trình phức tạp, có rất nhiều ứng dụng. Có lẽ giải pháp nổi tiếng nhất cho các phương trình của Einstein đến từ giải pháp của Karl Schwarzschild vào năm 1916 – một lỗ đen. Thậm chí kỳ lạ hơn là một giải pháp mà chính Einstein đã phát triển vào năm 1935 với sự cộng tác của Nathan Rosen, mô tả khả năng xảy ra các đường tắt từ một điểm trong không-thời gian đến một điểm khác. Ban đầu được gọi là cầu Einstein-Rosen, giờ đây chúng được biết đến với tất cả những người hâm mộ khoa học viễn tưởng với cái tên quen thuộc hơn là hố sâu.
Vũ trụ đang giãn nở
Một trong những điều đầu tiên Einstein làm với các phương trình thuyết tương đối rộng của mình, vào năm 1915, là áp dụng chúng vào vũ trụ nói chung. Nhưng câu trả lời được đưa ra có vẻ sai đối với anh ta. Nó ngụ ý rằng bản thân cấu trúc không gian đang ở trong trạng thái giãn nở liên tục, kéo các thiên hà theo nó để khoảng cách giữa chúng không ngừng tăng lên. Lẽ thường nói với Einstein rằng điều này không thể đúng, vì vậy ông đã thêm một thứ gọi là hằng số vũ trụ vào các phương trình của mình để tạo ra một vũ trụ tĩnh, hoạt động tốt.
Nhưng vào năm 1929, các quan sát của Edwin Hubble về các thiên hà khác cho thấy vũ trụ thực sự đang giãn nở, dường như chỉ theo cách mà các phương trình ban đầu của Einstein đã dự đoán. Nó trông giống như dấu chấm hết cho hằng số vũ trụ, mà Einstein sau này mô tả là sai lầm lớn nhất của ông. Tuy nhiên, đó không phải là kết thúc của câu chuyện. Dựa trên các phép đo tinh tế hơn về sự giãn nở của vũ trụ, giờ đây chúng ta biết rằng nó đang tăng tốc, thay vì chậm lại như bình thường khi không có hằng số vũ trụ. Vì vậy, có vẻ như “sai lầm” của Einstein rốt cuộc không phải là một lỗi như vậy.
Bom nguyên tử
Einstein đôi khi được ghi nhận với “phát minh” vũ khí hạt nhân thông qua phương trình E = mc ^ 2 của ông, nhưng theo trang web Einstein Online của Viện Vật lý hấp dẫn Max Planck, mối liên hệ giữa hai điều này là tốt nhất. Thành phần quan trọng là vật lý của sự phân hạch hạt nhân, mà Einstein không có liên quan trực tiếp đến. Mặc dù vậy, ông vẫn đóng một vai trò quan trọng trong quá trình phát triển thực tế của những quả bom nguyên tử đầu tiên. Năm 1939, một số đồng nghiệp đã cảnh báo ông về khả năng phân hạch hạt nhân và nỗi kinh hoàng sẽ xảy ra nếu Đức Quốc xã có được những vũ khí như vậy. Cuối cùng, theo Quỹ Di sản Nguyên tử, ông đã bị thuyết phục chuyển những mối quan tâm này trong một bức thư gửi cho tổng thống Hoa Kỳ, Franklin D. Roosevelt. Kết quả cuối cùng của bức thư của Einstein là việc thành lập Dự án Manhattan, dự án tạo ra những quả bom nguyên tử được sử dụng để chống lại Nhật Bản vào cuối Thế chiến II.
Mặc dù nhiều nhà vật lý nổi tiếng đã làm việc trong Dự án Manhattan, nhưng Einstein không nằm trong số đó. Theo Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên Hoa Kỳ (AMNH), ông đã bị từ chối thông quan an ninh cần thiết vì quan điểm chính trị thiên tả của mình. Đối với Einstein, đây không phải là mất mát lớn – mối quan tâm duy nhất của ông là từ chối độc quyền công nghệ cho Đức Quốc xã. Năm 1947, Einstein nói với tạp chí Newsweek, “Nếu tôi biết rằng người Đức sẽ không thành công trong việc phát triển bom nguyên tử, thì tôi đã không bao giờ nhấc một ngón tay”, theo tạp chí Time.
Sóng hấp dẫn
Einstein qua đời vào năm 1955, nhưng di sản khoa học khổng lồ của ông vẫn tiếp tục gây chú ý ngay cả trong thế kỷ 21. Điều này đã xảy ra một cách ngoạn mục vào tháng 2 năm 2016, với việc công bố phát hiện ra sóng hấp dẫn – một hệ quả khác của thuyết tương đối rộng. Sóng hấp dẫn là những gợn sóng nhỏ truyền qua cấu trúc của không-thời gian, và người ta thường tuyên bố thẳng thừng rằng Einstein đã “tiên đoán” về sự tồn tại của chúng. Nhưng thực tế ít rõ ràng hơn thế.
Einstein chưa bao giờ quyết định liệu sóng hấp dẫn có được dự đoán hay loại trừ bởi lý thuyết của ông. Và các nhà thiên văn đã mất hàng thập kỷ tìm kiếm để quyết định vấn đề theo cách này hay cách khác.
Cuối cùng họ đã thành công, sử dụng các cơ sở vật chất khổng lồ như Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế (LIGO) ở Hanford, Washington và Livingston, Louisiana. Cũng như là một thành công khác cho thuyết tương đối rộng của Einstein (mặc dù ông không quá chắc về mình), việc khám phá ra sóng hấp dẫn đã mang đến cho các nhà thiên văn học một công cụ mới để quan sát vũ trụ – bao gồm các sự kiện hiếm gặp như hợp nhất các lỗ đen.
Nguồn:
https://www.livescience.com/ways-einstein-changed-the-world
