Tài sản lớn của Einstein là trí tưởng tượng của ông, được đặc trưng bởi trí tưởng tượng trẻ con, không bị giới hạn bởi các khuôn mẫu do quá trình trưởng thành thực tế áp đặt.
Tốc độ ánh sáng không đổi
Có thể nguồn cảm hứng đầu tiên cho nhà khoa học là chuyến tàu đi đến ga ở Zurich, nơi Albert Einstein sau đó đã sống và làm việc. Khi chúng tôi từ từ di chuyển từ nhà ga, nhìn ra ngoài cửa sổ, chúng tôi thấy sân ga rời đi. Một người lớn sẽ hiểu ngay rằng đó không phải là sân ga đang chuyển động, mà là một đoàn tàu. Tuy nhiên, Einstein đã tự hỏi mình: làm sao chúng ta biết được điều này?
Câu trả lời là Trái đất. Đây là những gì chúng tôi coi là đứng yên, và do đó chúng tôi gán tốc độ cho các đối tượng liên quan đến nó. Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu Trái đất không tồn tại? Làm sao chúng ta biết được tàu vũ trụ của chúng ta đang di chuyển hay trạm vũ trụ đang di chuyển ra xa chúng ta? Điều đầu tiên nghĩ đến là các định luật vật lý. Có lẽ có một số quy tắc tính đến tốc độ, và bằng cách này, chúng ta học được từ quá trình của hiện tượng cho dù chúng ta đang đứng hay đang chuyển động?
Ứng cử viên tốt nhất là từ trường và điện trường. Ở trường, chúng tôi đã học được rằng nó thực sự là một lực – lực điện từ. Công trình của nhà vật lý Hà Lan Hendrik Lorenz chỉ ra rằng ánh sáng, thực chất là một trường điện từ xoay chiều, phải luôn chuyển động với cùng một tốc độ, bất kể chuyển động của chúng ta.
Làm thế nào để kiểm tra? Vì chúng ta biết rằng Trái đất chuyển động (khá nhanh) quanh Mặt trời và quanh trục của nó, nên nếu tốc độ ánh sáng phụ thuộc vào chuyển động, thì một chùm ánh sáng sẽ di chuyển từ tây sang đông – và do đó theo hướng chuyển động của Trái đất – nên làm theo cùng một cách, khác với cách thứ hai, từ bắc vào nam. Một thí nghiệm như vậy đã được thực hiện bởi các nhà khoa học người Mỹ Albert A. Michelson và Edward Morley. Và hóa ra tốc độ ánh sáng thực sự không phụ thuộc vào hướng chuyển động của nó.
Thuyết tương đối hẹp
Chuyển động chỉ tồn tại trong bối cảnh hai quan sát viên so sánh các hệ thống của họ, nó luôn luôn tương hỗ và không có ích lợi gì trong việc xác định các hệ thống ở trạng thái dừng. Do đó, tất cả các lý thuyết vật lý đúng phải độc lập với vận tốc và vị trí, và cả thời gian. Nếu khác, có thể phân biệt giữa hệ thống di động và hệ thống tĩnh.
Làm thế nào để đạt được tốc độ ánh sáng không đổi này? Rốt cuộc, điều này có nghĩa là nếu “đèn hiệu” không gian gửi tín hiệu ánh sáng, và chúng tôi đánh một tên lửa bay với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng và đuổi theo tín hiệu này, nó sẽ nhanh chóng di chuyển khỏi chúng tôi và ngọn hải đăng. . Đây là một điều nghịch lý, nhưng không phải là trí tưởng tượng của trẻ nhỏ.
Nếu vậy, khoảng cách giữa chúng ta và chùm sáng tăng lên, hoặc thời gian chậm lại đối với chúng ta. Mức độ giãn ra của không gian hoặc sự giãn ra của thời gian tỷ lệ với tốc độ tương đối. Trong trường hợp theo đuổi ánh sáng, không gian sẽ kéo dài vô hạn, và thời gian sẽ ngừng lại.
Chúng ta đạt đến một điểm mà trí tưởng tượng của chúng ta có thể không đủ đối với chúng ta. Thời gian ngừng trôi có nghĩa là gì? Chúng ta sẽ đóng băng ở một vị trí? Chà, không, chúng ta sẽ sống bình thường trong hệ quy chiếu của mình – nhưng chúng ta sẽ cảm thấy như những vị thần tồn tại bên ngoài thời gian của phần còn lại của vũ trụ. Nhưng vì chuyển động là tương đối và lẫn nhau, chúng ta có thể nói như vậy về thế giới bên ngoài chúng ta. Vậy đồng thời là gì? Làm thế nào để bạn dung hòa nguyên lý nhân quả với điều này?
Tất cả các hàm ý của thuyết tương đối vẫn chưa được hiểu rõ. Einstein đã nêu tên hai trong số những điều quan trọng nhất. Thứ nhất, không thể đạt tốc độ ánh sáng. Năng lượng cần thiết để tăng tốc độ tăng tỷ lệ nghịch với sự khác biệt giữa nó và tốc độ ánh sáng. Một vật chuyển động với tốc độ ánh sáng sẽ có năng lượng vô hạn. Nhưng vì chuyển động là tương đối, năng lượng này là gì? Như chúng ta nhớ từ trường học, năng lượng của chuyển động tỷ lệ với tốc độ và khối lượng. Vì vậy, Einstein nói rằng nó phải có khối lượng lớn. Từ đó, ông suy ra phương trình nổi tiếng nhất của mình. E = mc ^ 2 – khối lượng là một dạng năng lượng ở trạng thái nghỉ.
Kết luận thứ hai từ sự không đổi của tốc độ ánh sáng là sự cần thiết phải tích hợp thời gian là chiều thứ tư vào không gian ba chiều mà chúng ta đã biết, đã được Euclid mô tả trong thời cổ đại. Chỉ không-thời gian được tạo ra theo cách này, lần đầu tiên được xác định bởi nhà toán học người Đức Hermann Minkowski, mới mô tả chính xác vật lý. Một điểm trong không thời gian là một vị trí cụ thể trong không gian tại một điểm cụ thể trong thời gian. Đoạn không-thời gian nối hai điểm của nó là khoảng cách giữa hai sự kiện.
Thuyết tương đối rộng
Khối lượng không chỉ là thước đo của lực phải tác dụng để đưa một vật chuyển động, và do đó là mức quán tính của nó. Khối lượng cũng là nguồn gốc của lực hấp dẫn. Các định nghĩa này đề cập đến các hiện tượng hoàn toàn khác nhau. Chúng có thể chứa cùng một đại lượng vật lý không? Những “sự cố” như vậy không xảy ra trong tự nhiên.
Thí nghiệm tương ứng được thực hiện bởi nhà địa vật lý người Hungary Lorand Eötvös bằng cách sử dụng một con lắc xoắn. Hóa ra là khối lượng quán tính và trọng trường hoàn toàn bằng nhau. Đối với Einstein, đây là bằng chứng rằng, giống như điện trường và từ trường, lực hấp dẫn và quán tính phải tuân theo cùng một mô hình. Dưới tác động của một lực, chúng ta thay đổi giá trị hoặc hướng của tốc độ, trong vật lý gọi là gia tốc. Gia tốc là một sự thay đổi trong tốc độ, và tốc độ luôn là tương đối. Vì bản thân chuyển động là tương đối, gia tốc cũng phải tương đối.
Lấy cảm hứng từ ví dụ về Trái đất, bề mặt cong mà chúng ta đang sống và đo đạc, Einstein biết rằng bề mặt phẳng không phải là khả năng duy nhất được hình học cho phép. Nếu không-thời gian bốn chiều không phải là một mặt phẳng, thì quỹ đạo của các vật thể không có bất kỳ sự can thiệp nào từ bên ngoài và do đó, chuyển động theo đường thẳng theo các định luật vật lý cổ điển, sẽ phải cong.
Trong một số hệ thống, điều này có thể được giải thích bởi lực hấp dẫn, trong những hệ thống khác – bằng quán tính và trong mô hình – đơn giản là bởi độ cong của không gian. Hai đoàn tàu đi trên các đường ray song song liền kề hoặc trên cùng một đường ray nhưng với khoảng thời gian không đổi, có thể va chạm.
Cần phải suy nghĩ lại các khái niệm về song song và trực tiếp, cũng như khái niệm về thời gian. Vì không gian cong nên ánh sáng cũng phải uốn cong theo những đường cong như vậy. Vì độ cong phải gây ra các tác động như lực hấp dẫn, nên mỗi khối lượng phải tạo ra sự không đồng nhất không-thời gian và do đó, ví dụ, ảnh hưởng đến thời gian trôi qua.
Nhiều kết luận trong số này đã được thực nghiệm xác nhận, chẳng hạn như dòng thời gian không đồng đều tại điểm gần nhất và xa nhất của quỹ đạo sao Thủy, dẫn đến sự thay đổi chậm chạp của nó, hoặc khả năng nhìn thấy các ngôi sao ẩn sau các thiên thể vũ trụ khổng lồ khác. Nhiều người khác vẫn đang chờ xác nhận.
