Mở đầu :
Có thật sự là khi di chuyển gần tốc độ ánh sáng, bạn sẽ gia tăng khối lượng?
Chắc hẳn nếu các bạn trong chúng ta là những người đam mê vật lý hoặc thiên văn học, hay xem các bộ phim tài liệu về khoa học hay các video trên youtube, chắc có lẽ các bạn cũng đã từng nghe qua một khái niệm gọi là tốc độ giới hạn của vũ trụ chính là tốc độ ánh sáng trong chân không, ký hiệu là "c" với con số chính xác là
299,792,458 m/s , xấp xỉ 3*10⁸ m/s.
Vì vậy có lẽ các bạn thường được nghe giải thích lý do vì sao chúng ta không thể đạt tốc độ này là giới thiệu cho bạn hệ thức về sự tương đương của khối lượng và năng lượng :
E=mc²
với "E" là năng lượng toàn phần của vật, "m" là khối lượng tương đối tính, và "c" là tốc độ ánh sáng trong chân không, mà vốn là hằng số.
vậy ý nghĩa của hệ thức này nói là khối lượng là một dạng thước đo của năng lượng, và hai đại lượng vật lý này kết nối với nhau qua một hằng số, khá giống với quy luật thay đổi đơn vị như mét = centimet/100 ,
với 100 là hệ số chuyển đổi giữa mét và centimet, ngoài trừ bao gồm thứ nguyên và đơn vị là khối lượng và năng lượng.
và chúng ta biết rằng, khi một vật di chuyển càng nhanh, động năng sẽ càng lớn, và động năng này được cộng vào năng lượng toàn phần của vật.
vậy nghĩa là một vật di chuyển càng nhanh, thì "E" sẽ càng lớn, và theo lý luận này, cho ta công thức m = E/c² , cho ta biết m cũng sẽ càng lớn, với E = (E₀+KE) với "E₀" là năng lượng nghỉ, và "KE" là động năng.
từ "nghỉ" (rest) trong vật lý ám chỉ vật thể đứng yên trong một hệ tọa độ, vậy năng lượng nghỉ nghĩa là năng lượng toàn phần của vật thể khi nó đứng yên hay mang tốc độ = 0.
trong trường hợp vật đứng yên ta thu được hệ thức :
E₀ = m₀c²
với "m₀" là khối lượng nghỉ.
vậy tóm lại, ta có hai loại khối lượng :
"m₀" là khối lượng nghỉ (Rest mass)
"m" là khối lượng tương đối tính (Relativistic mass)
với m = m₀/sqrt(1-v²/c²) :
vậy khi một vật thể đang đứng yên với tọa độ, m = m₀, và vật thể mang v > 0 , m > m₀ và điều này lý giải được vì sao chúng ta không thể đạt được tốc độ ánh sáng trong các bộ phim tài liệu,
vì khi v tiến đến c, m sẽ tiến đến ∞ , và căn cứ theo định luật quán tính của Newton F=ma , quán tính cũng sẽ là ∞ dẫn đến việc vật kháng lại chuyển động cũng là ∞ và vật thể đó không thể đạt c.
Tuy nhiên, có một vấn đề với cách giải thích này.
thứ nhất là phương trình động lượng :
P = m₀v
thật ra, P = m₀v chỉ áp dụng khi "v" là rất nhỏ so với "c".
nếu v đạt trên 1% c, bạn cần áp dụng phiên bản này :
P = m₀v/sqrt(1-v²/c²)
rút gọn thành P = γ m₀v
với γ = 1/sqrt(1-v²/c²)
γ đọc là gamma gọi là hệ số Lorentz.
đây chính là phiên bản động lượng hoạt động ở mọi tốc độ, và chúng ta có thể thấy, P cũng tiến đến ∞ khi v tiến đến c.
sau đó hãy sử dụng định luật 2 Newton nhưng là ở phiên bản đạo hàm : ΣF = dp/dt
với "p" là động lượng dưới dạng vector, tuy nhiên khi xét trường hợp của chiều chuyển động, ta chỉ cần một chiều do đó có thể bỏ qua các phép tính vector và chỉ cần xét sự thay đổi vô hướng của "p".
sử dụng quy luật chuỗi (chain rule) ta có thể đạo hàm động lượng cho tốc độ sau đó nhân với đạo hàm thời gian của tốc độ, chính là gia tốc.
F(cùng chiều) = (dp/dv) (dv/dt) = (dp/dv) a(cùng chiều)
với "a" là gia tốc của vật, ta thu được bằng chứng như sau :
F(cùng chiều) = m₀a(cùng chiều)/(1-v²/c²)¹˙⁵ = γ³m₀a(cùng chiều) ≠ ma(cùng chiều)
Vì m = m₀/sqrt(1-v²/c²), ta thấy phương trình tổng lực gây ra gia tốc không tương ứng với tích của khối lượng tương đối tính với gia tốc, nhưng với phương trình động lượng thì lại có thể viết là
P = mv = m₀v/sqrt(1-v²/c²) , vậy điều này chứng tỏ khi chúng ta tác dụng một lực "F" về phía vật thể theo chiều chuyển động, lực hành vi rất khác thường so với ở tốc độ thường, và cũng không tương ứng với khối lượng tương đối tính trong định luật 2 Newton.
vậy chuyện quái gì đang xảy ra vậy?
đó là bởi vì khối lượng tương đối tính không thực sự tồn tại trong vật lý.
nó chỉ là một định nghĩa toán học được làm ra để cho các sinh viên đại học dễ làm bài tập hơn, bởi vì trong suốt nhiều năm học, họ đã quen thuộc với các phương trình như P=mv,
và họ sẽ không quen lắm khi nhìn một phiên bản cồng kềnh như là :
P = m₀v/sqrt(1-v²/c²)
KE = (1/sqrt(1-v²/c²)-1)m₀c² , vì thế với khối lượng tương đối tính, ta thu được phương trình động lượng quen thuộc P=mv chỉ nhớ rằng "m" là khối lượng tương đối tính, từ đó giúp cho các sinh viên vừa dễ làm bài tập, vừa thu được bài học sâu sắc.
thế nhưng đây lại là một dẫn chứng rất rõ ràng :
F(cùng chiều) = m₀a(cùng chiều)/(1-v²/c²)¹˙⁵ = γ³m₀a(cùng chiều) ≠ ma(cùng chiều)
nếu khối lượng tương đối tính thật sự tồn tại, thì đáng lẽ ra phương trình γ³m₀a(cùng chiều) phải bằng ma(cùng chiều) , nhưng sự thật là không phải.
điều này chứng tỏ, quán tính khi tác dụng lực cùng chiều với chiều chuyển động, sẽ có tác động rất khác thường.
thật ra, chính nhà vật lý học Albert Einstein đã chia ra hai loại khối lượng như sau :
Khối lượng vuông góc (Transverse mass) với lực
F(vuông góc) = γm₀a(vuông góc)
Khối lượng cùng chiều (Longitudinal mass) với lực
F(cùng chiều) = γ³m₀a(cùng chiều)
với khối lượng vuông góc là khi bạn tác dụng lực vuông góc với chiều chuyển động còn "a(vuông góc)" là gia tốc vuông góc với chiều chuyển động.
còn khối lượng cùng chiều chính là khối lượng khi bạn tác dụng lực cùng với chiều chuyển động của vật thể, và gia tốc "a(cùng chiều)" là gia tốc cùng chiều với chuyển động.
nhưng hai loại khối lượng này cũng chỉ là các khái niệm toán học, cốt lõi như mình đã nói, chỉ có duy nhất một khối lượng đó là "m₀" vốn gọi là khối lượng nghỉ là đại lượng duy nhất có ý nghĩa, vì cả tất cả những công thức trên đều input m₀.
nhưng không phải tất cả đều là khái niệm do con người tạo ra?
Không sai! cả năng lượng và khối lượng đều là những định nghĩa con người tạo ra, nhưng tạo ra là một chuyện, chúng ta tạo ra chúng để xem xét các mối quan hệ toán học giữa chúng từ đó đưa ra dự đoán về sự vận hành của thế giới xung quanh cũng như toàn bộ vũ trụ.
nhưng không phải tất cả khái niệm con người tạo ra đều cơ bản, và trong những công thức tương đối tính, khối lượng nghỉ luôn được sử dụng làm input, đây chính là lý do vì sao một khi các sinh viên đại học đã thuộc lòng hết những công thức trong vật lý tương đối tính, thì khối lượng tương đối tính sẽ không còn được sử dụng nữa.
hơn nữa khối lượng tương đối tính còn gây ra sự nhầm lẫn khác, đó là một số người sẽ tin rằng khối lượng tương đối tính sẽ gây ra lực hấp dẫn, và có một số người đã trình bày rằng, nếu tôi bỏ khối lượng tương đối tính vào công thức F = -GMm/r² của Newton, và cho rằng, nếu m di chuyển gần tốc độ ánh sáng, và gần vô hạn, thì hạt đó sẽ bay qua trái đất đồng thời tác dụng một lực gần vô hạn lên trái đất.
Điều này là không đúng bởi vì khối lượng tương đối tính không gây ra lực hấp dẫn, vì không đóng góp và thành phần Tᵗᵗ của tensor năng lượng động lượng trong thuyết tương đối rộng, vì thế cũng không gia tăng độ cong cho không-thời gian nếu xem xét lực hấp dẫn trong khuôn khổ của Thuyết tương đối rộng (General Relativity).
Còn về hệ thức E=mc² thì sao? phương trình này cho rằng khối lượng và năng lượng mang tính tương đương, nhưng chỉ đúng đối với khối lượng nghỉ mà thôi.
hóa ra hệ thức này E = m₀c² cũng chỉ áp dụng cho vật có khối lượng nghỉ và đứng yên, và bởi vì ta đã phủ nhận sự tồn tại của khối lượng tương đối tính, đối với vật có khối lượng và chuyển động hệ thực sẽ là : E = γm₀c²
hoặc phiên bản cao cấp hơn là :
E² = (m₀c²)² + (pc)²
với "p" là động lượng của vật thể.
ta có thể nhận thấy, nếu đặt "p" = 0 , tức là ám chỉ vật này đứng yên trong tọa độ, chúng ta có công thức quay về E= m₀c² và ngược lại, nếu một hạt không có khối lượng, ví dụ như hạt photon, ta có thể đặt m₀ = 0 và công thức sẽ trở thành :
E=pc
chính là mối quan hệ đúng giữa động lượng và năng lượng cho một hạt photon.
vì vậy lần tới khi ai đó nói với bạn rằng, khối lượng của một vật sẽ tăng đến vô cùng khi vật thể tiếp cận tốc độ ánh sáng, hãy chia sẻ bài viết này cho họ nhé.
Kết luận : Việc một vật có khối lượng hoàn toàn không thể di chuyển ở tốc độ ánh sáng là đúng!
Tuy nhiên, đó là bởi vì quán tính hành vi ở tốc độ cao khác với tốc độ thấp, điều này khiến cho một vật di chuyển ở tốc độ càng gần tốc độ ánh sáng càng chây ỳ trong khi khối lượng của nó vẫn không đổi.
sau khi đọc bài viết này mình hy vọng các bạn hiểu bài viết này không phải là để phản biện Albert Einstein hay Thuyết Tương Đối Hẹp hay đưa ra các dẫn chứng cá nhân, mà là để cho các bạn thấy thực hư về khái niệm khối lượng tương đối tính, vốn không phải là tính chất cơ bản của vật chất.
khối lượng tương đối tính là một khái niệm hữu ích để giới thiệu thuyết tương đối hẹp cho những người mới bắt đầu vì nó ngắn gọn xúc tích.
tuy nhiên nó gây ra nhiều rắc rối và nghịch lý hơn là giá trị.
chính Albert Einstein là người đã từng sử dụng khái niệm khối lượng tương đối tính nhưng sau đó đã hối hận, và cho rằng chỉ nên sử dụng khối lượng nghỉ, và các nhà khoa học hiện nay chỉ nói đến khối lượng nghỉ (Rest mass), khi họ nói về khối lượng.
Tác giả : Quach Minh Dang
Tài liệu tham khảo : https://en.wikipedia.org/wiki/Mass_in_special_relativity#Transverse_and_longitudinal_mass
Comments
Post a Comment