Kiểm tra tính chính xác của thuyết tương đối như thế nào?

KIỂM TRA THUYẾT TƯƠNG ĐỐI HẸP

Để kiểm chứng sự co ngắn của không gian và sự trôi chậm của thời gian trong thuyết tương đối hẹp, người ta khảo sát hạt mezon ${\pi }^{+}$. Hạt mezon ${\pi }^{+}$ phát sinh ở thượng tầng khí quyển do va chạm của các proton và neutron cực nhanh, nó có thời gian sống trung bình cực kỳ ngắn: $∆t_0=2,2.{10}^{-8}$ giây và chỉ tồn tại trong trạng thái chuyển động với vận tốc cực nhanh, xấp xỉ vận tốc ánh sáng: $u=0,99999999c$.

Trong thời gian tồn tại, nó chỉ bay được quãng đường $∆t_0.u=6,5$ m. Thế nhưng người ta vẫn phát hiện mezon ${\pi }^{+}$ ở mặt đất và dưới các hầm mỏ sâu trong lòng đất, nghĩa là rất xa nơi nó sinh ra. Nghịch lý này chỉ có thể giải thích được bằng sự trôi chậm của thời gian hoặc sự co ngắn của không gian. Thật vậy, theo thuyết tương đối, hệ K’ được gắn với hạt mezon ${\pi }^{+}$ (tức là hạt đứng yên trong đó) bay với vận tốc $u=0,99999999c$ đối với hệ K mà chúng ta đang sống (mặt đất). Thời gian sống của mezon ${\pi }^{+}$ đối với hệ K là:

$∆t=\frac{∆t_0}{\sqrt{1-{\displaystyle \frac{u^2}{c^2}}}}\approx 7000.∆t_0\approx 1,54.{10}^{-4} s$

Do đó hạt bay được quãng đường $∆t_0.u=46$ km, nghĩa là nó có thể đi từ thượng tầng khí quyển đến mặt đất. Tương tự, với tốc độ u như vậy thì khoảng cách không gian 46 km đối với chúng ta co lại 6,5 m đối với hạt mezon ${\pi }^{+}$.

THÍ NGHIỆM KIỂM CHỨNG

Tháng 10/1977, hai nhà khoa học Mỹ Hafele và Keating thực hiện thí nghiệm rất thuyết phục: họ cùng bốn đồng hồ nguyên tử- loại đồng hồ chính xác nhất thời đó – bay hai vòng quanh Trái đất bằng máy bay, mỗi lần theo mỗi hướng. Phép đo đã xác định tính đúng đắn của thuyết tương đối với sai số 10%. Vài năm sau, các nhà Vật lý ở Đại học Maryland (Mỹ) thực hiện thí nghiệm tương tự với độ chính xác cao hơn nhiều. Họ bay với đồng hồ nguyên tử nhiều vòng trên vịnh Chesapeake trong 15 giờ và khẳng định tính đúng đắn của thuyết tương đối với sai số là 1%.

Theo thuyết tương đối rộng, không gian và thời gian xung quanh một vật có khối lượng bị uốn cong. Nghĩa là khi ánh sáng từ các ngôi sao đi qua gần Mặt trời sẽ bị uốn cong trước khi đến mắt người quan sát tại Trái đất. Để kiểm chứng, các nhà khoa học lợi dụng nhật thực toàn phần xảy ra ngày 25/5/1919 để quan sát vị trí biểu khiến của các ngôi sao khi chúng ở gần Mặt trời. Hai đoàn nghiên cứu của Hội Thiên Văn Hoàng gia Anh đã chụp ảnh tại đảo Hoàng tử (Tây Phi - gần xích đạo) và tỉnh Sobral của Brazil. Khi đó Mặt trời nằm ngay cạnh đám sao Hyades trong chòm Kim Ngưu (Taurus) khiến số lượng đối tượng sao khá nhiều, thuận tiện so sánh và phân tích số liệu. Các kết quả cho thấy đường đi của các tia sáng bị bẻ cong đúng như kết quả dự đoán của thuyết tương đối rộng.

Chuyến thám hiểm nhật thực chuyên nghiệp cuối cùng để tiến hành thí nghiệm bẻ cong tia sáng là vào năm 1973, do nhóm các nhà khoa học của Đại học Texas, Mỹ tiến hành. Những thiết bị cực kỳ hiện đại đã khẳng định tính đúng đắn của thuyết tương đối rộng trong trường hợp này là không còn gì để nghi ngờ.

Bích Phương sưu tập, có chỉnh sửa bổ sung. 
Nguồn: Vật lý hỏi và đáp - NXB Đại học quốc gia 
Tác giả: Nguyễn Hữu Thọ