Nguyên lý tương đối

18

Nguyên tắc là tương đối
liên quan đến

Kakidat của khoa học vật lý và toán học
A. A. DOZOROV

Trên một chuyến tàu thiên nhiên, nhìn ra cửa sổ đoàn tàu vừa khởi hành, một cậu bé năm tuổi hỏi:

• Mẹ ơi, ai đã đi, chúng ta hay chuyến tàu đó?
  “Tàu hỏa,” mẹ tôi trả lời.
• Tại sao đối với tôi có vẻ như chúng tôi đã đi?

Mẹ từng trả lời mà không để ý đến việc con trai bà đang đặt ra một trong những câu hỏi cơ bản của vật lý.

Một trong những người đầu tiên đưa ra câu hỏi tương tự và trả lời nó đáp số nhà khoa học vĩ đại người Ý Galileo Galilei. Điều này xảy ra vào năm 1636, tức là khoảng 350 năm trước. Đây là lý luận của Galileo về cái gọi là nguyên lý tương đối, như được nêu trong cuốn sách “Đối thoại về hai hệ thống quan trọng nhất của thế giới - Polemaic và Copernican”:

“Hãy ẩn mình với một trong những người bạn của bạn trong một căn phòng rộng rãi dưới boong một con tàu nào đó, tích trữ bột mì, bướm và các loại côn trùng bay nhỏ tương tự khác; Hãy để bạn cũng có một chiếc tàu lớn ở đó với nước và những con cá nhỏ bơi lội trong đó; Tiếp theo, treo một cái xô ở trên cùng, từ đó nước sẽ rơi từng giọt vào một chiếc tàu khác có cổ hẹp đặt bên dưới. Trong khi con tàu đứng yên, hãy chăm chỉ quan sát xem những con vật bay nhỏ di chuyển với tốc độ như nhau ở mọi hướng trong phòng; con cá, như bạn sẽ thấy, sẽ bơi một cách thờ ơ. theo mọi hướng; tất cả các giọt rơi sẽ rơi vào bình thay thế, và khi bạn ném một vật, bạn sẽ không phải ném nó với lực mạnh hơn theo hướng này so với hướng kia nếu khoảng cách là như nhau; và nếu bạn nhảy bằng cả hai chân cùng một lúc, bạn sẽ nhảy cùng một khoảng cách theo bất kỳ hướng nào, mặc dù bạn sẽ không nghi ngờ gì rằng nếu bạn dừng lại nhiều lần, mọi thứ sẽ diễn ra chính xác như thế này, và sau đó (nếu chỉ chuyển động đều và không lắc lư). hướng này hay hướng khác) trong tất cả các hiện tượng được đặt tên, bạn sẽ không tìm thấy sự thay đổi nhỏ nhất nào và từ không cái nào trong số chúng, bạn sẽ có thể xác định được con tàu đang chuyển động hay đứng yên… Và lý do cho sự nhất quán của tất cả những hiện tượng này là chuyển động của con tàu là chung cho tất cả các vật thể trên nó, cũng như đối với không khí.”

Isaac Newton trong cuốn sách “Toán học về vật lý tự nhiên” xuất bản năm 1687, đã đưa ra nguyên lý tương đối: “Các chuyển động tương đối so với nhau của các vật thể chứa trong không gian bất kỳ là như nhau, cho dù không gian này đứng yên hay chuyển động đều, thẳng không quay”.

Trong công thức hiện đại của nó, nguyên lý tương đối của Galileo thường được viết như sau: các định luật cơ học là như nhau trong mọi hệ quán tính vắng mặt.

Nguyên tắc này đã không được sửa đổi trong một thời gian rất dài. Chỉ đến năm 1905, trong công trình mang tính bước ngoặt của mình về lý thuyết đặc biệt về tương đối, Albert Einstein đã khái quát nguyên lý cơ học của tương đối, áp dụng nó cho mọi hiện tượng vật lý: “Các định luật theo đó trạng thái của các hệ vật lý thay đổi không phụ thuộc vào hệ tọa độ nào trong hai hệ tọa độ, chuyển động đều và thẳng đối với nhau, những thay đổi trạng thái này có liên quan đến nhau”.

Do đó, không có thí nghiệm nào được thực hiện trong bất kỳ hệ quán tính nào có thể nói được liệu hệ này đang chuyển động thẳng và đều hay đang đứng yên.

Hãy tưởng tượng rằng một khẩu pháo đứng yên đang bắn thẳng lên. Đạn tất nhiên phải quay lại chính xác

19

vào họng khẩu pháo này.*) Chẳng có mánh khóe nào trong việc này cả, bí mật chỉ nằm ở việc huấn luyện lính pháo binh. Nếu bây giờ chúng ta buộc các khẩu pháo chuyển động đều, thẳng và bắn khi đang di chuyển mà không làm thay đổi tải trọng của ordium, thì theo nguyên lý đường đạn tương đối, chúng lại phải quay về đầu nòng pháo. Điều này đã thú vị hơn nhiều.

Trong một số điều kiện nhất định, bạn có thể độc lập thực hiện cài đặt thích hợp, được trình bày dưới dạng sơ đồ trong hình và thể hiện hoạt động của nó trong bài học vật lý. Khó nhất là pháo. Lò xo của súng được nén bằng tay cầm 1 và cố định ở vị trí này bằng cò súng 2. Đạn (quả bóng kim loại) được đặt trên một chiếc cốc gắn vào lò xo. Khi bắn khi đang di chuyển, thiết bị kích hoạt sẽ căn chỉnh khi nó chạm vào nêm 3 gắn trên bảng 4 nơi súng được phóng. Việc điều chỉnh ordium (nhắm) được thực hiện bằng cách sử dụng dây dọi 5 và ba vít 6 (để lắp đặt có độ chính xác cao hơn, tốt hơn nên làm bệ từ hai tấm 7 và 8). Để nhắm mục tiêu chính xác, đáp số phải căn chỉnh với điểm 9.

Quy trình chuẩn bị và tiến hành thí nghiệm như sau. Sử dụng hai ốc vít 6, tấm đường 4 được lắp trên bàn sao cho pháo lăn dọc theo nó với tốc độ gần như không đổi (để hệ chuyển động có thể coi là quán tính). Ví dụ, bằng cách đặt một thước kẻ dưới bánh xe của khẩu pháo, khẩu pháo được gắn trên khẩu pháo bằng ba ốc vít 6. Sau đó, khẩu pháo được nạp đạn và bắn ngay tại chỗ (đối với điều này, thiết bị so sánh 2 được buộc bằng một thước đo khác). Quả bóng bay ra ngoài rồi lại quay trở lại họng súng. Sau đó, thước chặn được tháo ra, khẩu pháo tăng tốc, thiết bị kích hoạt chạm vào nêm 3, quả bóng bay lên, đồng thời di chuyển dọc đường với tốc độ ngang bằng với khẩu pháo, và trước sự vỗ tay của khán giả, chiếc ordium lại chạm vào họng súng. Trải nghiệm thực tế khá hiệu quả.

Tóm lại, đây là một số lời khuyên thiết thực. Tốt nhất nên làm súng thật đồ sộ để khi đánh nêm và khi bắn súng không bị văng ra. Đường kính vừa đủ của mõm là khoảng 3 cm. Để đạt được trí tưởng tượng của khán giả, quả bóng phải bay ra xa khoảng 1,5-2 m, trong thời gian đó bệ đặt pháo phải di chuyển khoảng 0,5 m. Đường ván phải được làm cứng để không bị sức nặng của bục đẩy đi, đồng thời mài sắc hai vít 6 cố định trên ván thì bản thân đường ván sẽ ổn định. Để thí nghiệm được lặp lại nhiều lần, ở cuối đường súng phải được dừng êm bằng tay hoặc phải làm rào chắn mềm ở cuối đường.

*) Ở đây người ta giả định rằng Trái đất là một hệ thống báo cáo quán tính, mặc dù trên thực tế, bất kỳ hệ thống báo cáo thực tế nào cũng chỉ có thể được coi là quán tính với phép tính gần đúng này hay phép tính gần đúng khác.