Về cỗ máy thời gian và thuyết tương đối

44

Về cỗ máy thời gian và thuyết tương đối

Trong chương 8 chương trình vật lý lớp 10, các em đã được làm quen với cách xây dựng Thuyết tương đối đặc biệt (SRT) và các hệ quả chính từ chúng. Tuy nhiên, từ các quy định của SRT, nó nêu rõ rằng tính đồng thời của các sự kiện tách biệt về mặt không gian là tương đối, tức là nó phụ thuộc vào hệ thống báo cáo trong đó việc quan sát được thực hiện. Tuyên bố này, giống như nhiều tuyên bố khác, đề cập đến thuyết tương đối, có vẻ như đối với các quốc gia, thậm chí là nghịch lý, và trong mọi trường hợp đều trái ngược với lẽ thường. Tại sao?

Ngay từ những bước đầu tiên của khoa học viễn tưởng, một trong những kỹ thuật đã nêu của thể loại này là “du hành thời gian”. Nhiều tác giả sử dụng nó để tạo ra một “nghịch lý thời gian” màu đỏ, một sự kết thúc vô lý của một chuỗi sự kiện. Vì vậy, anh hùng của một câu chuyện tuyệt vời đã bị trộn lẫn vào trạng thái trước đó và gặp một concha đẹp trai, người mà cô ấy biết sẽ trở thành tác giả của những khám phá thay thế. Đây chính xác là những gì sẽ xảy ra, nhưng chỉ do bản thân nữ chính, có trí nhớ tốt, đã nhanh chóng giải thích cho anh ta tất cả các chi tiết của khám phá tiếp theo mà cô biết từ sách giáo khoa và chuyên khảo “tương lai”. Như bạn hiểu, không ai mở bất cứ điều gì. Đơn giản vì sự dịch chuyển của thời gian nên hệ quả (nhân vật chính trong câu chuyện biết chi tiết về phát hiện) sinh ra những nguyên nhân ngang nhau (chính phát hiện đó) dẫn đến nghịch lý.

Để ngăn chặn những nghịch lý như vậy nảy sinh, như lẽ thường cho thấy, không thể hoán đổi quá khứ và tương lai.

• Dừng lại! - bạn nói. - Trong trường hợp đó, có điều gì đó không ổn với thuyết tương đối. Rốt cuộc, liên quan đến tính đồng thời, tôi biết rằng đối với những người quan sát khác nhau, thứ tự của các sự kiện theo thời gian có thể khác nhau.

Hãy minh họa điều này bằng một ví dụ cụ thể. Xét một sân ga rất dài A đứng bất động trên đường ray, ở hai đầu của sân ga có hai bộ thu ánh sáng và hai đoàn tàu B và C lần lượt di chuyển về bên phải và bên trái. Tại một thời điểm nào đó, một tia sáng tức thời được tạo ra tại một điểm nằm chính xác giữa các máy thu. Hãy gọi sự kiện này là số 1. Sau đó, sự kiện số 2 - tia sáng được máy thu bên trái phát hiện và sự kiện số 3 - tia sáng được máy thu bên phải phát hiện. Rõ ràng là trong hệ thống báo cáo được liên kết với nền tảng A, sự kiện số 2 và số 3 xảy ra đồng thời. Tuy nhiên, trong hệ thống báo cáo liên quan đến đoàn tàu B đang di chuyển sang bên phải, sự kiện số 3 sẽ xảy ra nhiều hơn sự kiện số 2, vì bộ thu bên phải trong hệ thống này di chuyển về phía chùm sáng và bộ thu bên trái chạy xa khỏi chùm sáng. Trong hệ thống báo cáo liên quan đến chuyến tàu C đi bên phải, sự kiện số 3 sẽ xảy ra muộn hơn sự kiện số 2. Tất nhiên, toàn bộ vấn đề ở đây là đối với cả ba người quan sát, ánh sáng sẽ truyền với tốc độ như nhau (theo bước thứ hai của SRT).

Hóa ra với sự ra đời của SRT, chính khái niệm “sớm-sau” đã trở nên tương đối. Những gì “trước đó” trong một hệ thống báo cáo có thể là “muộn hơn” trong một hệ thống khác.

“Tất cả điều này trông rất kỳ lạ,” bạn nói. “Như chúng ta đã thấy, việc thay đổi các sự kiện ở những nơi và thời điểm thông qua các dịch vụ sẽ gây ra những hậu quả.”

Hóa ra mọi thứ không quá xa lạ. Tước bỏ ý nghĩa tuyệt đối của các khái niệm “sớm-sau” và “đồng thời”, STR không bao giờ dẫn đến vi phạm nguyên tắc-hậu quả của mối liên hệ giữa các sự kiện. Nếu một sự kiện là hệ quả của một sự kiện khác thì trong bất kỳ hệ thống báo cáo nào, nó sẽ được đưa ra sau. Xin lưu ý - trong tất cả các hệ thống báo cáo (A, B và C), sự kiện Số 1 (phát xạ ánh sáng) sẽ tạo ra kết quả bằng nhau

45

Sơ đồ phân loại sự kiện tuyệt đối (độc lập với hệ thống báo cáo). Để đơn giản, chỉ còn lại một cấp độ không gian ngoài sự kiện số 2 và số 3 (sự xuất hiện của ánh sáng này tại máy thu). Nó xảy ra như nhau theo quan điểm của bất kỳ ai được quan sát - không có hệ thống báo cáo nào có thể ánh sáng đến máy thu trước rồi mới được phát ra bởi nguồn. Kết luận rất rõ ràng: sẽ sai lầm khi nói rằng bất kỳ hai sự kiện nào cũng có thể hoán đổi kịp thời bằng cách thay đổi hệ thống báo cáo.

Khi nào điều này có thể và khi nào thì không? Hãy bắt đầu từ đầu bên kia - chúng tôi sẽ cố gắng xác định khi nào mối liên hệ về nguyên tắc và kết quả có thể tồn tại giữa hai sự kiện.

Trong vật lý cổ điển (thời tiền Einstein), câu trả lời cho câu hỏi này đơn giản như sau: đáp số: nếu một sự kiện xảy ra muộn hơn sự kiện khác, thì đó có thể là hệ quả của nó, bất kể những sự kiện này xảy ra ở đâu. Thực tế là không có lý do gì để tin rằng tốc độ truyền thông tin (tín hiệu) bị hạn chế dưới bất kỳ hình thức nào. Sau đó, ngay cả khi sự kiện $B$ xảy ra rất xa sự kiện $A$ và không lâu sau đó, vẫn có thể sử dụng tín hiệu có tốc độ đủ cao để truyền thông tin về sự kiện $A$ tới điểm $B$ ngay cả trước khi sự kiện $B$ bắt đầu. Hóa ra, bất kỳ sự vi phạm nào về trình tự thời gian của các sự kiện “sớm hơn” đều có thể dẫn đến vi phạm các mối quan hệ nguyên tắc-hiệu quả. Do đó, điều tự nhiên là các khái niệm “sớm-sau” và “đồng thời” trong vật lý cổ điển là tuyệt đối, tức là tọa độ không thể, tức là mỗi sự kiện tương ứng với một điểm trên mặt phẳng “không gian (x) - thời gian (t).

có phụ thuộc vào hệ thống báo cáo hay không (xem hình).

Theo lý thuyết nikostics tương đối, tín hiệu không thể truyền ở tốc độ lớn hơn tốc độ ánh sáng trong chân không $c$. Dựa trên điều này, các điều kiện hình thành mối liên hệ cơ bản giữa các sự kiện cũng thay đổi. Nếu một tia sáng từ điểm $A$ đến điểm $B$ trước khi một sự kiện xảy ra ở đó thì sự kiện $A$ có thể ảnh hưởng đến sự kiện $B$. Trong trường hợp này, sự kiện $B$ được coi là có liên quan cơ bản đến sự kiện $A$. Hãy viết những điều kiện như thế này:

$$t_B - t_A \geq \frac{r_{AB}}{c},$$

trong đó $r_{AB}$ là khoảng cách giữa các điểm xảy ra sự kiện $A$ và $B$. Tình trạng

$$t_A - t_D \geq \frac{r_{AD}}{c}$$

có nghĩa là sự kiện $A$ có thể là hệ quả của sự kiện $D$, tức là sự kiện $D$ về cơ bản có liên quan đến sự kiện $A$, mặc dù theo thứ tự ngược lại. Nếu như

$$|t_A - t_K| < \frac{r_{AK}}{c},$$

khi đó các sự kiện, dù không xảy ra đồng thời, cũng hoàn toàn độc lập với nhau; không có thông tin nào về sự kiện này có thể đến được thời điểm hiện tại của sự kiện kia.

Tất cả những điều kiện này được mô tả trên hình. Ví dụ: nếu sự kiện $B$ được kết nối với sự kiện tương ứng $A$, tức là tọa độ không thể, tức là mỗi sự kiện tương ứng với một điểm trên mặt phẳng “không gian (x) - thời gian (t)”