Albert Einstein (1879-1979)

4

Vâng. Smorodinsky

Albert Einstein
(1879—1979)

Một trăm năm trước, tại thành phố Ulm của Đức, một đứa trẻ được sinh ra đã được định sẵn là thực hiện một trong những khám phá đáng chú ý nhất trong lịch sử thế giới tự nhiên - cậu bé được mệnh danh trở thành cha đẻ của thuyết tương đối: Albert Einstein sinh ngày 14 tháng 3 năm 1879.

Không có lý thuyết nào khác trong lịch sử khoa học đứng vững được nhiều tranh cãi và xua tan sự ngờ vực cứng đầu như lý thuyết tương đối. Rất ít người cùng thời với Einstein có thể chấp nhận ngay lời dạy mới - nó quá khác với mọi điều mà các nhà vật lý thế kỷ 19 biết. Và rất nhiều thời gian trôi qua trước khi thuyết tương đối trở thành nền tảng của toàn bộ khoa học tự nhiên.

Nhưng những lời của Einstein không chỉ dựa trên một khám phá này. Khi ông được trao giải Nobel năm 1922, thuyết tương đối vẫn chưa được chấp nhận rộng rãi và ứng dụng của nó đã đạt được thành công nhờ việc khám phá ra các định luật về hiệu ứng quang điện. Bây giờ chúng ta khó có thể hiểu được sự thiếu quyết đoán của Ủy ban Nobel, nhưng công trình nghiên cứu về hiệu ứng quang điện đã mở ra một kỷ nguyên mới của vật lý. Công trình này đã chứng minh sự tồn tại của một lượng tử ánh sáng - photon.

Einstein luôn quan tâm đến những câu hỏi tổng quát nhất của vật lý, ông cố gắng tìm hiểu cách thế giới của chúng ta vận hành và cố gắng tìm ra các quy luật toàn cầu chi phối nó. Ông nói: “Điều khiến tôi tức giận là các nhà khoa học, những người đục một cái lỗ, chọn chỗ mỏng nhất trong đó, rồi tiếp tục tạo ra rất nhiều lỗ ở những nơi dễ khoan”. Bản thân Einstein chỉ dành năng lượng của mình ở những nơi khó khoan.

Chúng ta hãy thử nói về các tác phẩm của ông và các tình tiết khác nhau trong cuộc đời của nhà vật lý vĩ đại trong một loạt mười ba bài tiểu luận ngắn, không liên kết với nhau.

1. Những tác phẩm đầu tiên

Einstein viết tác phẩm đầu tiên của mình vào năm 1901. Ông đã gửi bản sao của nó đến nhiều phòng thí nghiệm khác nhau, cố gắng kiếm việc làm sau khi tốt nghiệp Đại học Bách khoa Zurin. Những nỗ lực này đã không thành công. (Nhiều năm sau, những người không đáp ứng yêu cầu của ông đã nhận được sự vinh dự lớn nhất.) Chỉ đến tháng 6 năm 1902, hai năm sau khi tốt nghiệp trường bách khoa, Einstein mới có thể có được vị trí chuyên gia kỹ thuật tại Văn phòng Bằng sáng chế Thụy Sĩ.

Đến đầu năm 1905, Einstein đã có sáu tác phẩm được xuất bản. Bản thân Einstein sau đó cũng không đánh giá cao tác phẩm đầu tiên của mình. Quả thực, công trình đầu tiên của ông là một nghiên cứu khá cơ bản về lực tác dụng giữa các phân tử trong hiện tượng mao dẫn. Bốn tác phẩm tiếp theo được dành cho các hiện tượng nhiệt. Trong đó, Einstein phát triển một lý thuyết tổng quát về những hiện tượng này. Những công trình này sẽ có tầm quan trọng đặc biệt nếu… lý thuyết tổng quát về hiện tượng nhiệt không được Gibbs xây dựng sớm hơn một chút. Einstein thời trẻ không quen thuộc với các tài liệu khoa học và không biết về công trình của người Mỹ vĩ đại.

Công trình thứ sáu có tên là “Xác định lại kích thước của phân tử”. Nó được gửi đến các biên tập viên của tạp chí vật lý Đức “Annalen der Physik” (“Biên niên sử vật lý”), trong đó năm bài báo trước của Einstein đã được xuất bản vào ngày 30 tháng 4 năm 1905. Công trình này tập trung vào sự khuếch tán trong chất lỏng, và về bản chất, trong đó đã đặt ra những ý tưởng đầu tiên về lý thuyết chuyển động Brown.

5

Einstein đã trình bày công trình này như một luận văn để lấy bằng Tiến sĩ Sinh lý học (tên gọi của bằng cấp học thuật lúc bấy giờ).

II. Năm vàng

Năm 1905, năm diễn ra cuộc cách mạng đầu tiên ở Nga, hóa ra lại là một năm hoàng kim trong lịch sử vật lý. Năm nay, bốn tác phẩm nữa của Einstein lần lượt xuất hiện trên tạp chí Annalen der Physik. Trong thời kỳ này, lý thuyết về hiệu ứng quang học đã được hình thành. Thứ hai là lý thuyết chuyển động Brown. Trong phần thứ ba, người ta đã thu được các công thức cơ bản của cơ học và điện động lực học trong thuyết tương đối đặc biệt. Trong bài viết thứ tư, người ta đã thu được một trong những công thức quan trọng nhất của thế kỷ 20 - công thức nối khối lượng và năng lượng.

Mỗi tác phẩm này đều đảm bảo sự bất tử cho tác giả của chúng. Và những khám phá này được thực hiện bởi một người đàn ông làm việc hoàn toàn một mình, không gặp gỡ các nhà vật lý và chỉ nói với những người bạn thân về ý tưởng của mình.

Với những tác phẩm này của Einstein, một thế kỷ mới trong vật lý đã bắt đầu.

III. Hiệu ứng ảnh

Năm 1900, Planck đưa ra giả thuyết rằng các nguyên tử phát ra ánh sáng theo từng phần riêng biệt - lượng tử, năng lượng của nó tỷ lệ với tần số ánh sáng:

$$E = hv.$$

(1)

Đề xuất này về bản chất của việc nghiên cứu nguyên tử cho phép chúng ta giải thích một số mô hình trong nghiên cứu vật thể nóng.

Einstein đã đi xa hơn Planck. Một trong những câu hỏi mà ông đã xem xét là câu hỏi về việc đề cử các loại khí ánh sáng. Người ta đã biết rằng ánh sáng có bước sóng dài không tạo ra nguyên tử: có một số bước sóng tới hạn $\lambda_0$ sao cho chỉ ánh sáng có bước sóng $\lambda < \lambda_0$ mới có thể tạo ra một nguyên tử (đối với các nguyên tử khác nhau $\lambda_0$ thì khác nhau). Bí ẩn của hiện tượng này sẽ biến mất nếu chúng ta đề xuất rằng bản thân ánh sáng bao gồm các phần - lượng tử, và năng lượng của các lượng tử ánh sáng này liên kết với tần số ánh sáng theo cùng một sự tương ứng $E = hv$. Nếu chúng ta chuyển từ tần số v sang bước sóng $\lambda = c/v$, thì sự tương ứng (1) sẽ có dạng $E = hc/\lambda$. Vì vậy, ánh sáng có bước sóng $\lambda < \lambda_0$ là lượng tử có năng lượng là $E < E_0 = hc/\lambda_0$, trong đó $E_0$ là năng lượng cảm ứng của một nguyên tử.

Dựa trên giả định về bản chất lượng tử của ánh sáng, Einstein đã tạo ra một lý thuyết về hiệu ứng quang điện giải thích các định luật cơ bản của nó: sự tồn tại của mỗi chất có tần số ánh sáng tối thiểu, dưới tần số đó hiệu ứng quang điện không xảy ra và sự độc lập của động năng của các electron phát ra dưới tác dụng của ánh sáng với cường độ ánh sáng.

Nếu một electron ở gần bề mặt của một vật thể và để thoát ra khỏi ranh giới của nó, nó cần thực hiện công $P$ (chống lại lực hút của các điện tích dương), thì dưới tác dụng của ánh sáng có tần số v (và theo đó, với năng lượng của lượng tử hv), nó sẽ bay ra ngoài với động năng

$$\frac{mv^2}{2} = hv - P.$$

Nếu năng lượng của lượng tử ánh sáng là $E = hv \leq P$ thì $v = 0$—hiệu ứng quang điện không xảy ra. Năng lượng cực đại của các electron phát ra từ vật thể dưới tác dụng của ánh sáng không phụ thuộc vào cường độ ánh sáng - nó chỉ được xác định bởi tần số của ánh sáng tới.

Einstein đi đến công thức Fotoeffect khi suy ngẫm về sự khác biệt giữa mô tả của hạt và ánh sáng: “… hóa ra lý thuyết về ánh sáng, hoạt động với các hàm không gian liên tục, sẽ dẫn đến mâu thuẫn với kinh nghiệm khi nó được áp dụng vào các hiện tượng xuất hiện và biến đổi của ánh sáng,” ông viết ở phần đầu tác phẩm với tựa đề “Về quan điểm kinh nghiệm liên quan đến sự xuất hiện và biến đổi của ánh sáng” *), được các biên tập viên của tạp chí nói trên nhận được vào ngày 18 tháng 3 năm 1905

Trong nhiều năm Einstein tiếp tục thảo luận các câu hỏi về việc liệu

6

Cho dù trường điện từ được tạo ra từ lượng tử hay, như Planck nghĩ, vấn đề chỉ là nguyên tử phát ra và hấp thụ ánh sáng theo từng phần, giống như một tác giả đo cơ thể hoặc xăng theo từng phần.

Quan điểm của Eischstein hóa ra lại đúng. Trong công trình nghiên cứu về hiệu ứng nhiếp ảnh, khái niệm hạt cơ bản - lượng tử ánh sáng - đã ra đời. Phần cơ bản đầu tiên là electron, phần thứ hai là lượng tử ánh sáng - photon. Kể từ đó, danh sách các hạt cơ bản liên tục được cập nhật.

IV. Chuyển động Brown

“Về chuyển động của hạt lơ lửng, cần thuyết động học phân tử của nhiệt” là tựa đề tác phẩm thứ hai của “năm vàng” (được Ban biên tập đón nhận ngày 11/5).

Eischstein so sánh chuyển động của một phân tử trong chất lỏng và chuyển động của một quả bóng nhỏ nổi bên trong chất lỏng này (như người ta nói, “lơ lửng”). Cả phân tử và quả cầu siêu nhỏ, chịu tác động của các phân tử khác, đều di chuyển trong dịch tai. Xem xét sự giống nhau này một cách chi tiết hơn, Eischstein, dựa trên các định luật tổng quát nhất của lý thuyết động học, đã chỉ ra rằng động năng trung bình của một phân tử chuyển động và một quả bóng phải giống nhau.

“…theo lý thuyết phân tử về nhiệt, các vật thể có kích thước cỡ 1/1000 mm, lơ lửng trong chất lỏng, trải qua chuyển động ngẫu nhiên nhìn thấy được, đó là chuyển động bắt buộc đối với chuyển động nhiệt của các phân tử. Chuyển động như vậy thực sự được quan sát bởi các nhà sinh vật học, họ gọi đó là chuyển động Brown” (trích từ một lá thư của Eischstein gửi cho người bạn Habicht vào mùa xuân năm 1905).

Một quả bóng trong chất lỏng chuyển động ngẫu nhiên vẫn sẽ hòa trộn từ từ trong chất lỏng, “khuếch tán”

7

chia" trong đó (giống như một phân tử). Einstein đã chỉ ra rằng giá trị trung bình của bình phương độ dịch chuyển của quả bóng tỷ lệ thuận với thời gian.

Einstein mô tả một lý thuyết chi tiết về chuyển động Brown muộn hơn một chút (năm 1906) trong một bài báo khác. Trong đó, ông báo cáo rằng chuyển động Brown, được các nhà vật lý khác quan sát, thực sự được mô tả rõ ràng bằng các công thức của ông. Công trình này của Einstein đã chấm dứt nhiều năm tranh luận về thực tế tồn tại của các phân tử.

V. Sự ra đời của thuyết tương đối

Nhiều nhà vật lý và toán học nổi tiếng (đặc biệt là Lorentz và Poincaré) đã nghĩ về cách mô tả các hiện tượng quang học trong một hệ tọa độ chuyển động. Einstein nêu quan điểm của mình về vấn đề này trong bài viết “Về điện động lực học của các vật chuyển động”. Nó được người biên tập nhận được vào ngày 30 tháng 7 năm 1905.

Trong cơ học, mọi hệ quán tính đều định hướng như nhau (nguyên lý Halley). Einstein bắt đầu với một giả thuyết rộng hơn: “… đối với tất cả các hệ tọa độ mà phương trình cơ học đúng, thì các định luật điện động và quang học giống nhau đều đúng…”. Và xa hơn nữa, ông mô tả lý thuyết như sau: “Chúng tôi dự định biến giả định này (nội dung của nó sẽ được gọi thêm là “nguyên tắc tương đối”) thành một điều kiện tiên quyết và, ngoài ra, đưa ra một giả định bổ sung, chỉ với giả định đầu tiên trong mọi mâu thuẫn, đó là ánh sáng trong tánh không luôn truyền đi với một tốc độ nhất định $v$, không phụ thuộc vào trạng thái chuyển động của vật thể tốt nhất…”.

Một trong những kết luận chính của lý thuyết, mà những người sau đây không muốn chấp nhận những người chỉ trích nó, là thời gian của bất kỳ quá trình vật lý nào và khoảng thời gian giữa hai quá trình của chính nó hóa ra khác với quan điểm của các hệ thống báo cáo chuyển động ở các tốc độ khác nhau. Tóm lại, trong các hệ quy chiếu khác nhau, chuyển động theo cách tương đối khác nhau, thời gian được đánh dấu khác nhau. Bây giờ đây là một thực tế được xác lập chắc chắn. Meson, “được sinh ra” ở các tầng trên của khí quyển ở độ cao khoảng 10 km, chạm tới bề mặt Trái đất. Chuyển động với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng, mezon di chuyển quãng đường này trong khoảng $10^{-4}$ s, mặc dù ở trạng thái đứng yên, mezon phân hủy trong $2 \cdot 10^{-8}$ s. Từ quan điểm của thuyết tương đối, mọi thứ đều rõ ràng: trong hệ thống nơi mez kết thúc, nó vẫn chưa có thời gian để vượt qua $2 \cdot 10^{-8}$ s. Ở lại trong thiết bị trên Trái đất, mezon phân hủy (đây chính xác là cách nó được phát hiện). Nhiều ví dụ như vậy bây giờ có thể được trích dẫn. Khám phá của Einstein đã đi vào nền tảng vững chắc của vật lý hiện đại.

Ba bức chân dung được mang vào văn phòng của Einstein: Newton, Faraday và Maxwell. Trong lý thuyết tương đối của mình, ông đã kết hợp cơ học do Newton tạo ra và các lý thuyết về điện và từ do Faraday và Maxwell tạo ra thành một khoa học duy nhất.

VI. Einstein về bản thân

《Đôi khi mọi người hỏi tôi làm thế nào tôi tạo ra được thuyết tương đối. Tôi nghĩ điều này xảy ra vì lý do sau. Một người trưởng thành bình thường không bao giờ nghĩ đến vấn đề không gian và thời gian. Anh ấy chỉ nghĩ về những điều như vậy khi còn nhỏ. Sự phát triển tinh thần của tôi hóa ra đã được thay thế, và tôi bắt đầu suy nghĩ về không gian và thời gian, chỉ có ở tuổi trưởng thành mới có thể tiếp cận được. Đương nhiên, tôi có thể hiểu vấn đề một cách điếc tai hơn một đứa trẻ có khả năng bình thường…》.

VII. Khối lượng và năng lượng

Trong công trình mà chúng ta vừa nói đến, Einstein đã rút ra một biểu thức cho khối lượng của electron đang chuyển động - những công thức xác định mối quan hệ giữa khối lượng của electron và tốc độ của nó.

Nếu lực vuông góc với tốc độ của electron (electron chuyển động theo đường tròn), thì nó hoạt động như thể khối lượng của nó (“khối lượng ngang”) bằng $\frac{m_0}{\sqrt{1-v^2/c^2}}$, trong đó $m_0$ là khối lượng nghỉ của electron (nuto-

8

khối lượng tân tinh), $v$ là tốc độ của nó.
Đại lượng $\gamma = \frac{1}{\sqrt{1 - v^2/c^2}}$ bây giờ được gọi là hệ số Lorentz.
Nếu lực hướng dọc theo vận tốc của electron (electron chuyển động theo đường thẳng), thì nó hoạt động như thể khối lượng của nó (“khối lượng dọc”) là $m_0\gamma^3/2$.

Nếu có một công tùy ý được thực hiện lên một electron (ví dụ, nếu nó chuyển động trong điện trường), thì năng lượng của nó sẽ trả về. Einstein đã chỉ ra rằng động năng $K$ của một electron có liên quan đến tỉ số tốc độ của nó

$$K = m_0(\gamma - 1)c^2.$$

Đại lượng $m_0c^2$ gọi là năng lượng nghỉ, đại lượng

$$W = m_0\gamma c^2 = \frac{m_0c^2}{\sqrt{1 - v^2/c^2}}$$

• tổng năng lượng của electron. Vậy động năng của electron bằng hiệu giữa năng lượng toàn phần và năng lượng nghỉ.

Đối với những người biết các yếu tố của phép tính vi phân, chúng tôi trình bày sự lựa chọn của công thức (2). Tổng độ biến thiên năng lượng rõ ràng bằng công, tức là tích của lực và độ dịch chuyển (hãy nhớ rằng electron chuyển động thẳng):

$$\Delta W = f\Delta x = ma\Delta x,$$

trong đó $a$ là gia tốc của electron. Thay thế $a$ bằng quan hệ $\Delta v/\Delta t$ và nhớ rằng $v = \Delta x/\Delta t$, chúng ta nhận được:

$$\Delta W = m\frac{\Delta v}{\Delta t}\Delta x = m\Delta v \cdot v,$$

hoặc, thay thế số gia bằng số chênh lệch,

$$dW/dv = mv.$$

Nếu thay $m = m_0\gamma^3/2$ và giải phương trình đơn giản này, chúng ta sẽ nhận được công thức (2). Do đó, c $W$ theo công thức tính khối lượng dọc. Hãy nhớ lại rằng lực vuông góc với vận tốc không sinh công!

Vào ngày 27 tháng 9 năm 1905, biên tập viên của tạp chí đó nhận được một ghi chú rất nhỏ từ Einstein: “Liệu quán tính của một vật có phụ thuộc vào năng lượng mà nó chứa không?” Nếu trước đó người ta nói về sự thay đổi khối lượng của một vật thể với tốc độ ngày càng tăng, thì trong lưu ý này người ta đã chứng minh rằng bất kỳ sự thay đổi nào về năng lượng của một vật thể cũng làm thay đổi khối lượng của nó: “Khối lượng của một vật thể là thước đo năng lượng chứa trong nó; nếu năng lượng thay đổi theo giá trị $L$, thì khối lượng thay đổi theo giá trị $L/(9 \cdot 10^{16})$, và ở đây năng lượng thay đổi tính bằng joules và khối lượng tính bằng kilôgam.”

Điều này thiết lập công thức $E = mc^2$, như được viết hiện nay (kích thước $c$ - m/s).

Công thức mới rất khó thử nghiệm vào thời điểm đó. Trong tác phẩm tiếp theo của mình, Einstein, đề xuất cách thay đổi tỷ lệ giữa khối lượng dọc và khối lượng ngang, đã lưu ý: “Tác giả ban đầu không thể thực hiện một thí nghiệm như vậy và sẽ rất vui nếu một trong các nhà vật lý dành nguồn lực cho phương pháp được đề xuất”. Ngày nay, các công thức của lý thuyết bề mặt tương đối đã được thử nghiệm trên máy gia tốc, trên nhiều thiết bị, nhưng vào đầu thế kỷ này, người ta cần phải hiểu toàn bộ chiều sâu của lý thuyết để tin vào chúng.

VIII. công việc của Bose

Năm 1900, Planck công bố mô hình phân bố cường độ ánh sáng trong quang phổ của một vật thể bị nung nóng. Để làm được điều này, ông phải giả định rằng ánh sáng được lượng tử phát ra và hấp thụ. Như chúng ta đã nói, năm năm sau Einstein đã chứng minh rằng lượng tử tồn tại ở dạng tự do và hành vi của chúng rất giống với hành vi của các hạt. Từ quan điểm này, công thức do Planck đề xuất có thể được ghi nhớ như một công thức xác định có bao nhiêu lượng tử với một giá trị năng lượng nhất định được phát ra từ một vật thể bị đốt nóng. Ánh sáng từ quan điểm này có thể được coi là một loại khí phoron, và sự phân bố năng lượng giữa các photon riêng lẻ của khí này (“có bao nhiêu phoron có năng lượng nhất định?”) được mô tả bằng công thức Planck. Nhưng không ai, kể cả chính Einstein, tận dụng được ý tưởng này vào thời điểm đó.

Năm 1924, Einstein nhận được thư của một nhà vật lý ở Dhaka (nay là thủ đô nước Cộng hòa Nhân dân Bangladesh). Kèm theo bức thư là một bài báo trong đó ý tưởng về lượng tử của Einstein đã được sử dụng một cách thông minh và dứt khoát. Không đi sâu vào bàn luận những vấn đề tế nhị, tác giả

9

Số liệu thống kê của Bose, chấp nhận một cách vô điều kiện giả thuyết về lượng tử ánh sáng và phân phối chúng được thu thập dưới dạng khí lý tưởng, đã rút ra công thức phân bố lượng tử theo năng lượng theo cách giống hệt như các công thức cho khí lý tưởng được rút ra trong lý thuyết động học.
Đồng thời, Bose tin rằng (mặc dù ông không nhấn mạnh điều này trong công trình của mình) rằng các lượng tử hoàn toàn giống nhau nếu chúng có cùng năng lượng. Công thức Planck được thu thập một cách tuyệt đối nghiêm ngặt. Điều này có nghĩa là giả thuyết của Einstein về thực tại lượng tử thực ra đã được chứng minh bằng công thức Planck, nhưng không ai có thể nhận ra điều này. Einstein rất vui mừng khi biết lượng tử có thể được coi như nguyên tử. Anh ấy đã dịch bài báo của Bose sang tiếng Đức và tự mình gửi nó đến tạp chí để đăng nó. Trong một ghi chú, Einstein viết: “Việc Bose rút ra công thức Planck là một thành tựu vĩ đại. Phương pháp mà ông ấy sử dụng cũng đưa ra lý thuyết lượng tử về một loại khí lý tưởng mà tôi sẽ trình bày ở phần khác.”
Anh ấy đã nhìn thấy điều gì đó hoàn toàn mới trong công thức của Bose, điều này đã đưa anh ấy đến một khám phá mới.

IX. Thống kê Bose-Einstein

Ý tưởng mà Einstein nảy ra khi đọc bài báo của Bose là nếu sử dụng giả thuyết về danh tính của các photon có cùng năng lượng, có thể rút ra công thức Planck, thì người ta có thể thử áp dụng phương pháp tương tự cho một đơn nguyên tử lượng tử lý tưởng, các nguyên tử của nó có khối lượng khác 0.

Kết quả thật tuyệt vời. Srouz ngay lập tức đưa ra các công thức mô tả tất cả các tính chất nhiệt của chất khí như vậy, và có thể, tiếp tục tương tự với các photon, để nghĩ về các tính chất sóng bất ngờ của các hạt, mà Louis de Broglie đã viết trong luận án của ông vào năm 1924.

Năm 1924, tại một hội nghị vật lý ở thành phố Isbruck của Áo, Einstein đã thu hút sự chú ý đến thực tế là lý thuyết của de Broglie ngụ ý sự tồn tại của hiện tượng nhiễu xạ và giao thoa trong các chùm phân tử.

Trong lý thuyết về khí đơn nguyên tử, ông đã sử dụng một cách hiệu quả ý tưởng lượng tử để rút ra phương trình trạng thái của khí lý tưởng lượng tử và nghiên cứu các tính chất khác của nó.

Lý thuyết mới được gọi là thống kê Bose-Einstein. Nó được tạo ra một năm trước khi cơ học lượng tử hoàn chỉnh xuất hiện. Sự phát triển sâu hơn của lý thuyết đã dẫn đến việc tạo ra lý thuyết siêu chảy và nhiều hiện tượng đáng kinh ngạc khác trong thế giới lượng tử. Nhưng bản thân Einstein cũng không hài lòng. Ông tiếp tục tin rằng phương pháp của Bose “…không có nghĩa là không thể chối cãi, nhưng dường như chỉ hợp lý do nó thành công trong trường hợp bức xạ…”. Mặc dù Einstein là người đầu tiên đưa ra giả thuyết lượng tử trong lý thuyết ánh sáng, nhưng cho đến cuối đời ông vẫn không thể áp dụng bản chất kép của hạt và bức xạ, cố gắng tìm ra một mô tả khác về thực tại. Vì vậy, cho đến cuối đời, người sáng lập thuyết lượng tử vẫn chưa thể áp dụng nó vào vật lý lượng tử hiện đại.

X. Phát xạ kích thích và tự phát

Năm 1916, tư duy của Einstein một lần nữa đưa ông đến những kết quả đáng chú ý.

Câu hỏi mà Einstein quan tâm về cơ bản rất đơn giản. Cần phải hiểu giả thuyết lượng tử phải biểu diễn các định luật phát xạ và hấp thụ ánh sáng như thế nào.

Nếu ánh sáng gồm các lượng tử - photon thì gần như chắc chắn rằng xác suất hấp thụ ánh sáng của một hạt nhất định phải lớn hơn thì lượng tử của hạt này càng lớn thì sự phát xạ ánh sáng của hạt đó càng thay đổi đáng kể?

Đáp số, do Einstein đưa ra cho câu hỏi này, sẽ trở nên dễ hiểu nếu chúng ta xem xét ví dụ sau đây từ lĩnh vực dao động cơ học. Một dây dao động sẽ hoạt động như thế nào nếu nó không liên tục ở gần

10

một sợi dây khác có dao động cùng tần số không? Nếu dao động của vảy cùng pha thì biên độ dao động của dây thứ nhất sẽ tăng lên; nếu các dao động đối nghịch nhau thì dao động của dây thứ nhất sẽ mất đi. Cả hai quá trình sẽ càng mãnh liệt thì biên độ của dây “nhà tài trợ” càng dao động nhiều hơn, các dao động của chúng được hỗ trợ bởi một nguồn năng lượng nào đó. (Nếu không có dây donor thì dao động của lớp vảy đầu tiên sẽ tắt ngay cả khi không có ma sát và toàn bộ năng lượng của nó sẽ dùng vào việc tạo ra âm thanh trong không khí.)

Một phân tích về tình huống tương tự đối với ánh sáng và nguyên tử đã khiến Einstein đi đến kết luận rằng nếu xác suất hấp thụ một lượng tử tỷ lệ thuận với số lượng tử có trong một chùm ánh sáng thì xác suất phát ra một lượng tử bao gồm hai số hạng. Tuy nhiên, một trong số đó mô tả bức xạ cảm ứng - bức xạ gây ra bởi tác động của ánh sáng lên nguyên tử (làm “làm rung chuyển” nguyên tử). Phần này tỷ lệ thuận với số lượng tử có trong chùm sáng. Số hạng thứ hai không phụ thuộc vào số lượng tử và do đó không biến mất đối với một nguyên tử trong chân không. Thuật ngữ này mô tả cái gọi là bức xạ tự phát, tức là bức xạ tự phát.

Nếu một luồng ánh sáng mạnh đi vào môi trường, tức là một lượng lớn lượng tử, thì bức xạ cảm ứng sẽ biến đổi và trở nên rất mạnh.

Nguyên lý hoạt động của laser liên quan đến sự phát xạ kích thích. Hiệu ứng được Einstein dự đoán vào năm 1916 giờ đây đã trở thành cơ sở cho một số lượng lớn thiết bị và hệ thống lắp đặt.

X1. Lý thuyết tương đối tổng quát và sự lệch hướng của ánh sáng trong trường Mặt Trời

Thật khó để nói về lý thuyết tương đối tổng quát hay lý thuyết về lực hấp dẫn. Rất ít người hiểu được ý nghĩa cơ bản của nó. Viện sĩ Landdu thích nói rằng mặc dù bản thân ông hiểu sâu sắc về thuyết tương đối rộng của Einstein, nhưng ông không thể tưởng tượng được làm sao có thể đồng ý với nó.

Nhưng một trong những câu hỏi mà Einstein bắt đầu đặt ra khá đơn giản: trường hấp dẫn, ví dụ như trường Mặt trời, ảnh hưởng như thế nào đến sự truyền ánh sáng?

Như ai đó đã nhớ rất lâu sau đó, câu hỏi này đã được quan tâm vào thế kỷ 18, và sau đó người ta đã thu được đáp số đầu tiên. Đáp số cũng đơn giản. Nếu chúng ta đồng ý với Newton rằng

11

ánh sáng là một dòng các tiểu thể thì các tiểu thể phải bay gần Mặt trời như sao chổi. Quỹ đạo của sao chổi đi qua gần Mặt trời không khó tính toán. Tính toán cho thấy nó sẽ lệch khỏi đường thẳng 0,85." Độ lệch nhỏ này được nhà thiên văn học người Đức Zolder tính toán vào năm 1801.

Năm 1915, Einstein thu được một kết quả khác: theo lý thuyết về lực hấp dẫn mà ông tạo ra, độ lệch trong trường của Mặt trời phải là 1,7." Việc “nhân đôi” có hiệu quả do thực tế là các định luật hình học Euclid không còn áp dụng gần Mặt trời và kết quả là định luật vạn vật hấp dẫn của Newton cũng thay đổi. Các vật thể ở gần Mặt trời gần với nó hơn mạnh hơn so với định luật vạn vật hấp dẫn.

Năm 1915, Einstein không còn là một chuyên gia vô danh nữa. Cả thế giới lắng nghe lời nói của ông. Ngay cả khi chiến tranh nổ ra ở châu Âu, các nhà thiên văn học đã bắt đầu thảo luận về cách quan sát độ lệch được dự đoán. Rốt cuộc, vào năm 1919 sẽ có nhật thực, trong thời gian đó người ta có thể kiểm tra xem hiệu ứng mà Einstein dự đoán có tồn tại hay không. Nhật thực được mong đợi vào ngày 29 tháng 5, khi tia sáng từ vô số ngôi sao sáng đi qua gần Mặt trời. Vào tháng 4, hai đoàn thám hiểm rời nước Anh. Một người hướng đến Brazil, người thứ hai đến đảo Prisilia ngoài khơi bờ biển phía tây châu Phi. Vào ngày 29 tháng 5, trời mưa suốt buổi sáng trên đảo, nhưng ngay trước nhật thực trời cần tạnh và đoàn thám hiểm quyết định chụp ảnh. Tuy nhiên, thời tiết đã làm tốt công việc của nó: những đám mây che khuất các ngôi sao và khi các hình ảnh được xử lý vài ngày sau đó, chỉ có một hình ảnh xác nhận rõ ràng về hiệu quả của Einstein. Hình ảnh từ Brazil đã được chuyển đến Anh. Chỉ bốn tháng sau, vào ngày 22 tháng 9 (liên lạc bưu chính thường xuyên bị gián đoạn do chiến tranh!), một tin nhắn điện thoại đến từ Lorenz từ Hà Lan: “Eddington đã phát hiện ra một hỗn hợp các ngôi sao ở rìa Mặt trời…”. Tất nhiên, không có quan sát nào có thể chứng minh một cách thuyết phục một lý thuyết, nhưng kể từ đó ít ai nghi ngờ lý thuyết của Einstein. Chỉ có một nhóm nhỏ các nhà vật lý cũ cố gắng (và hết sức kiên trì) phủ nhận kết luận của bà.

Nhưng thời của vật lý cổ điển đã qua. Hiện nay có rất nhiều sự thật xác nhận thuyết tương đối rộng. Điều quan trọng nhất đối với các nhà vật lý của thời đại chúng ta là nếu không có lý thuyết này thì không thể hiểu được Vũ trụ phát triển như thế nào.

XII. Sự tiến hóa của vũ trụ

Có lẽ điều ấn tượng nhất về tòa nhà do Einstein xây dựng là công trình vũ trụ học của ông. Năm 1917, tác phẩm có tựa đề “Câu hỏi về vũ trụ học và thuyết tương đối rộng” được xuất bản.

Công việc này nổi bật vì sự táo bạo của nó. Giống như Newton, người đã tuyên bố rằng định luật rơi của một vật thể trên Trái đất giống như các định luật điều chỉnh chuyển động của các thiên thể, Einstein tuyên bố rằng các định luật tương đối rộng, được thử nghiệm trong hệ mặt trời, có giá trị đối với toàn bộ Vũ trụ. Ông đã viết và giải được phương trình của Vũ trụ. Lời giải mà Einstein nhận được thật đáng ngạc nhiên: Vũ trụ hóa ra là đóng…

12

Tuy nhiên, khi phân tích các phương trình này, Einstein đã không tính đến tất cả những khả năng có thể xảy ra lời giải. Năm năm sau, nhà vật lý Liên Xô A. Friedman đã chỉ ra rằng các phương trình của Einstein có lời giải khác nhau, nhưng những lời giải này không mang tính thống kê - Vũ trụ đang giãn nở. Einstein ban đầu không tin Friedman và tuyên bố rằng ông đã phạm sai lầm. Vào thời điểm đó, nhà vật lý Liên Xô Yu. Krutkov đang ở Berlin, người đã thuyết phục Einstein rằng ông đã sai, và vào ngày 31 tháng 5 năm 1923, Einstein đã công bố một ghi chú nhỏ: “… Tôi tin,” ông viết, “kết quả của Friedman là chính xác và làm sáng tỏ. Hóa ra là các phương trình trường cũng vi phạm các phương trình thống kê và động học (tức là các biến theo thời gian) đối xứng tập trung lời giải đối với cấu trúc của không gian.”
Lời giải Friedman không yêu cầu Vũ trụ nhất thiết phải đóng. Dữ liệu hiện đại chỉ ra rằng Vũ trụ đang giãn nở vô hạn và tốc độ giãn nở của nó tăng theo khoảng cách xấp xỉ theo định luật

$$v = \frac{R}{T},$$

trong đó $T$ là hằng số bằng $2 \cdot 10^{10}$ năm. Định luật này được đặt theo tên của nhà thiên văn học Hubble, người đã phát hiện ra nó và hằng số $H = 1/T$ được gọi là hằng số Hubble. Sự giãn nở của Vũ trụ đã được xác nhận bằng nhiều quan sát và định luật Hubble đã được kiểm tra theo khoảng cách mà ánh sáng truyền đi trong 10-12 tỷ năm.

Vì vậy, Einstein đảm bảo “cuộc chinh phục” các quy luật của Vũ trụ, bắt đầu bởi ATON. Con người trên Trái đất đã hiểu rõ các quy luật chi phối vũ trụ. Einstein nói: “Điều khó hiểu nhất về tự nhiên là nó có thể hiểu được”.

XIII. Sóng hấp dẫn

Chúng ta hãy nói rất ngắn gọn về sóng hấp dẫn.

Người đầu tiên hiểu được rằng tương tác hấp dẫn truyền đi với tốc độ ánh sáng là Poincaré. Sự tồn tại của sóng hấp dẫn là một hệ quả đơn giản của phương trình của lý thuyết năng lượng tương đối.

Lý thuyết không bác bỏ thực tế là không có tín hiệu nào có thể truyền nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Năm 1937 (cùng với Rosen) Einstein đã nghiên cứu về mặt lý thuyết sóng hấp dẫn - công việc của ông vẫn được nhiều nhà lý thuyết tiếp tục cho đến ngày nay. Sóng hấp dẫn vẫn chưa được phát hiện, nhưng ngày đó không còn xa nữa khi tín hiệu hấp dẫn từ một thảm họa vũ trụ lớn nào đó - sự ra đời của siêu tân tinh hoặc thứ gì đó thuộc loại này - sẽ được ghi lại trên Trái đất.

Lời kết

Chúng ta kết thúc với năm 1937. Einstein không ngừng làm việc; Cho đến khi qua đời vào ngày 18 tháng 4 năm 1955, ông ngày càng đắm chìm trong những lý thuyết mới không thể bàn tới. Ông muốn tìm ra những định luật tổng quát hơn cả định luật hấp dẫn - ông đã nghiên cứu cái mà chính ông gọi là lý thuyết trường thống nhất. Những lời cuối cùng trong bài báo khoa học cuối cùng của ông là: “… bây giờ không biết làm cách nào để tìm ra cơ sở cho một lý thuyết như vậy”.

Công việc của Einstein trong những năm gần đây được đối xử khác biệt. Nhiều người tin rằng thành công đã phản bội anh, và mọi điều anh làm trong suốt những năm qua đều là sai lầm. Nhiều người thậm chí còn tin rằng bản thân bài toán không hoạt động. Điều này có đúng không? Có thể nói rằng bây giờ ý nghĩa này dường như không còn phải bàn cãi nữa. Cụm từ “lý thuyết trường thống nhất” xuất hiện ngày càng thường xuyên trên các trang tạp chí. Tất nhiên, thời gian trôi qua và con đường mới hoàn toàn không phải là con đường mà Einstein đã đi theo.

Nhưng những ý tưởng sâu sắc của Einstein không hề biến mất.

“Mọi thứ đến từ trí tuệ vĩ đại tột đỉnh của ông chỉ trong trẻo và có màu đỏ, giống như một tác phẩm nghệ thuật được chế tác khéo léo” - những lời này được Einstein viết để tưởng nhớ Lorentz, hoàn toàn áp dụng cho chính ông.