Albert Einstein nhà vật lý thiên tài người Đức, người được xem là một trong hai trụ cột của vật lý hiện đại. Ông được cả thế giới biết đến nhờ phương trình về sự tương đương giữa khối lượng và năng lượng E = mC2, hãy cùng tìm hiểu chi tiết về ý nghĩa và ứng dụng trong cuộc sống của nó thông qua bài viết sau.
Nguồn gốc của phương trình nổi tiếng E = mC2
Những năm đầu của thế kỷ XX, Einstein đã bắt đầu nghiên cứu về quan hệ giữa ánh sáng không gian và thời gian. Mục đích của ông là góp phần mở rộng lĩnh vực nghiên cứu của vật lý học đương thời. Trong quá trình nghiên cứu, ông đã khám phá ra thuyết tương đối hẹp khởi nguồn của vật lý lượng tử hiện đại.
Nhà vật lý thiên tài người Đức Albert Einstein
Với sự nghiên cứu cải tiến miệt mài của mình, Thuyết tương đối rộng cũng đã được Einstein cho ra đời để mô tả về vũ trụ bản nguyên. Bên cạnh đó, khi nghiên cứu dưới góc độ toán học, ông đã thu được kết quả, đó là tính đàn hồi của thời gian và không gian. Trong đó, ông cho rằng vật thể tăng tốc thì tỉ lệ nghịch với thời gian. Khối lượng của vật thể sẽ tăng khi vận tốc của chúng tiến gần hơn với tốc độ ánh sáng. Qua đó, lần đầu tiên xuất hiện mối quan hệ giữa không gian và thời gian.
Từ mối quan hệ này, ông cho rằng không gian và thời gian chỉ đo được một cách tương đối mà không bao giờ có thể đo được một cách tuyệt đối. Ông đã tiếp tục nghiên cứu trên phương diện toán học và đạt được kết quả đó là khi vận tốc của một vật tiến gần hơn so với tốc độ ánh sáng, thì khối lượng của vật đó tăng lên và thời gian, độ dài thì tỷ lệ nghịch với khối lượng. Điều này đã được chứng minh bởi thực nghiệm thông qua số đo chính xác của một đồng hồ trên máy bay phản lực.
Nếu tốc độ của một vật thay đổi thì giữa chúng phải có một mối liên hệ nào đó. Và thuyết tương đối của Einstein đã chỉ rõ vật chất phải là một vật có độ cô đặc cực kỳ cao. Từ đó ông bắt đầu xây dựng nên một phương trình toán học thể hiện mối liên hệ giữa vật chất và năng lượng. Ông đã công bố trên một tờ báo về kết quả nghiên cứu của mình. Tuy nhiên, lúc bấy giờ ông lại không thể ngờ rằng phương trình này lại có một ý nghĩa đặc biệt quan trọng, quyết định đến vận mệnh của toàn thế giới.
Mãi đến năm 1939, lúc đó phương trình E = mc2 vẫn chỉ nằm trên giấy tờ lý thuyết. Một cột mốc lịch sử đã xảy ra đó Đức quốc xã bị trục xuất khỏi châu Âu. Lúc này, Einstein đã sang Mỹ và nhập quốc tịch ở đây. Với tin tức ông biết được rằng Đức quốc xã đang nghiên cứu một loại vũ khí cực kỳ nguy hiểm có sức công phá cực kỳ khủng khiếp, vì vậy ông đã viết một lá thư cảnh báo Tổng thống Mỹ về vấn đề này, nội dung của bức thư như sau:
Những công trình nghiên cứu mới đây của E. Fermi và Lzilard mà tôi đã nhận được bản thảo, đã khiến tôi nghĩ rằng trong tương lai rất gần, chất uranium có thể biến thành một nguồn năng lượng mới mẻ và quan trọng. Sự mới mẻ này có thể dẫn tới việc chế tạo bom, và tôi tin rằng chỉ với một trái bom thuộc loại đó, trang bị ở tàu chiến và cho nổ ở cảng biển có thể công phá toàn bộ khu vực cảng và các vùng lân cận.
Với lá thư mà Einstein gửi cho Roosevelt đã dẫn tới sự ra đời của dự án bom nguyên tử Manhattan sau này. Dựa vào lý thuyết về sự tương đương giữa khối lượng và năng lượng, chỉ với 5 năm sau thì quả bom nguyên tử đầu tiên đã được thử nghiệm ở Almagordo Reservation (New Mexico). Trong chiến tranh thế giới thứ hai, Mỹ đã thả 2 quả bom nguyên tử xuống Hiroshima và Nagasaki xuống Nhật Bản, buộc phe phát xít Nhật đầu hàng vô điều kiện.
Hiểu chi tiết về phương trình E = mc2
Trong đó, E là năng lượng, m là khối lượng và c là tốc độ ánh sáng trong chân không. Để hiểu rõ hơn thì ta sẽ cùng tìm hiểu chi tiết về các đại lượng.
Tác phẩm điêu khắc nổi tiếng về công thức của Einstein
Một là, năng lượng là một dạng vật chất, tồn tại xung quanh chúng ta ở nhiều dạng như năng lượng nhiệt, điện, hạt nhân, hóa học,… Và năng lượng là một loại vật chất không thể thiếu trong đời sống xã hội của chúng ta.
Hai là, khối lượng được hiểu là sức nặng của một vật trên mặt đất. Là thước đo biểu thị số lượng vật chất tạo thành một vật thể. Trong công thức E = mc2, thì khối lượng là một đại lượng không đổi.
Ba là, tốc độ ánh sáng với cách nói tổng quát đó là tốc độ lan truyền của bức xạ điện từ trong chân không. Các thí nghiệm thực tế đã chứng minh rằng trong chân không ánh sáng di chuyển với tốc độ không đổi. Giá trị thực là c = 299 792 458 m/s (nó xấp xỉ 3.10^8 m/s).
Công thức về sự tương đồng giữa khối lượng và năng lượng cho thấy trong một khối lượng chất nhất định sẽ có bao nhiêu năng lượng. Và chỉ với một lượng vật chất rất nhỏ cũng chứa một nguồn năng lượng rất lớn.
Ứng dụng của phương trình E = mc2 vào thực tế
Một là, tăng hiệu quả của quá trình chuyển hóa năng lượng dựa vào công thức năng lượng của Einstein. Dựa vào công thức đó, có thể thấy rằng năng lượng của hạt nhân nguyên tử lớn hơn nhiều so với các electron của nguyên tử đó. Và khi bị phá vỡ thì năng lượng được giải phóng từ hạt nhân lớn hơn năng lượng được giải phóng từ sự đứt gãy các liên kết electron.
Hiện nay, phần lớn năng lượng mà con người sử dụng được cung cấp từ quá trình đốt cháy than đá, khí ga trong tự nhiên. Khi đó thì sự liên kết của các electron hóa trị của những nhiên liệu này sẽ bị đứt gãy, từ đó giải phóng ra năng lượng. Và cách này thì không chỉ kém hiệu quả rõ rệt mà còn gây ra những hậu quả khó lường cho môi trường, rõ hơn là tình trạng biến đổi khí hậu, trái đất nóng lên hiện nay. Và nhờ vào công thức của Einstein, các lò năng lượng hạt nhân sẽ cung cấp một nguồn năng lượng lớn đáp ứng nhu cầu cho con người dựa vào sự phân hạch của các nguyên tử.
Sức tàn phá quả bom nguyên tử được thả xuống Nhật Bản
Hai là, xác định tuổi cổ vật bằng đồng vị phóng xạ Carbon 14. Bản chất của phương pháp này là dựa vào quá trình phân rã phóng xạ theo công thức E = mc2 mà Einstein đã đưa ra. Và công trình này đã giúp Willard F.Libby (1908 - 1980) đạt giải Nobel Hóa học năm 1960. Và còn rất nhiều ứng dụng khác mà dựa vào công thức của nhà thiên tài vật lý đã đưa ra phục vụ cho cuộc sống của con người.
Mặc dù, việc Einstein đưa ra công thức cùng với bức thư gửi tổng thống Mỹ đã gián tiếp khiến cho Nhật Bản phải hứng chịu thảm họa hạt nhân, cùng các vấn đề chiến tranh hạt nhân đe dọa hòa bình trên thế giới hiện nay. Nhưng cũng không thể phủ nhận những đóng góp của ông trong khoa học vật lý nói riêng và ứng dụng của công thức E = mc2 cho đời sống con người.
Nguồn tham khảo:
- Wikipedia - Bách khoa toàn thư mở.
