Tại sao phát hiện ra phương trình E = mc² lại có tên trong 100 phát hiện khoa lhocj vĩ đại nhất?

Suốt một thời gian dài trong lịch sử, mọi người đều cho rằng: vật chất và năng lượng là hai khái niệm riêng biệt và không hề liên quan đến nhau. Thế nhưng sau đó, Albert Eintein lại xác định mối quan hệ giữa vật chất và năng lượng bằng một phương trình nổi tiếng mang tính lịch sử: E = mc² (tầm quan trọng của phương trình nay chỉ đứng sau phương trình A² = B² + C² biểu thị mối quan hệ giữa các cạnh trong tam giác vuông cảu Pythagorean Theorem).

Phương trình của Albert Einstein là phương trình đầu tiên có thể định nghĩa được về quan hệ lượng giữa vật chất và năng lượng. Điều này có nghĩa là hai định lượng từng được cho là riêng biệt này lại có thể hoán đổi cho nhau. Phương trình này đã thay đổi hướng nghiên cứu của ngành vật lý, giúp Michelson tính toán ra con số gần đúng của vận tốc ánh sáng (năm 1928), đồng thời nó cũng trực tiếp dẫn đến sự ra đời của phát minh ra bom hạt nhân và sự phát triển năng lượng hạt nhân.

Phương trình E = mc² đã được xây dựng như thế nào?

Năm 1903, khi Albert Einstein 20 tuổi, ông là nhân viên làm việc trong Cục sáng chế Thụy Sĩ. Công việc của ông là phụ trách kiểm tra lỗi kỹ thuật trong các yêu cầu xin cấp bằng sáng chế. Mặc dù có niềm khao khát cháy bỏng được dấn thân vào sự nghiệp nghiên cứu khoa học nhưng Einstein vẫn chưa thực hiện được ước mơ ấy. Enstein đã phải sống cuộc sống khá khó khăn tại Berne Thụy Điển, xem ra cả đời ông sẽ phải gắn với cuộc sống đó. Tuy không có cơ hội được giáo dục chính quy, nhưng ông vẫn tranh thủ thời gian mày mò nghiên cứu về toán học và vật lý. Ông dành tất cả thời gian rảnh rỗi của mình để suy ngẫm về các vấn đề hóc búa đang làm đau đâu các nhà vật lý học hiện thời.

Albert Einstein đã làm việc với một phương pháp sở trường gọi là “thí nghiệm tư duy”. Ông luôn cố gắng tìm kiếm những hình ảnh sinh động hiện ra trong đầu mình với huy vọng có thể phát hiện ra những góc nhìn mới mẻ cùng những manh mối để lý giải những hiện tượng vật lý phức tạp. Ông đã vận dụng những cơ sở toán học thuần thục của mình để giải thích những hình ảnh, nghiên cứu những ý nghĩa vật lý bao hàm trong đó.

Trước năm 1904, Einstein tập trung nghiên cứu quan hệ giữa ánh sáng không gian và thời gian với mục đích mở rộng lĩnh vực nghiên cứu vật lý đương thời. Ông có thể chứng minh được ánh sáng tồn tại dưới hai dạng: dạng sóng và dạng hạt(hạt ánh sáng hoặc lượng tử, chúng ta gọi là “photon” nó có nghĩa là lượng tử ánh sáng).

Trải qua quá trình nghiên cứu miệt mài. Einstein đã đưa ra được khái niệm về “thuyết tương đối”. Einstein đã đưa ra được khái niệm về “thuyết tương đối”. Einstein cũng đã nghiên cứu chúng dưới góc độ của toán học, và kết quả ông thu được cũng thật bất ngờ: thời gian và không gian đều có tính đàn hồi. Nếu vật tăng tốc sẽ tỉ lệ nghịch với thời gian. Vật thể sẽ tăng tốc sẽ tỉ lệ nghịc với thời gian. Vật thể sẽ tăng về khối lượng khi chúng tới gần hơn với tốc độ ánh sáng. Thuyết tương đối của Einstein đã xây dựng nên mối quan hệ trực tiếp giữa không gian và thời gian. Ông chỉ ra rằng: chúng có hiện tượng lệch khi quay quanh vật nặng (giống như các hành tinh). Chúng ta có thể đo được chúng với mức độ tương đối nhưng không bao giờ có thể đo được một cách tuyệt đối.

Xuất phát từ nền tảng lý luận này, Einstein đã tiếp tục mở rộng nghiên cứu trên phương diện toán học và thu được kết quả: khi một vật thể tiến gần hơn đến tốc độ ánh sáng, khối lượng của chúng tăng lên, thời gian và độ dài thì giảm xuống. Quan điểm này sau đó đã được chứng thực bởi một đồng hồ đo chính xác trên máy bay phản lực.

Nếu như khi tăng tốc độ vật chất có sự biến đổi thì giữa chúng và năng lượng chắc chắn có tồn tại một mối liên hệ. Einstein nhận thấy thuyết tương đối của mình đã chỉ rõ vật chất phải là một dạng năng lượng có độ cô đặc cao. Và ông cho rằng mình có thể xây dựng nên một phương trình toán học giữa vật chất và năng lượng.

Einstein nhận thấy lý luận mang tính đột phá này của ông đã đi ngược lại với định luật bảo toàn khối lượng đã được công nhận (Lavoisier năm 1789) và định luật bỏa toàn năng lượng (Hemholtz năm 1847). Einstein cho rằng hai nhà khoa học lớn này đã sai lầm, năng lượng và vật chất đều không thể đơn độc bảo toàn. Nhưng nếu chúng kết hợp lại với nhau thì tổng năng lượng trong hệ thống năng lượng vật chất này sẽ được bảo toàn. Ông giả thiết, nếu thuyết tương đối của ông là một miếng bánh ngọt, thì phương trình tính năng lượng và vật chất ( E = mc²) chính là lớp đường bao phủ trên bề mặt chiếc bánh đó. Ông đã công bố bản luận văn trình bay bề phương trình này như là một suy nghĩ đơn giản cho giai đoạn tiếp theo của thuyết tương đối. Sở dĩ Einstein tâm đắc với phương trình này là bởi nó là vấn đề đáng được chú ý trong lĩnh vực vật lý và khoa học, nó có tác dụng vẽ ra con đường chuyển hóa qua lại giữa vật chất và năng lượng. Lúc này, Einstein không hề cho rằng phương trình đó lại có ý nghĩa đặc biệt quan trọng.

Tuy nhiên, các nhà khoa hcoj khác nhanh chóng nhận ra tầm quan trọng của phương trình này trong lĩnh vực nghiên cứu chế tạo vũ khí và sản xuất nguyên tử. Đối với công trình khám phá vĩ đại của Einstein, Aldous Huxley đã phải thốt lên rằng: “Thế giới không chỉ kỳ diệu như chúng ta hằng nghĩ mà sự kỳ diệu của nó vượt xa mọi tưởng tượng của chúng ta”.

schoolnet@