Chuyển động trong không gian có tính tương đối
Trong đời sống, chuyển động được hiểu là sự thay đổi vị trí của một vật thể cụ thể so với nền của các vật thể xung quanh. Chẳng hạn, chiếc xe chạy trên đường làm thay đổi vị trí tương đối của nó so với mặt đường và những ngôi nhà hai bên đường. Chiếc lá rụng từ trên cây xuống mặt đường là một quá trình thay đổi vị trí...
Nếu theo tiền đề cho rằng Trái đất là hệ quy chiếu tuyệt đối của vật lý Aristorle thì có nghĩa là mỗi vật thể bất kỳ đều có chuyển động độc lập, chỉ bị ràng buộc khi người ta lấy dây hay cái gì đó buộc lại với nhau.
Chẳng hạn, muốn ngựa kéo được xe thì người ta phải cột chặt nó vào xe, nếu tất cả những thanh xà và dây rợ bị chặt đứt thì ngựa cứ chạy còn xe sẽ không chuyển động nữa. Để làm rõ tính không chính xác và minh bạch trong luận điểm này, Galileo Galilei đã mô tả một thí nghiệm sau:
Một vật nặng (chẳng hạn một quả tạ sắt) được thả từ trên một cột buồm của con thuyền đang chạy trên mặt nước. Khi vật nặng được thả ra bởi người đang đứng ở đỉnh cột buồm thì thuyền vẫn đang chạy về phía trước.
Theo cách lý luận của vật lý Aristotle thì chỉ khi con thuyền đứng im vật nặng mới có thể rơi xuống đúng chân cột buồm. Còn khi thuyền chuyển động đi tới thì vận nặng sẽ bị rơi lùi về phía đuôi thuyền, thậm chí nếu thuyền đi đủ nhanh thì nó có thể rơi hẳn xuống nước vì trong quá trình vật rơi thì thuyền đã chạy được một đoạn chứ không ở vị trí cũ.
Trong thí nghiệm của Galileo, vật được thả rơi rất chính xác đúng chân cột buồm. Điều đó có nghĩa là trong quá trình rơi xuống, vật vẫn tiếp tục tham gia chuyển động tiến tới phía trước cùng với con thuyền.
Lý do là vật nặng cùng với người thả nó đang tham gia hệ quy chiếu của con thuyền. Đối với Trái đất thì toàn bộ con thuyền, vật nặng và người thả cùng chuyển động theo chiều tiến lên của con thuyền, nhưng với con thuyền thi vật nặng chỉ tham gia một chuyển động là chuyển động rơi thẳng đứng.
Như vậy, hệ quy chiếu không phải là tuyệt đối. Bản thân mỗi hệ quy chiếu đều là tương đối và mỗi chuyển động bất kỳ được xét tới phải xét trên hệ quy chiếu cụ thể chứa nó. Một vật có thể tham gia nhiều hay rất nhiều hệ quy chiếu và chuyển động của nó tại mỗi hệ quy chiếu là khác nhau.
Trong một hệ quy chiếu, vật có thể giữ nguyên vị trí (đứng im), nhưng trong mỗi hệ quy chiếu khác nó lại có thể có sự thay đổi vị trí khác nhau. Như vậy, chuyển động có tính tương đối và không gian cũng có tính tương đối.
Sau này, chuyển động của vật nặng khi đi trên con thuyền như trên cùng các chuyển động tương tự được Isaac Newton tổng kết lại thành định luật quán tính, hay còn thường gọi là định luật thứ nhất về động lực học của Newton.
Cùng với hai định luật nữa về động lực học và định luật hấp dẫn, Newton là người góp phần lớn nhất vào việc xây dựng nên hệ thống cơ học cổ điển, hay còn gọi là cơ học Newton.
Chuyển động trong thời gian có tính tương đối
Thuyết tương đối hẹp được Albert Einstein đưa ra vào năm 1905 có hai tiền đề như sau: 1- Các định luật vật lý là như nhau với mọi người quan sát chuyển động trong các hệ quy chiếu quán tính khác nhau. 2- Vận tốc ánh sáng truyền trong chân không là vận tốc lớn nhất tồn tại trong tự nhiên và là một vận tốc tuyệt đối (viết tắt là c).
Một cách đơn giản nhất để thấy được tính tương đối của thời gian khi ánh sáng có vận tốc hữu hạn là hãy hình dung như sau: Giả sử có hai ngôi sao ở cách nhau 2 năm ánh sáng và Trái đất nằm ở chính giữa chúng, tức là cách mỗi sao 1 năm ánh sáng.
Ở một thời điểm nào đó, cả hai ngôi sao này cùng phát nổ. Ánh sáng của chúng mất 1 năm để tới Trái đất và bạn thấy rằng chúng phát nổ cùng lúc. Tuy nhiên, một phi hành gia đứng trên một hành tinh cách một sao chỉ nửa năm ánh sáng và cách sao còn lại 1,5 năm ánh sáng thì lại thấy khác. Ánh sáng từ ngôi sao gần hơn chỉ mất 6 tháng để tới với anh ta còn ánh sáng từ sao xa hơn mất những 18 tháng.
Như vậy, nhà du hành sẽ thấy rằng hai sự kiện xảy ra cách nhau tới 1 năm chứ không phải đồng thời. Rõ ràng, nếu ánh sáng truyền tức thời như quan điểm của Newton thì hai sự kiện đồng thời xảy ra sẽ luôn là đồng thời với mọi người quan sát, nhưng khi vận tốc ánh sáng là hữu hạn thì không phải vậy.
Chuyển động vi mô và cơ học lượng tử
Ở trên chúng ta đã nói tới chuyển động vĩ mô, hay nói dễ hiểu hơn là những chuyển động của các vật thể có kích thước chúng ta có thể trực tiếp quan sát hàng ngày.
Tuy vậy, chúng ta cũng biết rằng vật chất tạo thành thế giới của chúng ta không phải là những khối liên tục như chúng ta có thể cảm nhận bằng các giác quan của mình, mà thực tế được tạo thành bởi những thành phần cực nhỏ mà chúng ta vẫn gọi là các hạt cơ bản.
Ngay cả khi một vật thể mà chúng ta thấy đứng im thì các hạt cơ bạn tạo thành nó cũng không ngừng chuyển động. Chuyển động của chúng tạo thành hình dạng và các tính chất của vật chất, cũng tạo thành những tương tác hay còn gọi là các lực. Những chuyển động đó được gọi chung là các chuyển động vi mô.
Vật lý hạt, nghiên cứu bản chất của các hạt cơ bản và các chuyển động vi mô này từ lâu đã là một ngành được chú trọng trong khoa học. Từ đầu thế kỉ 20, với sự xuất hiện của thuyết lượng tử do Max Planck đề xướng kéo theo sự ra đời của một lĩnh vực hoàn toàn mới gọi là cơ học lượng tử, thì việc nghiên cứu các chuyển động vi mô càng mở ra nhiều hướng đi mới và khẳng định vai trò không thể thiếu trong khoa học và thậm chí công nghệ, kỹ thuật hiện đại.
Cơ học lượng tử là một lĩnh vực phức tạp với tính định lượng cao, đòi hỏi tính ứng dụng cao nhất của toán học trước đây chưa từng có trong bất cứ lĩnh vực khoa học nào khác của nhân loại.
Cơ học lượng tử và vật lý hạt ngày nay là mũi nhọn hàng đầu trong vật lý hiện đại, các kết quả của chúng được sử dụng phục vụ trực tiếp cho việc nghiên cứu vũ trụ. Vì vậy, để hiểu được về bản chất của vũ trụ, việc nắm được những nguyên lý cơ bản của nó và tính chất của các chuyển động vi mô là không thể bỏ qua.
