Khi tôi ngồi nhìn đồng hồ trên Trạm Vũ trụ
Có một lần tôi xem livestream từ Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS), các phi hành gia đang làm thí nghiệm. Điều khiến tôi chú ý không phải thí nghiệm, mà là chiếc đồng hồ treo trên tường trạm.
Nó chạy nhanh hơn đồng hồ dưới mặt đất của tôi một chút xíu. Nghe có vẻ vô lý, nhưng đúng là như vậy.Chuyện kể rằng Einstein đã nghĩ ra thuyết tương đối khi nhìn hai chiếc đồng hồ trên hai chuyến tàu điện chạy ngang nhau ở Bern, Thụy Sĩ. Nhưng phải đến khi con người lên được vũ trụ, chúng ta mới thực sự kiểm chứng được điều đó bằng thực nghiệm.Các vệ tinh GPS phải hiệu chỉnh thời gian mỗi ngày, nếu không, sai số tích lũy sẽ khiến định vị lệch đi hàng chục mét chỉ sau một tuần. Nhưng khoan, trước khi nói sâu hơn, tôi cần phải nói rõ một điều.Thời gian trong vũ trụ không phải là một thứ đồng nhất chảy đều như chúng ta vẫn tưởng. Nó cong, nó giãn, nó co lại tùy thuộc vào nơi bạn đứng và tốc độ bạn di chuyển.Nghe như truyện khoa học viễn tưởng, nhưng đó là vật lý học thực thụ.Vì sao thời gian trên ISS chạy nhanh hơn dưới mặt đất?
Hãy tưởng tượng bạn có hai chiếc đồng hồ nguyên tử cực kỳ chính xác. Một chiếc đặt tại phòng thí nghiệm ở mặt đất, một chiếc gắn lên ISS.
Sau một năm, chiếc đồng hồ trên ISS sẽ nhanh hơn khoảng 0,007 giây. Con số này nghe nhỏ, nhưng nó đủ để chứng minh rằng thời gian không phải là tuyệt đối.
| Yếu tố ảnh hưởng | Giá trị |
|---|---|
| Tốc độ ISS quanh Trái Đất | 7,66 km/s |
| Độ cao quỹ đạo | ～400 km |
| Sai lệch mỗi ngày | +0,0000001 giây |
| Sai lệch sau 1 năm | +0,007 giây |
| Nguyên nhân chính | Vận tốc lớn |
Điều thú vị là ở đây có hai hiệu ứng đang chạy ngược chiều nhau. Do ISS di chuyển với vận tốc lớn, thời gian trên đó chậm lại theo thuyết tương đối hẹp.
Nhưng do ISS ở cao hơn, lực hấp dẫn yếu hơn, thời gian lại chạy nhanh hơn theo thuyết tương đối rộng. Kết quả cuối cùng là hiệu ứng vận tốc thắng thế, nên đồng hồ trên ISS nhanh hơn một chút.Các kỹ sư vận hành GPS phải tính toán cả hai hiệu ứng này mỗi ngày. Nếu bỏ qua, vị trí mà điện thoại của bạn hiển thị sẽ sai đi khoảng 10 km mỗi ngày.Đó là lý do vì sao tôi luôn thấy biết ơn Einstein mỗi khi mở Google Maps.Lỗ đen làm thời gian đứng yên như thế nào?
Bây giờ, hãy nói đến một nơi mà thời gian gần như ngừng trôi. Đó là chân trời sự kiện của lỗ đen.
Nếu bạn có một người bạn phi hành gia bay vào lỗ đen (dĩ nhiên là không nên làm vậy), và bạn đứng từ xa quan sát, bạn sẽ thấy điều kỳ lạ.
| Vị trí quan sát | Hiện tượng quan sát được |
|---|---|
| Người ở xa lỗ đen | Thấy phi hành gia chậm dần |
| Người ở gần chân trời sự kiện | Thời gian gần như đứng yên |
| Người rơi vào lỗ đen | Không cảm nhận gì bất thường |
Khi bạn ở xa quan sát, đồng hồ của phi hành gia kia sẽ chạy chậm dần khi anh ta tiến gần đến lỗ đen. Ánh sáng phản chiếu từ anh ta cũng bị dịch chuyển đỏ, nghĩa là tần số sóng ánh sáng giảm xuống.
Đến một lúc nào đó, anh ta dường như đứng yên hoàn toàn ở chân trời sự kiện, và rồi biến mất hoàn toàn. Nhưng bản thân người phi hành gia đó lại không cảm nhận được điều gì bất thường.Với anh ta, thời gian vẫn chảy bình thường. Anh ta chỉ cảm thấy lực thủy triều ngày càng mạnh, và sau đó...thì không còn gì để cảm nhận nữa. Đây chính là lúc thuyết tương đối trở nên khó hiểu với trực giác thông thường của chúng ta.Thời gian của photon và hạt không khối lượng
Có một câu hỏi mà tôi từng đọc ở đâu đó: photon có trải nghiệm thời gian không? Câu trả lời ngắn gọn là không.
Nhưng để hiểu tại sao, chúng ta cần nhìn vào công thức toán học của thuyết tương đối hẹp. Khi một vật thể tiến gần đến tốc độ ánh sáng, thời gian của nó giãn ra vô hạn theo quan sát từ bên ngoài.Ánh sáng di chuyển với tốc độ ánh sáng, nên theo lý thuyết, thời gian của một photon là bằng không. Từ lúc phát ra từ một ngôi sao cách chúng ta 13 tỷ năm ánh sáng đến lúc chạm vào mắt bạn, photon đó không hề trải qua bất kỳ khoảnh khắc nào.| Loại hạt | Tốc độ di chuyển | Trải nghiệm thời gian |
|---|---|---|
| Photon | Bằng tốc độ ánh sáng | Không có |
| Neutrino | Gần bằng tốc độ ánh sáng | Gần như không có |
| Con người | Rất chậm so với ánh sáng | Bình thường |
Điều này dẫn đến một nghịch lý thú vị. Khi bạn nhìn lên bầu trời đêm và thấy ánh sáng từ một ngôi sao xa xôi, bạn đang nhìn vào quá khứ.
Nhưng với chính photon đó, hành trình 13 tỷ năm chỉ là một khoảnh khắc tức thời. Nó phát ra từ ngôi sao và chạm vào võng mạc của bạn gần như cùng một lúc trong hệ quy chiếu của nó.Không gian và thời gian thực chất là một
Tôi nhớ có lần đọc một bài báo khoa học phổ thông, họ viết rằng chúng ta không nên nghĩ về không gian và thời gian như hai thứ riêng biệt. Thực tế, chúng là một khối liên tục gọi là không-thời gian.
Khi bạn di chuyển trong không gian, bạn cũng đang di chuyển trong thời gian, và hai thứ này không thể tách rời.| Khái niệm | Cách hiểu thông thường | Cách hiểu theo thuyết tương đối |
|---|---|---|
| Không gian | Nơi mọi vật tồn tại | Một chiều của không-thời gian |
| Thời gian | Dòng chảy tuyến tính | Một chiều của không-thời gian |
| Trọng lực | Lực hút giữa các vật | Độ cong của không-thời gian |
Khi bạn đứng trên mặt đất, bạn không hề đứng yên. Bạn đang di chuyển trong không-thời gian với tốc độ ánh sáng.
Phần lớn chuyển động đó là dọc theo trục thời gian. Nhưng khi bạn tăng tốc trong không gian, bạn đang đánh đổi chuyển động trong thời gian để lấy chuyển động trong không gian.Đó là lý do vì sao thời gian chậm lại khi bạn di chuyển nhanh. Nếu bạn muốn áp dụng điều này vào thực tế, hãy nhớ rằng mỗi chuyến bay dài xuyên lục địa khiến bạn già đi chậm hơn một chút so với người ở lại mặt đất.Không đáng kể, nhưng về mặt nguyên tắc, nó có thật. Các phi hành gia sống trên ISS trong một năm sẽ trẻ hơn khoảng 0,007 giây so với nếu họ ở dưới mặt đất.Nghe thì buồn cười, nhưng đó là cách vũ trụ vận hành.Câu hỏi mở Thời gian có thực sự tồn tại không?
Nếu bạn đã đọc đến đây, có lẽ bạn đang tự hỏi: vậy rốt cuộc thời gian là gì? Các nhà vật lý vẫn đang tranh luận về điều này.
Một số người tin rằng thời gian chỉ là một ảo giác do ý thức tạo ra. Những người khác cho rằng thời gian thực sự tồn tại như một chiều vật lý.| Quan điểm | Nội dung chính | Đại diện tiêu biểu |
|---|---|---|
| Thuyết khối | Quá khứ, hiện tại, tương lai cùng tồn tại | Einstein |
| Thuyết hiện tại | Chỉ hiện tại là có thật | Các nhà triết học |
| Thuyết vòng | Thời gian có thể lặp lại | Một số mô hình vũ trụ học |
Einstein từng viết trong thư chia buồn cho gia đình người bạn quá cố rằng: "Đối với chúng ta, những nhà vật lý tin tưởng, sự phân biệt giữa quá khứ, hiện tại và tương lai chỉ là một ảo tưởng bền bỉ." Nhưng liệu điều đó có nghĩa là mọi thứ đều đã được định sẵn? Câu hỏi này vẫn chưa có lời giải đáp thỏa đáng.
Còn với tôi, sau khi tìm hiểu về thời gian trong vũ trụ, tôi nhận ra một điều đơn giản. Đồng hồ trên tay tôi, lịch trên điện thoại, những cái Tết, những mùa xuân...tất cả đều là những công cụ do con người tạo ra để đo lường một thứ mà chúng ta chưa thực sự hiểu hết. Nhưng điều đó không khiến thời gian kém thật.Nó chỉ khiến tôi tò mò hơn về những gì đang chờ đợi phía trước trong hành trình khám phá vũ trụ này.