Khi bàn về thời gian, bạn rất dễ nhanh chóng bị lạc vào sự phức tạp của chủ đề. Thời gian ở xung quanh chúng ta - nó luôn tồn tại và là cơ sở để chúng ta ghi nhận lại sự sống trên Trái Đất. Đó là hằng số giữ cho thế giới, Hệ Mặt Trời và thậm chí cả vũ trụ hoạt động đều đặn.
Các nền văn minh trỗi dậy rồi suy tàn, các ngôi sao sinh ra và chết đi, và phương pháp để theo dõi mọi sự kiện trong vũ trụ và trên Trái Đất của chúng ta là so sánh chúng với độ dài thời gian của hiện tại. Nhưng thời gian có thực sự là một hằng số không? Thời gian có thực sự đơn giản như một chuyển động từ giây này sang giây khác không?
Khoảng 13,8 tỷ năm trước, vũ trụ được sinh ra, và kể từ đó thời gian trôi đi cho đến ngày nay, chứng kiến việc tạo ra các thiên hà và sự giãn nở của không gian. So với vũ trụ, thật khó khăn khi nhận ra rằng loài người chúng ta thực sự mới chỉ trải qua một khoảng thời gian vô cùng ngắn. Với Trái Đất có thể là 4,5 tỷ năm tuổi, nhưng con người hiện đại mới chỉ sinh sống trên hành tinh này trong khoảng 300.000 năm – tức là chỉ bằng 0,002% tuổi của vũ trụ. Bạn đã cảm thấy mình nhỏ bé và tầm thường chưa? Ở thang vũ trụ, chúng ta là hoàn toàn không đáng kể.
Vào thế kỷ 17, nhà vật lý Isaac Newton coi thời gian như một mũi tên bắn ra từ cây cung, đi theo đường thẳng, thẳng mãi và không bao giờ lệch khỏi đường đi của nó. Đối với Newton, một giây trên Trái Đất cũng bằng một giây trên Sao Hỏa, Sao Mộc hay bất cứ nơi nào khác trong không gian. Ông tin rằng không thể phát hiện được chuyển động tuyệt đối, có nghĩa là không có thứ gì trong vũ trụ có vận tốc không đổi, kể cả ánh sáng. Bằng cách áp dụng lý thuyết này, ông đã có thể giả định rằng nếu vận tốc ánh sáng có thể thay đổi, thì thời gian phải không đổi. Thời gian phải trôi qua từ giây này sang giây tiếp theo, không có sự khác biệt giữa độ dài của hai giây bất kỳ.
Tuy nhiên, vào năm 1905, Albert Einstein khẳng định rằng vận tốc ánh sáng là không đổi, nó là một hằng số, có giá trị khoảng 300.000 km/s. Ông mặc định rằng thời gian giống như một dòng sông, nhấp nhô, có dòng chảy phụ thuộc vào tác động của lực hấp dẫn và không-thời gian. Thời gian sẽ tăng tốc hoặc chậm lại xung quanh các vật thể vũ trụ có khối lượng và vận tốc khác nhau, và do đó một giây trên Trái Đất sẽ khác với một giây ở những nơi khác trong vũ trụ.
Điều này đặt ra một vấn đề. Nếu vận tốc ánh sáng thực sự là một hằng số, thì phải có một số biến số thay đổi trong những khoảng cách lớn của vũ trụ. Với vũ trụ đang giãn nở cùng các hành tinh và thiên hà chuyển động ở quy mô khổng lồ, cần phải có thứ gì đó cho phép những dao động nhỏ này xảy ra. Và biến số này phải là thời gian.
Cuối cùng lý thuyết của Einstein không chỉ được coi là sự thật mà còn được chứng minh là hoàn toàn chính xác. Vào tháng 10 năm 1971, hai nhà vật lý tên là JC Hafele và Richard Keating bắt đầu chứng minh tính đúng đắn của nó. Để làm được điều này, họ đã gắn bốn chiếc đồng hồ nguyên tử trên các máy bay bay vòng quanh thế giới, theo hướng Đông và sau đó là hướng Tây. Theo lý thuyết của Einstein, khi so sánh với đồng hồ nguyên tử trên mặt đất - trong trường hợp này là tại Đài quan sát Hải quân Hoa Kỳ ở Washington, DC - đồng hồ trên không của Hafele và Keating sẽ chậm hơn khoảng 40 nano giây sau chuyến đi về phía Đông và nhanh hơn khoảng 275 nano giây (1 nano giây có độ dài bằng 1 phần tỷ của giây) sau chuyến đi về phía Tây. Thật đáng kinh ngạc, những chiếc đồng hồ đã thực sự ghi nhận sự khác biệt khi di chuyển về phía Đông và phía Tây trong chyến bay vòng quanh thế giới - chậm hơn khoảng 59 nano giây và nhanh hơn 273 nano giây, tương ứng khi so sánh với Đài quan sát Hải quân Hoa Kỳ. Điều này đã chứng minh rằng Einstein đúng, cụ thể là với lý thuyết về sự co giãn thời gian của ông.
Điều gì xảy ra trong thời gian co giãn?
Thuyết tương đối hẹp có ý nghĩa gì về mặt thời gian? Trước tiên, hãy xem lời giải thích của chúng tôi về thuyết tương đối hẹp để thực sự nắm bắt được sự co giãn của thời gian.
Thực tế là, Newton và Einstein đã đồng ý với nhau về một điều - đó là thời gian trôi về phía trước. Cho đến nay, không có bằng chứng về bất cứ thứ gì trong vũ trụ có thể né tránh thời gian và đi lùi lại theo ý muốn. Mọi thứ cuối cùng đều di chuyển về phía trước theo thời gian, có thể là với tốc độ đều đặn hoặc bị bẻ cong đôi chút khi tiệm cận vận tốc ánh sáng. Nhưng tại sao thời gian lại trôi qua? Đến nay việc đó chưa thể chắc chắn, nhưng có một số lý thuyết giải thích về tính một chiều của thời gian. Một trong số đó là nguyên lý thứ hai của nhiệt động học.
Nguyên lý này cho biết mọi thứ trong vũ trụ đều có xu hướng chuyển trạng thái từ entropi thấp đến cao, hoặc từ đồng nhất sang hỗn loạn, bắt đầu với sự đơn giản ở Big Bang và chuyển sang sự sắp xếp gần như là ngẫu nhiên của các thiên hà với những cư dân của chúng trong hiện tại. Đây được gọi là "mũi tên của thời gian", được đề xuất bởi nhà thiên văn học người Anh Arthur Eddington vào năm 1928. Eddington cho rằng thời gian là bất đối xứng, ông viết trong "Bản chất của thế giới vật lý" vào năm 1928 như sau: "Nếu khi chúng ta đi theo mũi tên, chúng ta tìm thấy ngày càng nhiều yếu tố ngẫu nhiên trong trạng thái của thế giới, thì tức là mũi tên đang hướng tới tương lai; nếu yếu tố ngẫu nhiên giảm, mũi tên sẽ chỉ về quá khứ ". Ví dụ, nếu bạn quan sát một ngôi sao gần như đồng nhất, nhưng sau đó thấy nó phát nổ dưới dạng supernova và trở thành một tinh vân phân tán, bạn sẽ biết thời gian đã chuyển nó từ trật tự sang hỗn loạn.
Một giả thuyết khác cho rằng thời gian trôi qua là do sự giãn nở của vũ trụ. Khi vũ trụ giãn nở, nó kéo theo thời gian, vì không gian và thời gian được liên kết làm một; nhưng điều này có nghĩa là nếu vũ trụ đạt đến giới hạn giãn nở theo lý thuyết và bắt đầu co lại, thì thời gian sẽ đảo ngược - một nghịch lý nhỏ đối với các nhà khoa học và thiên văn học. Liệu thời gian có thực sự lùi lại phía sau, với mọi thứ quay trở lại thời đại của sự đơn giản và kết thúc bằng Big Crunch? Chúng ta chưa thể chắc chắn được điều gì nhưng các nhà khoa học có thể xác định được điều gì là có thể xảy ra.
Thật khó tin khi nghĩ về những tiến bộ mà nhân loại đã đạt được đối với sự hiểu biết về thời gian trong thế kỷ qua. Từ đồng hồ Mặt Trời thời cổ đại cho đến đồng hồ nguyên tử hiện đại ngày nay, chúng ta có thể theo dõi thời gian trôi qua của một giây chính xác hơn bao giờ hết. Thời gian vẫn là một chủ đề phức tạp, nhưng nhờ tầm nhìn khoa học, chúng ta đang tiến gần hơn đến việc mở khóa những bí mật.
Một hình vẽ mô phỏng về mũi tên thời gian.
Tầm quan trọng của thuyết tương đối hẹp của Einstein
Thuyết tương đối hẹp của Einstein dựa trên một thực tế quan trọng: Vận tốc của ánh sáng là không đổi khi bạn nhìn vào nó. Để áp dụng điều này vào thực tế, hãy tưởng tượng bạn đang đi trên một chiếc ô tô với vận tốc 32 km/h và bạn lái xe qua một người bạn đang đứng yên. Khi bạn vượt qua họ, bạn ném một quả bóng ra phía trước xe với vận tốc 16 km/h. Đối với bạn của bạn, vận tốc của quả bóng kết hợp với vận tốc của ô tô, và như vậy dường như đang di chuyển với vận tốc 48 km/h. Tuy nhiên, so với bạn, quả bóng chỉ di chuyển với vận tốc 16 km/h, vì bạn đang di chuyển với vận tốc 32 km/h.
Bây giờ hãy tưởng tượng cùng một kịch bản, nhưng lần này bạn vượt qua người bạn đứng yên của mình khi đang di chuyển với vận tốc bằng một nửa vận tốc ánh sáng. Bằng cách nào đó, người bạn của bạn có thể quan sát bạn khi bạn đi qua. Lần này bạn chiếu một chùm ánh sáng ra khỏi kính chắn gió ô tô. Trong phép tính trước đây, chúng ta đã cộng vận tốc của quả bóng và chiếc xe với nhau để hình dung xem bạn của bạn đã nhìn thấy gì, vì vậy trong trường hợp này, bạn của bạn có nhìn thấy chùm ánh sáng truyền đi với vận tốc gấp rưỡi vận tốc ánh sáng hay không?
Theo Einstein, câu trả lời là không. Vận tốc ánh sáng luôn không đổi, và không gì có thể truyền đi nhanh hơn nó. Trong trường hợp này, cả bạn và bạn của bạn đều sẽ nhìn thấy nó được truyền đi với vận tốc 300.000 km/s. Đây chính là thuyết tương đối hẹp, và nó rất quan trọng khi nói về thời gian.
Đọc tham khảo thêm: Thuyết tương đối và việc khắc phục những hạn chế của cơ học Newton.
Thời gian: Chiều thứ tư của vũ trụ
Người ta từng cho rằng không gian và thời gian là tách biệt, và vũ trụ chỉ đơn thuần là một tổ hợp các thiên thể vũ trụ được sắp xếp theo ba chiều. Tuy nhiên, Einstein đã đưa ra khái niệm về chiều không gian thứ tư - thời gian - điều đó có nghĩa là không gian và thời gian có mối liên hệ chặt chẽ với nhau. Thuyết tương đối rộng cho rằng không-thời gian giãn nở và co lại tùy thuộc vào động lượng và khối lượng của vật chất gần đó. Lý thuyết đã có cơ sở, nhưng tất cả những gì cần thiết là bằng chứng.
Bằng chứng đó có sự hỗ trợ của tàu thăm dò trọng lực B của NASA , chứng minh rằng không gian và thời gian thực sự có mối liên hệ với nhau. Bốn con quay hồi chuyển được hướng về phía một ngôi sao ở rất xa, và nếu lực hấp dẫn không ảnh hưởng đến không gian và thời gian, chúng sẽ vẫn bị khóa ở vị trí cũ. Tuy nhiên, các nhà khoa học đã quan sát thấy rõ ràng hiệu ứng "kéo khung" do lực hấp dẫn của Trái Đất, có nghĩa là các con quay hồi chuyển đã bị kéo ra khỏi vị trí dù rất nhẹ. Điều này dường như chứng minh rằng bản thân cấu trúc của không gian có thể bị thay đổi, và nếu không gian và thời gian được liên kết với nhau, thì bản thân thời gian có thể bị kéo giãn và co lại bởi lực hấp dẫn.
Bao lâu là một giây?
Có hai cách đo thời gian chính: thời gian động lực và thời gian nguyên tử. Phương pháp thứ nhất dựa vào chuyển động của các thiên thể, bao gồm cả Trái Đất, để theo dõi thời gian, cho dù đó là thời gian quay của một ngôi sao ở xa như một pulsar, chuyển động của một ngôi sao trên bầu trời đêm của chúng ta hay chuyển động của Trái Đất. Tuy nhiên, các phương pháp này không phải lúc nào cũng hoàn toàn chính xác.
Định nghĩa cũ về giây dựa trên chuyển động tự quay của Trái Đất. Vì ngày nào Mặt Trời cũng mọc lên ở phía Đông và lặn xuống ở phía Tây nên một ngày gần như được chia tùy ý thành 24 giờ, một giờ thành 60 phút và một phút thành 60 giây. Tuy nhiên, Trái Đất quay không đều. Vòng quay của nó giảm với vận tốc khoảng 30 giây sau mỗi 10.000 năm do các yếu tố như ma sát thủy triều. Các nhà khoa học đã nghĩ ra cách tính đến sự thay đổi vận tốc quay của Trái Đất, đưa ra những giây nhuận, nhưng để có thời gian chính xác nhất, bạn phải chia ra nhỏ hơn nữa.
Thời gian nguyên tử phụ thuộc vào sự chuyển đổi năng lượng trong nguyên tử của một nguyên tố nhất định, thường là cesium. Bằng cách xác định một giây sử dụng số lần chuyển đổi này, thời gian có thể được đo với độ chính xác chênh lệch chỉ một phần nhỏ của giây trong một triệu năm. Theo cách này, một giây sẽ được định nghĩa là 9.192.631.770 lần chuyển tiếp năng lượng trong một nguyên tử cesium.
Đồng hồ nguyên tử: Theo dõi thời gian chính xác nhất
Đồng hồ chính xác nhất trong vũ trụ có thể là một pulsar, nhưng trên Trái Đất, đồng hồ nguyên tử cung cấp cách đo thời gian chính xác nhất. Toàn bộ hệ thống GPS trên quỹ đạo xung quanh Trái Đất sử dụng đồng hồ nguyên tử để theo dõi chính xác vị trí và chuyển tiếp dữ liệu đến hành tinh.
Trong khi hầu hết các đồng hồ nguyên tử dựa vào từ trường, đồng hồ hiện đại nhất đang sử dụng tia laser để theo dõi và phát hiện sự chuyển đổi năng lượng trong các nguyên tử cesium và giữ một thước đo thời gian chính xác hơn. Mặc dù đồng hồ cesium hiện đang được sử dụng để đo thời gian trên khắp thế giới, đồng hồ stronti hứa hẹn độ chính xác cao gấp đôi. Bên cạnh đó, thiết kế thử nghiệm dựa trên các nguyên tử thủy ngân tích điện có thể làm giảm sự khác biệt xuống còn chưa đến 1 giây trong 400 triệu năm.
Minh Phương
Dịch từ Space.com
