Nếu Không gian là môi trường chứa đựng vạn vật thì Thời gian lại chứa đựng sự thay đổi của vạn vật trong đó. Một bông hoa từ lúc nở đến lúc úa tàn cần một khoảng thời gian nào đó. Một đời người từ lúc sinh ra cho đến lúc chết cũng cần một khoảng thời gian nào đó. Một ngôi nhà từ lúc bắt đầu xây lên cho đến lúc sụp đổ cũng cần một khoảng thời gian nào đó. Chúng ta cùng tìm hiểu về thời gian trong vật lý được đo lường như thế nào?
Thời gian có lẽ là chủ đề khá phức tạp và không dễ hình dung. Thời gian luôn ở xung quanh chúng ta - nó luôn tồn tại và là cơ sở để chúng ta ghi lại sự sống trên Trái đất. Đó là hằng số giữ cho Thế giới, hệ Mặt trời và thậm chí cả Vũ trụ luôn hoạt động.
Trái đất đã trải qua nhiều lần văn minh rực rỡ rồi suy tàn, các ngôi sao được sinh ra trong vũ trụ và biến mất. Để theo dõi mọi sự kiện diễn ra trong vũ trụ và trên Trái đất của chúng ta, người ta so sánh chúng trong quá khứ với hiện tại trong khi thời gian vẫn không ngừng trôi về phía trước. Nhưng nó 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?
Vũ trụ được sinh ra cách đây khoảng 13,8 tỷ năm, và kể từ đó thời gian vẫn trôi cho đến ngày nay, thời gian chứng kiến các thiên hà được tạo ra như thế nào và sự giãn nở của các không gian. Thực tế là chúng ta đã trải qua một thời gian rất ngắn nhưng khi so sánh với con số thời gian đã qua trong quá khứ thì thật khó để cảm nhận được điều đó.
-
- Con người thật nhỏ bé và tầm thường khi so sánh với tuổi của vũ trụ. (Pixabay)
Trái đất có thể đã 4,5 tỷ năm tuổi, nhưng con người hiện đại đã sinh sống ở đây khoảng 300.000 năm - tức chỉ bằng 0,002% tuổi của vũ trụ. Sự so sánh này khiến chúng ta cảm thấy con người thật nhỏ bé và tầm thường? Thực tế là chúng ta đã trải qua rất ít thời gian trên Trái đất, xét về mặt thiên văn học thì thời gian con người sinh sống trên địa cầu này là không đáng kể.
Nhà vật lý Isaac Newton ở thế kỷ 17 đã coi thời gian như một mũi tên bắn ra từ một cây cung, đi theo đường thẳng, thẳng và không bao giờ lệch khỏi đường đi của nó. Đối với Newton, một giây trên Trái đất có cùng độ dài thời gian với cùng một giây đó trên Sao Hỏa, Sao Mộc hoặc trong không gian sâu thẳm. Ông tin rằng không có chuyển động nào là tuyệt đối, điều đó có nghĩa là không có thứ gì trong vũ trụ có tốc độ không đổi, kể cả ánh sáng. Bằng cách áp dụng lý thuyết này, ông đã có thể giả định rằng nếu tốc độ 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. Đây là điều mà người ta dễ dàng nghĩ là đúng. Mỗi ngày có khoảng 24 giờ; không có một ngày nào với 26 giờ hay một ngày với 23 giờ.
Thời gian giống như một dòng sông, nhấp nhô và chảy phụ thuộc vào tác động của lực hấp dẫn và không-thời gian. (Pexel)
Tuy nhiên, vào năm 1905, Albert Einstein khẳng định rằng tốc độ ánh sáng không thay đổi, nói một cách chính xác thì nó là một hằng số, di chuyển với tốc độ khoảng 299,792 km/giây. Ông mặc định rằng thời gian giống như một dòng sông, nhấp nhô và chảy phụ thuộc vào tác động của lực hấp dẫn và không-thời gian. Thời gian sẽ có thể nhanh hơn hoặc chậm lại khi tới gần các thiên thể vũ trụ có khối lượng và vận tốc khác nhau, và do đó một giây trên Trái đất không bằng một giây ở những nơi khác trong vũ trụ.
Không - thời gian là gì?
Điều này gợi ra một vấn đề. Nếu tốc độ ánh sáng thực sự là một hằng số, thì phải có một số biến số thay đổi trong những khoảng cách lớn trong vũ trụ. Ở vũ trụ đang giãn nở hay các hành tinh và thiên hà chuyển động trên quy mô thiên hà giống như con người, cần phải có thứ gì đó để cho phép những dao động nhỏ này xảy ra. Và biến này phải là thời gian.
Vũ trụ đang giãn nở hay các hành tinh và thiên hà chuyển động trên quy mô thiên hà giống như con người. (Pixabay)
Cuối cùng, lý thuyết của Einstein không chỉ được tin là sự thật mà còn được chứng minh là hoàn toàn chính xác. Vào tháng 10 năm 1971, hai nhà vật lý tên là J.C. Hafele và Richard Keating bắt đầu chứng minh tính xác thực của nó. Để làm điều này, họ đã đưa bốn đồng hồ nguyên tử Cesium trên các máy bay vòng quanh thế giới, về phía Đông và sau đó là phía Tây.
Theo lý thuyết của Einstein, tại Đài quan sát Hải quân Hoa Kỳ ở Washington khi so sánh với đồng hồ nguyên tử trên mặt đất, 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 sau khi di chuyển về phía Tây, theo nghiên cứu năm 1972 của họ trên tạp chí The journal Science (khoa học). Thật đáng kinh ngạc, các đồng hồ đã thực sự ghi nhận sự khác biệt khi di chuyển về phía Đông và phía Tây vòng quanh thế giới khi so sánh với Đài quan sát Hải quân Hoa Kỳ. Điều này đã chứng minh rằng Einstein đã đúng, cụ thể là với lý thuyết về sự giãn nở thời gian của ông, và thời gian thực sự dao động trong toàn vũ trụ.
Điều gì xảy ra trong thời gian giãn nở?
Thời gian như một mũi tên bắn ra từ một cây cung, đi theo đường thẳng, thẳng và không bao giờ lệch khỏi đường đi của nó, theo nhà bác học Isaac Newton. (Pexel)
Thuyết tương đối hẹp (thuyết tương đối hẹp là một lý thuyết vật lý đã được xác nhận bằng thực nghiệm và chấp nhận rộng rãi đề cập về mối quan hệ giữa không gian và thời gian) có ý nghĩa gì về mặt thời gian? Có thể đọc lời giải thích về thuyết tương đối hẹp trước tiên để thực sự theo dõi được sự giãn nở thời gian.
Tuy nhiên, Newton và Einstein đã đồng ý với nhau về một điều - đó là thời gian luôn trôi đi về phía trước. Cho đến nay vẫn chưa có bằng chứng về bất kỳ thứ gì trong vũ trụ có thể né tránh thời gian và di chuyển tới lui 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 hơi bị cong vênh nếu tiếp cận với tốc độ ánh sáng.
Tuy nhiên, chúng ta có thể trả lời tại sao thời gian trôi qua không? Không hoàn toàn, mặc dù có một số giả thuyết về lý do tại sao nó lại như vậy. Một trong số này mang lại các định luật nhiệt động lực học, cụ thể là định luật thứ hai. Điều này nói lên rằng mọi thứ trong vũ trụ muốn chuyển từ thấp đến cao, hoặc từ đồng nhất sang rối loạn, bắt đầu chỉ đơn giản từ một Vụ nổ lớn ngẫu nhiên trong vũ trụ rồi xuất hiện các thiên hà có trật tự và tiếp đó là xuất hiện con người và sinh vật trên Trái đất cho tới ngày nay. Nhà triết học phân tích Huw Price cho biết tại Séminaire Poincaré năm 2006, đây được gọi là “mũi tên của thời gian”, hoặc đôi khi gọi là “mũi tên thời gian", được đặt ra bởi nhà thiên văn học người Anh Arthur Eddington vào năm 1928.
Eddington cho rằng thời gian không đối xứng: “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 mũi tên đó đang hướng tới tương lai. Nếu yếu tố ngẫu nhiên giảm, mũi tên sẽ hướng về quá khứ, ông viết trong "Bản chất của thế giới vật chất” vào năm 1928. Ví dụ, nếu bạn quan sát một ngôi sao gần như đồng nhất, nhưng sau đó lại thấy nó phát nổ như một siêu tân tinh. và trở thành một tinh vân phân tán, bạn sẽ biết rằng thời gian đã chuyển từ trạng thái bình lặng sang hỗn loạn.
-
- Thời gian trôi qua là do sự giãn nở của vũ trụ. (Ảnh minh họa: Pixabay)
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 lại - một nghịch lý nhỏ đối với các nhà khoa học và các nhà thiên văn học. Liệu thời gian có thực sự lùi lại phía sau, khi mọi thứ quay trở lại thời đại quá khứ và sau đó tiến đến lúc bắt đầu của Vụ nổ lớn trong vũ trụ và kết thúc? Có thể điều đó sẽ không có khả năng xảy ra nhưng có một vài giả thuyết khác đã được đưa ra.
Những tiến bộ về khoa học trong việc nghiên cứu về thời gian đã nằm ngoài sức tưởng tượng trong thế kỷ qua. Từ đồng hồ Mặt trời cho biết thời gian cổ đại đến đồng hồ nguyên tử hiện đại, chúng ta thậm chí có thể theo dõi thời gian trôi qua của một giây chặt chẽ 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 của hằng số vũ trụ không thay đổi này.
Tầm quan trọng của thuyết tương đối hẹp của Einstein
Thuyết tương đối hẹp của Einstein dựa trên một thực tế quan trọng: dù ở góc độ nào thì tốc độ ánh sáng là không đổi. Để áp dụng điều này vào thực tế, hãy tưởng tượng chúng ta đang đi trên một chiếc ô tô với vận tốc 32 km / h và lái xe qua một người đang đứng yên. Khi vượt qua họ, chúng ta ném một quả bóng ra phía trước xe với vận tốc 16 km /h.
Đối với người bạn đó, tốc độ của quả bóng kết hợp với tốc độ của ô tô và như vậy dường như đang di chuyển với vận tốc 48 km / h. Tuy nhiên, so với chúng ta, quả bóng chỉ di chuyển với tốc độ 16 km / giờ, vì chúng ta đang di chuyển với tốc độ 32 km/ giờ.
Bây giờ hãy tưởng tượng cùng một kịch bản, nhưng lần này chúng ta vượt qua người bạn đứng yên của mình khi đang di chuyển với tốc độ bằng một nửa tốc độ ánh sáng. Thông qua một số hình ảnh tưởng tượng, bạn bè của chúng ta có thể quan sát chúng ta khi chúng ta đi qua. Lần này chúng ta chiếu một chùm ánh sáng ra khỏi kính chắn gió ô tô.
Trong phép tính trước đây, chúng ta đã cộng tốc độ của quả bóng và chiếc xe với nhau để tìm xem bạn của chúng ta đã nhìn thấy gì, vì vậy trong trường hợp này, bạn của chúng ta có nhìn thấy chùm ánh sáng truyền đi với tốc độ gấp rưỡi vận tốc ánh sáng không?
Theo Einstein, câu trả lời là không. Tốc độ ánh sáng luôn không đổi, và không gì có thể truyền đi nhanh hơn tốc độ của nó. Trong dịp này, cả hai người đều quan sát thấy tốc độ ánh sáng truyền đi ở giá trị được thống nhất chung của nó, ở mức xấp xỉ 83.27551m /giây. Đây là lý thuyết tương đối hẹp và nó rất quan trọng khi nói về thời gian.
Thời gian: Chiều thứ tư của vũ trụ
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. (Pixabay)
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 này là có cơ sở, nhưng tất cả những gì cần thiết là bằng chứng.
NASA dùng Tàu thăm dò để tìm ra bằng chứng cho lý thuyết đó và chứng minh rằng không gian và thời gian thực sự được liên kết với nhau. Bốn con quay hồi chuyển được hướng về hướng của một ngôi sao ở 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 bị kéo ra khỏi vị trí 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.
Một giây là bao lâu?
Ảnh minh họa: Pixabay
Có hai cách đo thời gian chính: thời gian động 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 quay ở xa, chuyển động của một ngôi sao trên bầu trời đêm của chúng ta hay chuyển động của Trái đất. Tuy nhiên, đối với một ngôi sao quay ở xa, điều này có thể khó quan sát, các phương pháp này không phải lúc nào cũng hoàn toàn chính xác.
Định nghĩa cũ về giây dựa trên chuyển động quay của Trái đất. Vì hàng ngày Mặt trời mọc ở phía Đông, lặn 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 không quay đều. Vòng quay của nó sau mỗi 10.000 năm giảm với tốc độ khoảng 30 giây do các yếu tố như ma sát thủy triều. Các nhà khoa học đã nghĩ ra cách để tính toán tốc độ thay đổi của vòng quay của Trái đất, đưa ra các “giây nhuận”.
Thời gian nguyên tử phụ thuộc vào sự chuyển đổi năng lượng trong nguyên tử của một nguyên tố nhất định. Theo báo cáo của khoa học gia người Mỹ thời gian có thể được đo với độ chính xác mất đi một phần nhỏ của giây trong một triệu năm.
Đồng hồ nguyên tử: Theo dõi thời gian chính xác nhất
Đồng hồ chính xác nhất trong vũ trụ có thể là một ngôi sao quay như một sao xung, nhưng trên Trái đất, đồng hồ nguyên tử theo dõi 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 toàn bộ trung tâm khoa học được thiết lập để tính toán thước đo thời gian chính xác nhất - thường bằng cách đo sự chuyển tiếp trong nguyên tử xêsi.
Trong khi hầu hết các đồng hồ nguyên tử dựa vào từ trường, đồng hồ hiện đại 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 giữ thời gian trên khắp thế giới, đồng hồ stronti hứa hẹn độ chính xác cao gấp đôi, trong khi thiết kế thử nghiệm dựa trên các nguyên tử thủy ngân tích điện có thể làm giảm sự chênh lệch khác biệt xuống còn chưa đến 1 giây trong 400 triệu năm.
Thời gian là một cái gì đó trôi đi trong vô hình, nhưng sự vận hành của nó là có quy luật mà con người vẫn không thể nắm bắt được, giống như có một vị Thần thời gian có thể điều hành giám sát việc Mặt trời mọc hay lặn đúng thời điểm và mọi sự việc diễn ra trên Trái đất này cũng như trong sự sống của các sinh mệnh ở trong vũ trụ bao la.
Ngọc Mai
Theo Space
