Thuyết tương đối tổng quát đưa ra nhiều dự đoán khác nhau về hành vi của không gian và thời gian. Một trong những dự đoán này, nói theo cách hiểu hàng ngày, là lực hấp dẫn càng mạnh thì tốc độ thời gian càng chậm. Một tuyên bố như vậy đi ngược lại rất nhiều với cảm nhận trực quan của chúng ta về thời gian như một dòng chảy mà tất cả chúng ta đều chia sẻ. Thời gian luôn có vẻ là một khái niệm dân chủ nhất: tất cả chúng ta, bất kể giàu có hay địa vị như thế nào, dường như cùng nhau di chuyển từ chiếc nôi đến lúc xuống mồ trong dòng thời gian vĩ đại.

Nhưng Einstein lập luận rằng nó chỉ có vẻ như vậy đối với chúng ta bởi vì tất cả loài người cho đến nay đều sống và chết trong môi trường hấp dẫn của Trái Đất. Chúng ta không có cơ hội để kiểm tra ý tưởng rằng tốc độ thời gian có thể phụ thuộc vào sức mạnh của lực hấp dẫn, bởi vì chúng ta chưa từng trải nghiệm các lực hấp dẫn hoàn toàn khác nhau. Hơn nữa, sự khác biệt trong dòng chảy của thời gian là cực kỳ nhỏ cho đến khi có sự tham gia của các khối lượng thực sự lớn. Tuy nhiên, dự đoán của Einstein hiện đã được thử nghiệm, cả trên Trái Đất và trong không gian.

Các thử nghiệm của thời gian

Một thí nghiệm khéo léo vào năm 1959 đã sử dụng đồng hồ nguyên tử chính xác nhất để so sánh các phép đo thời gian ở tầng trệt và tầng cao nhất của tòa nhà vật lý tại Đại học Harvard. Đối với một chiếc đồng hồ, các nhà thí nghiệm đã sử dụng tần số (số chu kỳ trên giây) của tia gamma do côban phóng xạ phát ra. Lý thuyết của Einstein dự đoán rằng một chiếc đồng hồ coban như vậy ở tầng trệt, gần với trọng tâm của Trái đất hơn một chút, sẽ chạy chậm hơn một chút so với đồng hồ tương tự ở tầng trên cùng. Đây chính xác là những gì các thí nghiệm đã quan sát được. Sau đó, đồng hồ nguyên tử được đưa lên máy bay bay cao và thậm chí trên một trong những chuyến bay vũ trụ Gemini. Trong mỗi trường hợp, các đồng hồ xa Trái Đất chạy nhanh hơn một chút. Mặc dù vào năm 1959, việc đồng hồ ở trên cùng của tòa nhà chạy nhanh hơn đồng hồ ở tầng hầm cũng không thành vấn đề, nhưng ngày nay hiệu ứng đó rất có liên quan. Mọi điện thoại thông minh hoặc thiết bị đồng bộ hóa với GPS phải khắc phục điều này (như chúng ta sẽ thấy trong phần tiếp theo) vì đồng hồ trên vệ tinh sẽ chạy nhanh hơn đồng hồ trên Trái Đất.

Hiệu ứng này rõ ràng hơn nếu lực hấp dẫn liên quan là của Mặt Trời chứ không phải của Trái Đất. Nếu lực hấp dẫn mạnh hơn làm chậm tốc độ thời gian, thì sẽ mất nhiều thời gian hơn để một tia sáng hoặc sóng vô tuyến truyền rất gần rìa Mặt trời đến Trái Đất so với những gì chúng ta mong đợi trên cơ sở định luật hấp dẫn của Newton. (Mất nhiều thời gian hơn vì không thời gian cong trong vùng lân cận của Mặt Trời.) Khoảng cách giữa tia sáng và rìa của Mặt Trời ở vị trí gần nhất càng nhỏ thì thời gian đến càng trễ.

Vào tháng 11 năm 1976, khi hai tàu vũ trụ Viking đang hoạt động trên bề mặt Sao Hỏa, hành tinh này đã đi ra phía sau Mặt Trời khi nhìn từ Trái Đất (Hình 24.11). Các nhà khoa học đã lập trình trước cho Viking gửi một sóng vô tuyến về phía Trái Đất, sóng này sẽ đi rất gần với các vùng bên ngoài của Mặt Trời. Theo thuyết tương đối tổng quát, sẽ có độ trễ vì sóng vô tuyến sẽ đi qua một vùng mà thời gian chạy chậm hơn. Thí nghiệm có thể xác nhận lý thuyết của Einstein trong phạm vi 0,1%.

Hình 24.11 Độ trễ thời gian đối với sóng vô tuyến gần Mặt Trời. Các tín hiệu vô tuyến từ tàu đổ bộ Viking trên Sao Hỏa bị trì hoãn khi chúng đi qua gần Mặt Trời, nơi không thời gian bị cong tương đối mạnh. Trong hình này, không thời gian được hình dung như một tấm màng cao su hai chiều.

Dịch chuyển đỏ hấp dẫn

Điều đó có nghĩa là gì khi nói rằng thời gian chạy chậm hơn? Khi ánh sáng ló ra khỏi vùng có trọng lực mạnh, nơi thời gian chậm lại, thì ánh sáng sẽ bị thay đổi tần số và bước sóng. Để hiểu điều gì xảy ra, hãy nhớ lại rằng một sóng ánh sáng là một hiện tượng lặp lại — đỉnh theo sau đỉnh với độ đều đặn cao. Theo nghĩa này, mỗi sóng ánh sáng là một đồng hồ nhỏ, giữ thời gian theo chu kỳ sóng của nó. Nếu lực hấp dẫn mạnh hơn làm chậm tốc độ thời gian (so với người quan sát bên ngoài), thì tốc độ mà đỉnh theo sau đỉnh phải chậm hơn tương ứng — nghĩa là, sóng trở nên ít thường xuyên hơn.

Để duy trì tốc độ ánh sáng không đổi (định đề quan trọng trong lý thuyết tương đối tổng quát và lý thuyết tương đối đặc biệt của Einstein), tần số thấp hơn phải được bù bằng bước sóng dài hơn. Sự gia tăng bước sóng này (khi gây ra bởi chuyển động của nguồn) là cái mà chúng ta gọi là dịch chuyển đỏ trong chương Bức xạ và Quang phổ. Ở đây, bởi vì trọng lực, chứ không phải chuyển động, tạo ra bước sóng dài hơn, chúng tôi gọi hiệu ứng này là dịch chuyển đỏ hấp dẫn.

Sự ra đời của công nghệ thời đại không gian đã khiến cho cho dịch chuyển đỏ hấp dẫn có thể đo được với độ chính xác rất cao. Vào giữa những năm 1970, hydro maser, một thiết bị tương tự như tia laser tạo ra tín hiệu vô tuyến vi sóng ở một bước sóng cụ thể, được một tên lửa đưa lên độ cao 10.000 km. Các thiết bị trên mặt đất được sử dụng để so sánh tần số của tín hiệu do maser tên lửa phát ra với tần số từ một maser tương tự trên Trái Đất. Thí nghiệm cho thấy trường hấp dẫn mạnh hơn trên bề mặt Trái Đất thực sự đã làm chậm dòng chảy của thời gian so với trường được đo bằng maser trong tên lửa. Hiệu ứng quan sát được phù hợp với các dự đoán của thuyết tương đối tổng quát trong phạm vi vài phần trong 100.000.

Đây chỉ là một vài ví dụ về các thử nghiệm đã xác nhận các tiên đoán của thuyết tương đối tổng quát. Ngày nay, thuyết tương đối tổng quát được chấp nhận là mô tả tốt nhất của chúng ta về lực hấp dẫn và được các nhà thiên văn và vật lý học sử dụng để hiểu hành vi của trung tâm các thiên hà, sự khởi đầu của vũ trụ và chủ đề trước khi chúng ta bắt đầu chương này — Cái chết của những các ngôi sao.

Thuyết tương đối: Một ứng dụng thực tế

Bây giờ bạn có thể hỏi: tại sao tôi phải bận tâm với thuyết tương đối? Tôi không thể sống cuộc sống của mình một cách hoàn hảo nếu không có nó sao? Câu trả lời là bạn không thể. Mỗi khi phi công hạ cánh máy bay hoặc bạn sử dụng GPS để xác định vị trí bạn đang lái xe hoặc đi bộ đường dài, bạn (hoặc ít nhất là thiết bị hỗ trợ GPS của bạn) phải tính đến ảnh hưởng của cả thuyết tương đối tổng quát và đặc biệt .

GPS dựa trên một loạt 24 vệ tinh quay quanh Trái Đất và ít nhất 4 trong số chúng có thể nhìn thấy từ bất kỳ vị trí nào trên Trái Đất. Mỗi vệ tinh mang một đồng hồ nguyên tử chính xác. Máy thu GPS của bạn phát hiện các tín hiệu từ các vệ tinh trên cao và tính toán vị trí của bạn dựa trên thời gian mà nó đã đưa những tín hiệu đó đến bạn. Giả sử bạn muốn biết mình đang ở đâu trong vòng 15 mét (thiết bị GPS thực sự có thể làm tốt hơn điều này nhiều). Vì chỉ mất 50 phần tỷ giây để ánh sáng đi được 15 mét, đồng hồ trên vệ tinh phải được đồng bộ hóa với độ chính xác ít nhất là độ chính xác này — và do đó phải tính đến các hiệu ứng tương đối tính.

Đồng hồ trên vệ tinh quay quanh Trái Đất với tốc độ 14.000 km/h và đang chuyển động nhanh hơn nhiều so với đồng hồ trên bề mặt Trái Đất. Theo thuyết tương đối của Einstein, đồng hồ trên vệ tinh tích tắc chậm hơn đồng hồ trên Trái Đất khoảng 7 phần triệu giây mỗi ngày. (Chúng ta chưa thảo luận về thuyết tương đối đặc biệt, thuyết này đề cập đến những thay đổi khi các vật thể chuyển động rất nhanh.)

Quỹ đạo của vệ tinh cách Trái Đất 20.000 km, nơi lực hấp dẫn yếu hơn bề mặt Trái Đất khoảng bốn lần. Thuyết tương đối tổng quát nói rằng các đồng hồ quay quanh quỹ đạo sẽ nhanh hơn khoảng 45 phần triệu giây so với chúng nếu ở trên Trái Đất. Hiệu quả thực là thời gian trên đồng hồ vệ tinh tăng khoảng 38 micro giây mỗi ngày. Nếu những tác động tương đối này không được tính đến, các lỗi điều hướng sẽ bắt đầu tăng lên và các vị trí sẽ bị lệch đi khoảng 7 dặm chỉ trong một ngày.

(Còn tiếp...)

Tham khảo

  1. Astronomy 1st edition, Senior Contributing Authors: A. Franknoi, D. Morrison, S. Wolff ©2017 Rice University,  Textbook content produced by OpenStax is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License. (Access for free at https://openstax.org/details/books/astronomy