Thời gian vận hành như thế nào?

Các giả thuyết về thời gian

Vào thế kỷ 17, nhà vật lý Isaac Newton coi thời gian như một mũi tên bắn ra từ dây cung, đi theo đường thẳng và không bao giờ lệch khỏi hành trình của nó. Ông cho rằng một giây trên Trái đất có cùng độ dài với một giây trên sao Hỏa, sao Mộc và trong vũ trụ.

Newton lập luận rằng không có vật nào trong vũ trụ, kể cả ánh sáng, có tốc độ không đổi. Như vậy tốc độ của thời gian cũng không bao giờ thay đổi. Thời gian trôi từ giây này sang giây kia mà thời lượng của hai giây là ngang nhau. Tương tự, mỗi ngày đều chỉ có 24 giờ, sẽ không có ngày 23 giờ hay 25 giờ.

Tuy nhiên, đến năm 1905, nhà vật lý học Albert Einstein cho rằng thời gian giống như dòng sông có tốc độ chảy phụ thuộc vào tác động của lực hấp dẫn. Thời gian sẽ tăng tốc hoặc chậm lại phụ thuộc vào khối lượng, vận tốc của các thiên thể trong vũ trụ. Do đó, một giây trên Trái đất không thể bằng một giây ở các nơi khác trong thiên hà.

Tháng 10/1971, hai nhà vật lý là JC Hafele và Richard Keating đã chứng minh giả thuyết của Einstein. Họ đặt bốn đồng hồ nguyên tử Cesiumtrên các máy bay bay vòng quanh thế giới về phía Đông và phía Tây.

Khi so sánh với đồng hồ nguyên tử đặt tại Đài quan sát Hải quân Mỹ tại Washington DC, đồng hồ trên máy bay chậm hơn khoảng 40 nano giây khi di chuyển về phía Đông và nhanh hơn 275 nano giây khi di chuyển về phía Tây. Điều này chứng minh thời gian thực sự dao động trong vũ trụ và lý thuyết về sự giãn nở thời gian của Einstein là chính xác.

Chiều không gian thứ 4

Dù quan điểm khác nhau, Einstein và Newton cùng nhất trí rằng thời gian trôi về phía trước. Cho đến nay, không có bằng chứng cho thấy các vật thể trong vũ trụ có thể né tránh thời gian hay có thể tiến, lùi thời gian theo ý muốn. Mọi vật đều di chuyển về phía trước theo thời gian với tốc độ đều đặn hoặc hơi cong vênh khi tiệm cận tốc độ ánh sáng.

Vậy nhưng câu hỏi đặt ra là tại sao thời gian lại trôi? Einstein từng cho rằng thời gian không đối xứng. Một giả thuyết khác cho rằng thời gian trôi nhờ sự giãn nở của vũ trụ. Khi giãn nở, vũ trụ kéo theo thời gian vì không, thời gian được liên kết làm một. Nhưng điều này tạo nên một nghịch lý rằng khi vũ trụ đạt đến giới hạn giãn nở theo lý thuyết và bắt đầu co lại, thời gian sẽ bị đảo ngược.

Người ta từng cho rằng, không gian và thời gian là hai đơn vị tách biệt và vũ trụ đơn thuần là tổ hợp các thiên thể được sắp xếp theo ba chiều. Tuy nhiên, Einstein đã đưa ra khái niệm về chiều không gian thứ tư là thời gian. Điều này đồng nghĩa không gian và thời gian có mối quan hệ chặt chẽ với nhau.

Tàu thăm dò trọng lực B của Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Mỹ (NASA) đã chứng minh điều này. Các nhà thiên văn học đã đặt con quay hồi chuyển hướng về một ngôi sao ở xa. Nếu lực hấp dẫn không tác động lên không gian và thời gian, chúng vẫn nằm ở vị trí cũ.

Tuy nhiên, bốn con quay bị kéo khỏi vị trí ban đầu và thời gian hiển thị cũng thay đổi. Điều này chứng minh rằng cấu trúc không gian có thể bị thay đổi. Nếu không gian liên kết với thời gian thì thời gian cũng bị kéo dãn và co lại bởi lực hấp dẫn.

Cách đo thời gian

Có hai phương pháp chính để đo thời gian là thời gian động và thời gian nguyên tử. Ở phương pháp thứ nhất, con người dựa vào chuyển động của các thiên thể, bao gồm Trái đất, để theo dõi thời gian. Chẳng hạn, người Ai Cập đo thời gian dựa vào chuyển động của Mặt trời.

Họ cho xây dựng những cột lớn, đặt vào vị trí thuận lợi để đo bóng của chúng đổ xuống mặt đất. Từ đó, người Ai Cập có thể biết được thời điểm nào là buổi trưa, tức giữa ngày.

Trước đây, con người định nghĩa về giây cũng dựa trên chuyển động quay của Trái đất. Vì ngày nào Mặt trời cũng mọc ở phía Đông, lặn ở phía Tây nên một ngày được chia thành 24 giờ, một giờ là 60 phút trong khi một phút là 60 giây.

Tuy nhiên, Trái đất quay không đều. Sau mỗi 10.000 năm, vòng quay của nó giảm tốc độ khoảng 30 giây. Tương tự Trái đất, các thiên thể chuyển động rất khó quan sát nên phương pháp đo thời gian động không phải lúc nào cũng chính xác. Các nhà khoa học đã nghĩ ra phương pháp khác để đo thời gian là sử dụng đồng hồ nguyên tử.

Thời gian đo bằng nguyên tử phụ thuộc vào trạng thái dao động của nguyên tử, thường là Cesium. Tần số dao động của nguyên tử là không đổi và có thể đo được nên đồng hồ nguyên tử được coi là đồng hồ chính xác nhất cho đến nay. Theo Hệ thống đơn vị Quốc tế, một giây chính xác là 9.192.631.770 tích tắc của một nguyên tử Cesium.

Hiện nay, toàn bộ hệ thống GPS trên quỹ đạo xung quanh Trái đất đều sử dụng đồng hồ nguyên tử để theo dõi chính xác vị trí và chuyển tiếp dữ liệu về mặt đất. Tại các trung tâm khoa học, phương pháp đo thời gian được sử dụng nhiều nhất cũng dựa trên Cesium. Con người vẫn kỳ vọng tìm ra phương pháp đo thời gian chuẩn xác hơn để có thể hiểu rõ cách vận hành của đơn vị này.