Tại sao đối với cảm nhận của ánh sáng, thời gian lại đóng băng?
Thời gian không bị đóng băng từ viễn cảnh của ánh sáng, bởi vì ánh sáng không có viễn cảnh. Không có khung tham chiếu hợp lệ khi ánh sáng đang ở trạng thái nghỉ.
Tuyên bố này không phải là một vấn đề nhỏ có thể tính gần đúng hoặc chỉ là một lựa chọn giả định. Mà nó là nền tảng cho lý thuyết tương đối đặc biệt của Einstein, đã được kiểm chứng bằng thực nghiệm hàng ngàn lần trong hàng trăm năm qua.
Ai nói thuyết tương đối chỉ là giả thuyết thì người đó hẳn không hiểu gì về vật lý.
Toàn bộ khuôn khổ của Thuyết tương đối đặc biệt dựa trên hai định đề cơ bản:
1. Các định luật vật lý là giống nhau trong tất cả các khung tham chiếu quán tính
2. Tốc độ ánh sáng trong chân không là như nhau trong tất cả các khung tham chiếu quán tính.
Nếu có một khung tham chiếu hợp lệ, khi ánh sáng ở trạng thái nghỉ thì điều đó sẽ vi phạm Định đề 2 vì tốc độ ánh sáng sẽ khác nhau trong các khung tham chiếu khác nhau (tức là tốc độ ánh sáng sẽ là c trong một số khung và bằng 0 trong khung tham chiếu nghỉ của nó ).
Và nếu Định đề 2 bị loại bỏ, thì toàn bộ lý thuyết Tương đối đặc biệt sẽ bị loại bỏ, bởi vì Thuyết tương đối đặc biệt có nguồn gốc từ hai định đề này.
Đặt câu hỏi, "Nếu chúng ta chỉ giả vờ rằng ánh sáng có khung tham chiếu, thì chuyện gì sẽ xảy ra?" - thực ra điều này sẽ chỉ dẫn đến câu trả lời vô nghĩa.
Một khi bạn giả vờ như vậy, bạn đã vứt bỏ tất cả Thuyết tương đối đặc biệt, và bạn chỉ còn lại những câu chuyện khoa học và vô nghĩa. Trong tất cả các khung tham chiếu thực sự tồn tại, dưới sự quan sát của chúng ta, ánh sáng truyền qua không gian và thời gian theo cách thông thường giống như bất kỳ vật thể nào khác.
Để hiểu rõ hơn về điều này, chúng ta hãy xem xét nhanh những gì Thuyết tương đối đặc biệt thiết lập. Thuyết tương đối đặc biệt cho chúng ta biết rằng đối với khung tham chiếu của người chuyển động thì "quãng đường" và "thời gian" di chuyển sẽ co ngắn lại so với người quan sát đứng yên.
Những hiệu ứng này được gọi tương ứng là "co rút quãng đường" và "giãn nở thời gian". Ở đây trên trái đất, chúng ta không nhận thấy những thay đổi này trong cuộc sống hàng ngày vì chúng ta đang đi quá chậm. Sự co lại theo chiều dài và sự giãn nở thời gian chỉ trở nên đáng kể khi bạn di chuyển gần với tốc độ ánh sáng.[1]
Nhưng trên vũ trụ thì khác :
Có một thứ đang phải chịu hiệu ứng giãn nở thời gian mỗi ngày, đang bay trên đầu chúng ta. Đó là hệ thống định vị toàn cầu GPS.
Hệ thống này chịu 2 hiệu ứng giãn nở thời gian cùng lúc :
- Do di chuyển tốc độ cao ( theo thuyết tương đối hẹp )
- Do ở nơi có trọng lực thấp hơn dưới mặt đất (theo thuyết tương đối rộng)
Hệ thống này được trang bị hai hệ đồng hồ nguyên tử ( vô cùng chính xác dù sai số rất nhỏ ): các đồng hồ được đặt trên các vệ tinh quay xung quanh Trái Đất, và các đồng hồ tham chiếu được đặt trên bề mặt Trái Đất.
Do chịu hiệu ứng giãn nở thời gian từ 2 lý do trên, nên để có thể đảm bảo cho hệ thống hoạt động một cách chính xác, các đồng hồ ở vệ tinh đã được căn chỉnh lại liên tục, sao cho thời gian của 2 hệ đồng hồ nguyên tử luôn bằng nhau , giúp kết quả định vị không bị sai lệch.
Vì mỗi vệ tinh nằm cách mặt đất khoảng 20.300 km và di chuyển với tốc độ 10.000 km/giờ, nên sai số tương đối về thời gian là khoảng 4 phần triệu giây mỗi ngày.
Cộng với tác động của trọng lực, sai số này tăng lên khoảng 7 phần triệu giây.
Sự khác nhau rất rõ ràng: nếu không dựa vào hệ quả sự giãn nở thời gian của thuyết tương đối, một thiết bị GPS sẽ sai số 8km chỉ sau 1 ngày, nghĩa là theo định vị GPS, bạn có thể đi qua nhà mình mà không hề hay biết.[2]
Thực tế không có gì sai lệch về mặt cơ học ở đây, 2 chiếc đồng hồ vẫn làm tốt việc của chúng, sự sai lệch thời gian đến từ những giới hạn trong vũ trụ của chúng ta chứ không phải từ sự bất cẩn của những người thiết kế 2 chiếc đồng hồ.
Toán học của Thuyết tương đối đặc biệt cho chúng ta biết rằng khi một khung tham chiếu di chuyển với tốc độ cao hơn bao giờ hết, không gian của nó ngày càng co lại và thời gian của nó cũng trở nên chậm hơn, khi so sánh với người quan sát đứng yên.
Trong giới hạn tốc độ của nó đạt tới tốc độ ánh sáng trong chân không, không gian của nó rút ngắn hoàn toàn xuống độ rộng bằng không và thời gian của nó chậm lại đến điểm dừng. Một số người giải thích giới hạn toán học này có nghĩa là ánh sáng, khi di chuyển với tốc độ ánh sáng, không có thời gian vì thời gian bị đóng băng.
Nhưng cách giải thích này không hẳn đã đúng. Giới hạn này chỉ đơn giản cho chúng ta biết rằng không có khung tham chiếu hợp lệ ở tốc độ ánh sáng. Khung tham chiếu có độ rộng không gian chính xác bằng 0 và thời gian trôi qua chính xác bằng 0 chỉ đơn giản là khung tham chiếu không tồn tại.
Vì vậy "ánh sáng cảm nhận như nào" hiện đang là giới hạn của vật lý hiện tại, không ai có thể có một câu trả lời chính xác. Chúng ta chỉ phỏng đoán mà thôi.
[1] Nguồn : Tiến sĩ Christopher S. Baird, Trợ lý Giáo sư Vật lý tại Đại học West Texas A & M.
[2]
Tổng hợp : Trường Vũ
