Hôm qua, tôi đã xuất bản một bài viết giới thiệu về hiệu ứng thấu kính hấp dẫn. Nội dung cốt lõi của bài viết là thông qua hiệu ứng thấu kính hấp dẫn, con người có thể trực quan nhìn thấy sự biến dạng của không-thời gian do khối lượng, chứng minh rằng lý thuyết biến dạng không-thời gian của Einstein là có thật và đúng đắn.
Sau khi đọc bài viết, một số bạn dường như cuối cùng cũng đồng ý rằng không gian có thể cong, nhưng họ đặt ra một câu hỏi: Nếu không gian cong, tại sao phải đi kèm với từ "không gian-thời gian"? Điều này liên quan gì tới thời gian? Trên thực tế, tôi đã giải thích về tác động của sự giãn nở thời gian trong nhiều bài viết trước đây. Nếu bạn đã đọc những bài viết này, bạn sẽ không hỏi câu hỏi này.
Sự giãn nở thời gian là gì?
Lý thuyết về độ cong không thời gian và lý thuyết về sự giãn nở thời gian đều là một phần trong thuyết tương đối của Einstein. Trong thuyết tương đối hẹp, Einstein chủ yếu giải thích mối quan hệ giữa tốc độ và thời gian, thường được gọi là bài toán giãn nở tốc độ-thời gian; trong khi thuyết tương đối tổng quát nhấn mạnh vào việc giải thích mối quan hệ giữa độ cong thời gian và không gian, tức là vấn đề giãn nở thời gian do hấp dẫn.
Nội dung cốt lõi của thuyết tương đối của Einstein là giải thích mối quan hệ giữa thời gian, không gian và vật chất. Thông qua một loạt các lập luận logic và toán học chi tiết, ông tin rằng thời gian, không gian và vật chất là một bộ ba, và chứng minh rằng trong các hệ tọa độ khác nhau, thời gian và không gian là tương đối, điều này về cơ bản lật đổ quan điểm tuyệt đối về thời gian và không gian trong vật lý cổ điển.
Quá trình lập luận rất phức tạp nên tôi sẽ không đi sâu vào chi tiết ở đây. Kết luận rất đơn giản, đó là thời gian sẽ giãn nở ở các tốc độ khác nhau và trong các trường hấp dẫn khác nhau. Nói một cách đơn giản, tốc độ càng nhanh thì khả năng xảy ra hiệu ứng co chiều dài và giãn thời gian trong hệ tọa độ càng cao, khoảng cách sẽ co lại và thời gian trôi qua chậm hơn; và trong hệ tọa độ có lực hấp dẫn lớn hơn, thời gian sẽ trôi chậm hơn.
Nhưng có hai giới hạn: tốc độ ánh sáng và bán kính Schwarzschild của một lỗ đen, đó là điểm tận cùng của thời gian và không gian. Khi một vật thể di chuyển với tốc độ ánh sáng hoặc đi vào chân trời sự kiện của một lỗ đen, nơi độ cong của không-thời gian là vô hạn (lực hấp dẫn là vô hạn), không gian trở thành số không và thời gian dừng lại.
Nhưng tốc độ ánh sáng chính là giới hạn của thế giới chúng ta. Bất kỳ vật thể nào có khối lượng nghỉ đều không thể chạm tới nó, chứ đừng nói đến việc phá vỡ nó. Điều này là do hiệu ứng tăng khối lượng. Khi một vật đạt tới tốc độ ánh sáng, động năng và khối lượng của nó trở nên vô hạn. Điều này có nghĩa là ngay cả khi đó là một hạt cơ bản duy nhất, nếu nó muốn đạt tới tốc độ ánh sáng thì năng lượng và động lượng cần thiết sẽ là vô hạn.
Vũ trụ của chúng ta cũng hữu hạn, nghĩa là không thể có năng lượng vô hạn để đẩy một vật có khối lượng nghỉ đạt tới tốc độ ánh sáng. Nếu đạt tới tốc độ ánh sáng, động lượng của hạt này sẽ vượt quá khối lượng của vũ trụ, đây tự nó đã là một nghịch lý. Tôi đã giải thích vấn đề này nhiều lần trong quá khứ nên hôm nay tôi sẽ không nói thêm nữa.
Bây giờ chúng ta sẽ chỉ nói về mối quan hệ giữa thời gian, tốc độ và không gian thông qua hai công thức giãn nở thời gian.
Ý nghĩa của hai công thức giãn nở thời gian
Công thức giãn nở thời gian vận tốc được đưa ra bởi thuyết tương đối hẹp là: t'=t/√[1-(v/c)²]
Trong công thức, t' là giá trị của hiệu ứng giãn nở thời gian vận tốc; t là thời gian được ghi lại bởi đồng hồ đầu tiên của người quan sát tốc độ thấp; v là tốc độ của đồng hồ thứ hai so với đồng hồ thứ nhất; và c là tốc độ ánh sáng.
Công thức tính độ giãn nở thời gian do hấp dẫn đưa ra bởi thuyết tương đối rộng là: t'=tx√(1-2GM/rc²)
Trong công thức, t' là giá trị của hiệu ứng giãn nở thời gian do trọng trường; t là giá trị thời gian trôi qua của người quan sát trong hệ quán tính trọng lực thấp; G là hằng số hấp dẫn, bằng 6,67x10^-11N·m²/kg²; M là khối lượng của thiên thể; r là bán kính của thiên thể; và c là tốc độ ánh sáng.
Quá trình suy luận này rất phức tạp, vì vậy chúng ta hãy để những "chuyên gia" nghi ngờ thuyết tương đối giải quyết vấn đề này. Chúng ta không cần phải hiểu những điều sâu xa như vậy vì mục đích khoa học phổ thông.
Theo công thức về hiệu ứng giãn nở tốc độ-thời gian, khi một vật thể di chuyển với một nửa tốc độ ánh sáng, tức là khoảng 150.000 km/giây, sự giãn nở thời gian sẽ đạt tới 1,15 lần, hoặc chậm hơn 15%. Theo cách này, khi một năm trôi qua đối với những người trên tàu vũ trụ, 1,15 năm sẽ trôi qua đối với những người trên Trái Đất.
Khi tốc độ ánh sáng đạt tới 99%, hiệu ứng giãn nở thời gian sẽ đạt tới 7 lần, tức là sau 1 năm đối với những người trên tàu vũ trụ, 7 năm đã trôi qua đối với những người trên Trái Đất. Khi tốc độ ánh sáng đạt tới 99,999999999999%, thời gian sẽ giãn ra 7,07 triệu lần, tức là sau 1 năm đối với con người trên tàu vũ trụ, 7,07 triệu năm đã trôi qua đối với con người trên Trái Đất.
Tương tự như vậy, trong một hệ tọa độ có lực hấp dẫn lớn hơn, thời gian giãn ra nhiều hơn, nghĩa là thời gian trôi qua chậm hơn. Trong bộ phim khoa học viễn tưởng "Interstellar", tàu vũ trụ đến hành tinh của Miller gần một hố đen có khối lượng gấp 100 triệu lần khối lượng mặt trời. Bộ phim không cung cấp khoảng cách đến chân trời sự kiện của hố đen, nhưng có nói rằng cứ mỗi giờ các phi hành gia ở đó, bảy năm đã trôi qua trên Trái Đất, điều đó có nghĩa là thời gian đã giãn ra hơn 60.000 lần.
Vì vậy, khi phi hành gia Cooper trở về Trái Đất, ông vẫn như vậy, nhưng con gái ông đã ở độ tuổi 90.
Hố đen lớn nhất được biết đến trong vũ trụ, SDSS J073739.96+384413.2, có khối lượng gấp 104 tỷ lần khối lượng mặt trời. Sự giãn nở thời gian ở gần đó sẽ là bao nhiêu? Với khoảng cách từ chân trời sự kiện của lỗ đen, chúng ta có thể tính toán theo công thức.
Nhiều người chỉ đơn giản là coi thường việc tìm hiểu kiến thức liên quan đến thuyết tương đối, và phủ nhận thuyết giãn nở thời gian dựa trên logic của việc ăn, uống, đại tiện và tiểu tiện. Nhưng dù những người này có tin hay không thì lý thuyết giãn nở thời gian từ lâu đã được áp dụng trong nghiên cứu khoa học và nhiều ứng dụng công nghệ khác nhau. Ví dụ điển hình và phổ biến nhất là hệ thống định vị và dẫn đường. Nếu không có sự điều chỉnh tương đối giữa giờ vệ tinh và giờ mặt đất, hệ thống dẫn đường sẽ đưa bạn đến Java.
Vậy hiệu ứng giãn nở thời gian có thể khiến con người sống lâu hơn không?
Câu trả lời của tôi là KHÔNG.
Nhiều cư dân mạng có một sự hiểu lầm: vì thời gian trôi chậm lại khi ở gần tàu vũ trụ tốc độ cao hoặc trường hấp dẫn lớn, vậy thì những người sống trong hệ tọa độ này phải chăng sẽ sống lâu hơn?
Trên thực tế, hoàn toàn không phải như vậy. Bởi vì những người trong hệ tọa độ này cảm thấy thời gian vẫn trôi qua bình thường và không hề chậm lại chút nào. Cảm giác về 1 phút, 1 giây, 1 giờ và 1 ngày cũng giống như trên Trái Đất. Nếu chúng ta bỏ qua các yếu tố khác nhau ảnh hưởng đến du hành vũ trụ, chẳng hạn như bức xạ, tình trạng không trọng lượng, v.v., tuổi thọ của chúng sẽ không thay đổi chút nào.
Nghĩa là, nếu chúng có thể sống đến 100 tuổi trên Trái Đất, thì chúng chỉ có thể sống đến 100 tuổi trên tàu vũ trụ.
Trên thực tế, điều kiện để du hành vũ trụ kém an toàn hơn nhiều so với trên Trái Đất. Do đó, trong cùng điều kiện bảo hiểm y tế, nó sẽ ảnh hưởng rất lớn đến tuổi thọ. Nhưng nếu họ trở về Trái Đất và so sánh thời gian trôi qua với thời gian của người Trái Đất, họ sẽ thấy rằng thời gian trôi qua nhanh hơn đối với người Trái Đất so với họ. Tốc độ nhanh hơn bao nhiêu tùy thuộc vào tốc độ của tàu vũ trụ, hoặc trường hấp dẫn mà chúng ở trong đó mạnh đến mức nào và chúng ở đó bao lâu.
Theo công thức giãn nở tốc độ-thời gian, nếu một người đi tàu vũ trụ với vận tốc bằng 99,99% tốc độ ánh sáng và bay trong một năm rồi quay trở lại thì 70 năm sẽ trôi qua đối với những người trên Trái Đất. Nếu một người đi tàu vũ trụ với vận tốc 99,999999999999% tốc độ ánh sáng đến thiên hà Andromeda cách xa 2,54 triệu năm ánh sáng rồi quay trở lại, du khách chỉ mất 0,7 năm, tức là hơn tám tháng một chút, trong khi 5,08 triệu năm đã trôi qua trên Trái Đất.
Nếu tàu vũ trụ mà bạn đang lái có tốc độ rất chậm, nhỏ hơn 50% tốc độ ánh sáng hoặc thậm chí chậm hơn, hiệu ứng giãn nở thời gian sẽ rất nhỏ và tác động sẽ không đáng kể. Tốc độ tàu vũ trụ hiện tại chỉ đạt vài chục km/giây, do đó tác động giãn nở thời gian lên các nhà du hành là hoàn toàn không đáng kể so với con người sống trên Trái Đất.
Thời gian trôi chậm lại, và nó chậm lại ở mọi khía cạnh
Hiệu ứng giãn nở thời gian không phải là thời gian có cảm giác như đang chậm lại, mà là thời gian không có cảm giác như đang chậm lại chút nào. Cái gọi là hiệu ứng co chiều dài và giãn thời gian có thể hiểu là tốc độ càng nhanh thì khoảng cách càng ngắn và thời gian cần thiết càng ít. Ngắn hơn bao nhiêu? Điều này tương ứng với bội số của sự giãn nở thời gian.
Ví dụ, nếu bạn đưa một tàu vũ trụ di chuyển với tốc độ 99,9999999999999% tốc độ ánh sáng đến thiên hà Andromeda, cách xa 2,54 triệu năm ánh sáng, thời gian sẽ giãn ra 7,07 triệu lần, nghĩa là khoảng cách sẽ ngắn lại 7,07 triệu lần. Do đó, khoảng cách 2,54 triệu năm ánh sáng chỉ bằng khoảng 0,35 năm ánh sáng và khoảng cách khứ hồi chỉ là 0,7 năm ánh sáng. Tốc độ của tàu vũ trụ gần bằng tốc độ ánh sáng nên tất nhiên thời gian di chuyển sẽ chỉ mất khoảng 0,7 năm.
Tính toán này chỉ nhằm minh họa giá trị lý thuyết của bài toán này, bỏ qua thời gian tăng tốc, giảm tốc và dừng. Xin đừng mắc kẹt ở đó.
Cho nên, những người trên phi thuyền không cảm thấy thời gian trôi qua chỉ là lâu như vậy, mà thực tế chỉ là lâu như vậy mà thôi. Tốc độ thời gian trôi qua này không phải là bề ngoài mà là bản chất vốn có trong xương tủy của chúng ta. Từ cảm xúc có ý thức đến từng tế bào trong cơ thể, thậm chí cả các nguyên tố nguyên tử tạo nên tế bào, chu trình trao đổi chất chỉ đang trải qua những thay đổi theo thời gian.
Hiệu ứng giãn nở thời gian tương tự cũng xảy ra trong các hệ thống hấp dẫn.
Do đó, đối với những du khách tốc độ cao, so với những người tương đối đứng yên trên Trái Đất, thời gian trôi qua chậm hơn. Với họ, cảm giác thực sự là một ngày chỉ là một ngày, và họ không cảm thấy mình có thêm được thời gian.
Điều này cũng giống như cái mà chúng ta thường gọi là thời kỳ đông cứng, tức là tuổi tác bị đông cứng, hoặc con người bị đông cứng trong tuyết rồi tỉnh dậy sau nhiều năm. Đối với người đã thức tỉnh, nhiều năm đã trôi qua trên thế gian, nhưng liệu đây có phải là tuổi thọ của người bị đóng băng không?
Các chuyến du hành không gian sâu trong tương lai sẽ giảm thiểu hiệu ứng giãn nở thời gian
Hiệu ứng giãn nở thời gian là một hiện tượng khách quan và là quy luật của vũ trụ. Nó không mang lại lợi ích gì cho những người du hành trong không gian mà ngược lại còn gây ra rất nhiều rắc rối. Ví dụ, nếu thực sự có một tàu vũ trụ di chuyển với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng, và mọi người rời khỏi Trái Đất đến một hành tinh nào đó và khi họ quay lại, những người thân yêu của họ đã không còn nữa và Trái Đất đã thay đổi rất nhiều. Mục đích của việc khám phá hay du lịch như vậy là gì?
Do đó, đối với các chuyến du hành không gian sâu trong tương lai, tăng tốc độ chỉ là một khía cạnh. Khi tốc độ dưới 50% tốc độ ánh sáng, hiệu ứng giãn nở thời gian không quá phiền toái và con người vẫn có thể chấp nhận được. Nhưng một hành trình nhanh hơn có thể không dựa vào việc tăng tốc độ, mà dựa vào việc tìm ra một con đường khác.
Hiện nay, cộng đồng khoa học tin rằng có hai cách khả thi để vượt qua nút thắt về tốc độ trong định hướng không gian sâu, đó là vượt qua lỗ sâu và truyền động cong vênh. Nói một cách dễ hiểu, hai phương pháp này là đến đích bằng cách đào đường hầm hoặc đi đường tắt. Xét về tổng thể khoảng cách và thời gian di chuyển, có vẻ như chúng vượt quá tốc độ ánh sáng nhiều lần, nhưng thực tế chúng không làm tăng tốc độ. Do đó, chúng không bị giới hạn bởi tốc độ ánh sáng và sẽ không có hiệu ứng mở rộng tốc độ.
Những phương pháp này vẫn đang ở giai đoạn khoa học viễn tưởng và khó có thể nói liệu chúng có thực sự có thể trở thành hiện thực trong tương lai hay không. Tôi đã giới thiệu rất nhiều thứ này trong quá khứ. Những bạn quan tâm có thể tham khảo các bài viết liên quan mà tôi đã đăng trước đây. Tôi hy vọng nó sẽ hữu ích với mọi người. Cảm ơn bạn đã đọc và hoan nghênh bạn thảo luận.
Bản quyền thuộc về Space-Time Communication. Vi phạm và đạo văn là hành vi phi đạo đức. Xin hãy hiểu và hợp tác.
