Logo Cung Cấp
Thời gian hoạt động như thế nào?

Thời gian hoạt động như thế nào?

4 tháng trước giaoducthoidai.vn

Các nền văn minh trỗi dậy rồi suy tàn. Các ngôi sao sinh ra và chết đi. Phương pháp để theo dõi mọi sự kiện trong vũ trụ và trên Trái đất là so sánh chúng với độ dài thời gian của hiện tại.


Nhưng thời gian có thực sự là một hằng số không?

Thời gian cũng giãn nở

Khoảng 13,8 tỷ năm trước, vũ trụ được sinh ra, và kể từ đó thời gian trôi đi cho đến ngày nay, chứng kiến việc tạo ra các thiên hà và sự giãn nở của không gian. So với vũ trụ, thật khó khăn khi nhận ra rằng loài người chúng ta thực sự mới chỉ trải qua một khoảng thời gian vô cùng ngắn.

Với Trái đất có thể là 4,5 tỷ năm tuổi, nhưng con người hiện đại mới chỉ sinh sống trên hành tinh này trong khoảng 300.000 năm, tức là chỉ bằng 0,002% tuổi của vũ trụ.

Vào thế kỷ 17, nhà vật lý Isaac Newton coi thời gian như một mũi tên bắn ra từ cây cung, đi theo đường thẳng, thẳng mãi và không bao giờ lệch khỏi đường đi của nó.

Đối với Newton, một giây trên Trái đất cũng bằng một giây trên sao Hỏa, sao Mộc hay bất cứ nơi nào khác trong không gian. Ông tin rằng không thể phát hiện được chuyển động tuyệt đối, có nghĩa không có thứ gì trong vũ trụ có vận tốc không đổi, kể cả ánh sáng.

Bằng cách áp dụng lý thuyết này, ông đã có thể giả định rằng nếu vận tốc 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.

Tuy nhiên vào năm 1905, Albert Einstein khẳng định vận tốc ánh sáng là không đổi, nó là một hằng số, có giá trị khoảng 300.000 km/s. Ông mặc định rằng thời gian giống như một dòng sông, nhấp nhô, có dòng chảy phụ thuộc vào tác động của lực hấp dẫn và không - thời gian. Thời gian sẽ tăng tốc hoặc chậm lại xung quanh các vật thể vũ trụ có khối lượng và vận tốc khác nhau, và do đó, một giây trên Trái đất sẽ khác với một giây ở những nơi khác trong vũ trụ.

Điều này đặt ra một vấn đề. Nếu vận tốc ánh sáng thực sự là một hằng số, thì phải có một số biến số thay đổi trong những khoảng cách lớn của vũ trụ. Với vũ trụ đang giãn nở cùng các hành tinh và thiên hà chuyển động ở quy mô khổng lồ, cần phải có thứ gì đó cho phép những dao động nhỏ này xảy ra. Và biến số này phải là thời gian.

Cuối cùng lý thuyết của Einstein không chỉ được coi là sự thật mà còn được chứng minh là hoàn toàn chính xác bởi hai nhà vật lý là JC Hafele và Richard Keating vào năm 1971. Để làm được điều này, họ đã gắn 4 chiếc đồng hồ nguyên tử trên các máy bay vòng quanh thế giới theo hướng Đông và sau đó là theo hướng Tây.

Theo lý thuyết của Einstein, 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 (1 nano giây có độ dài bằng 1 phần tỷ của giây) sau chuyến đi về phía Tây.

Thật đáng kinh ngạc, những chiếc đồng hồ đã thực sự ghi nhận sự khác biệt khi di chuyển về phía Đông và phía Tây trong chuyến bay vòng quanh thế giới. Nó chậm hơn khoảng 59 nano giây và nhanh hơn 273 nano giây khi so sánh với đồng hồ đặt ở mặt đất. Điều này đã chứng minh Eistein đúng, cụ thể là với lý thuyết về sự co giãn thời gian của ông.

Thời gian: Chiều thứ tư của vũ trụ

Một số quan điểm cho rằng, không gian và thời gian là tách biệt. 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 với nhau chặt chẽ. 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 đã có cơ sở, nhưng tất cả những gì cần thiết là bằng chứng.

Bằng chứng đó có sự hỗ trợ của tàu thăm dò trọng lực B của NASA, chứng minh rằng không gian và thời gian thực sự có mối liên hệ với nhau. Bốn con quay hồi chuyển được hướng về phía một ngôi sao ở rất xa. 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 đã bị kéo ra khỏi vị trí dù 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.

Bao lâu là một giây?

Có hai cách đo thời gian chính: Thời gian động lực 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. Tuy nhiên, các phương pháp này không phải lúc nào cũng hoàn toàn chính xác.

Định nghĩa cũ về giây dựa trên chuyển động tự quay của Trái đất. Vì ngày nào Mặt trời cũng mọc lên ở phía Đông và lặn xuống 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 quay không đều. Vòng quay của nó giảm với vận tốc khoảng 30 giây sau mỗi 10.000 năm do các yếu tố như ma sát thủy triều. Các nhà khoa học đã nghĩ ra cách tính đến sự thay đổi vận tốc quay của Trái đất, đưa ra những giây nhuận, nhưng để có thời gian chính xác nhất, bạn phải chia nhỏ ra hơn nữa.

Thời gian nguyên tử phụ thuộc vào sự chuyển đổi năng lượng trong nguyên tử của một nguyên tố nhất định, thường là cesium. Bằng cách xác định một giây sử dụng số lần chuyển đổi này, thời gian có thể được đo với độ chính xác chênh lệch chỉ một phần nhỏ của giây trong một triệu năm. Theo cách này, một giây sẽ được định nghĩa là 9.192.613.770 lần chuyển tiếp năng lượng trong một nguyên tử cesium.

Đồng hồ nguyên tử: Theo dõi thời gian chính xác nhất

Đồng hồ chính xác nhất trong vũ trụ có thể là một pulsar. Nhưng trên Trái đất, đồng hồ nguyên tử cung cấp cách đo 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 hầu hết các đồng hồ nguyên tử dựa vào từ trường, đồng hồ hiện đại nhất 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 đo thời gian trên khắp thế giới, đồng hồ stronti hứa hẹn độ chính xác cao gấp đôi. Bên cạnh đó, thiết kế thử nghiệm dựa trên các nguyên tử thủy ngân tích điện có thể làm giảm sự khác biệt xuống còn chưa đến 1 giây trong 400 triệu năm.