Thời gian ở xung quanh chúng ta - nó luôn tồn tại và là cơ sở để con người ghi lại sự sống trên Trái đất. Thời gian cũng là hằng số giữ cho thế giới, hệ mặt trời và thậm chí là cả vũ trụ hoạt động một cách tích cực.
Các nền văn minh trỗi dậy và suy tàn, các ngôi sao được sinh ra và diệt vong nhưng ít ai để ý rằng phương pháp theo dõi mọi sự kiện trong vũ trụ cũng như trên Trái đất là so sánh chúng với hiện tại. Vậy thời gian có chính xác là một hằng số không? Nó có thực sự đơn giản là chuyển động từ giây này sang giây khác hay không?
Khoảng 13,8 tỷ năm trước, vũ trụ được sinh ra và kể từ đó thời gian trôi đều cho đến ngày nay. Nó giám sát việc tạo ra các thiên hà, sự giãn nở của không gian. Tuy nhiên, có một thực tế phải thừa nhận là sự tồn tại của con người cho đến nay là quá nhỏ bé so với vũ trụ, kể cả khi xét nó ở lĩnh vực thời gian.
Trái đất đã hình thành và phát triển được 4,5 tỷ năm nhưng con người hiện đại mới sinh sống trên hành tinh này được khoảng 300.000 năm. Con số 300.000 năm chỉ ngang với 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 dây cung, đi theo đường thẳng và không bao giờ lệch khỏi đường đi của nó. Đối với Newton, 1 giây trên Trái đất có cùng độ dài thời gian với 1 giây trên sao Hỏa, sao Mộc hoặc trong không gian sâu thẳm nào đó.
Thời gian là hằng số giữ cho thế giới hoạt động tích cực.
Newton cũng tin rằng không có thứ gì trong vũ trụ sở hữu tốc độ không đổi, kể cả ánh sáng. Bằng cách áp dụng lý thuyết này, ông đã có thể giả định rằng nếu tốc độ 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 giữa hai giây bất kỳ. Mỗi ngày có khoảng 24 giờ và không thể có một ngày 26 hay 23 giờ.
Tuy nhiên, năm 1905, Albert Einstein khẳng định tốc độ ánh sáng không thay đổi, mà nó bất biến ở mức 299,792 km/s. Ông mặc định rằng thời gian giống như một dòng sông, nhấp nhô và tốc độ chảy phụ thuộc vào tác động của lực hấp dẫn. Thời gian sẽ tăng tốc và chậm lại xung quanh các thiên thể của vũ trụ có khối lượng và vận tốc khác nhau. Do đó, 1 giây trên Trái đất không thể bằng thời gian ở các nơi khác trong vũ trụ.
Cuối cùng, lý thuyết của Einstein được chứng minh là chính xác. Vào tháng 10/1971, hai nhà vật lý có tên JC Hafele và Richard Keating đã đặt 4 đồng hồ nguyên tử cesium trên các máy bay đi vòng quanh thế giới.
Theo lý thuyết của Einstein, khi so sánh với đồng hồ nguyên tử trên mặt đất đặt tại Đài quan sát Hải quân Hoa Kỳ ở Washington, DC thì các đồng hồ ở trên máy bay sẽ chậm hơn khoảng 40 nano giây sau khi di chuyển về phía đông và nhanh hơn 275 nano giây khi di chuyển về phía tây. Thật đáng kinh ngạc, những chiếc đồng hồ này thực tế có ghi nhận sự khác biệt khi di chuyển. Cụ thể là chậm hơn 59 nano giây khi đi về phía đông và 273 nano giây khi đi về phía tây so với đồng hồ tại Đài quan sát Hải quân Hoa Kỳ ở Washington, DC. Điều này chứng minh rằng Einstein đã đúng với lý thuyết về sự giãn nở thời gian và thời gian thực sự dao động trong toàn vũ trụ.
Tuy có những sự khác biệt trong cách hiểu nhưng Newton và Einstein lại có chung một quan điểm: thời gian trôi về phía trước. Cho đến nay, không có bằng chứng về bất cứ thứ gì trong vũ trụ có thể né tránh được thời gian và chẳng có thứ gì có thể tiến hay lùi thời gian theo ý muốn.
Mọi thứ cuối cùng đều di chuyển về phía trước theo thời gian, có thể là với tốc độ đều đặn hoặc hơi bị cong vênh nếu tiến tới tốc độ ánh sáng. Vậy nhưng tại sao thời gian lại trôi. Các nhà khoa học không chắc chắn với điều này nhưng họ đưa ra lý thuyết để giải thích nó.
Một số giả thuyết cho rằng thời gian trôi qua là do sự giãn nở của vũ trụ. Khi vũ trụ giãn nở, nó kéo theo thời gian, vì không gian và thời gian được liên kết làm một. Tuy nhiên, điều này có nghĩa là nếu vũ trụ đạt đến giới hạn giãn nở theo lý thuyết và bắt đầu co lại thì thời gian sẽ đảo ngược. Đây là một nghịch lý với các nhà khoa học.
Tầm quan trọng của thuyết tương đối hẹp
Thuyết tương đối của Einstein dựa trên một thực tế: Tốc độ của ánh sáng. Để áp dụng điều này vào thực tế, hãy tưởng tượng bạn đang đi trên một chiếc ô tô với vận tốc 32km/h và vượt qua một người đang đứng yên. Khi vượt qua người đó, bạn ném một quả bóng ra phía trước xe với vận tốc 16km/h.
Tốc độ ánh sáng luôn không đổi và không có gì có thể truyền đi nhanh hơn tốc độ của nó.
Đối với người đó, tốc độ của quả bóng còn kết hợp thêm với tốc độ của ô tô và tổng hợp lại là 48km/h. Tuy nhiên, so với bạn, quả bóng chỉ di chuyển với tốc độ 10km/h.
Bây giờ hãy tưởng tượng một kịch bản khác. Lần này, bạn đang di chuyển với tốc độ bằng nửa vận tốc ánh sáng và vượt qua người bạn đang đứng yên của mình. Sau đó, bạn chiếu một chùm sáng ra khỏi kính chắn gió ô tô.
Trong phép tính trước, chúng ta đã cộng tốc độ của quả bóng và ô tô với nhau để tính xem người đứng trên đường nhìn thấy gì. Vậy trong trường hợp này, bạn của bạn có nhìn thấy chùm sáng di chuyển với tốc độ gấp rưỡi vận tốc ánh sáng hay không?
Theo Einstein, câu trả lời là không. Tốc độ ánh sáng luôn không đổi và không có gì có thể truyền đi nhanh hơn tốc độ của nó. Trong ví dụ thứ 2, cả bạn và người bạn đứng trên đường đều quan sát tốc độ chùm sáng với vận tốc là 299,792 km/s. Đây là thuyết tương đối hẹp và nó rất quan trọng khi nói về thời gian.
Thời gian: Chiều thứ 4 của vũ trụ
Người ta từng cho rằng không gian và thời gian là tách biệt và vũ trụ chỉ đơn thuần là một tổ hợp các thiên thể được sắp xếp ba chiều. Tuy nhiên, Einstein đã đưa ra khái niệm về chiều không gian thứ 4 - thời gian - điều đó có nghĩa không gian và thời gian có mối liên hệ chặt chẽ với nhau. Thuyết tương đối rộng cho rằng không gian và thời gian giãn nở cũng như co lại tùy thuộc vào động lượng và khối lượng của vật chất gần đó. Lý thuyết này có cơ sở nhưng vấn đề cần thiết là bằng chứng.
Bằng chứng đó có sự hỗ trợ từ Tàu thăm dò hấp dẫn B của NASA. Nó đã giúp chứng minh rằng không gian và thời gian thực sự có mối liên hệ với nhau. Bốn con quay hồi chuyển được hướng về một ngôi sao và nếu lực hấp dẫn không ảnh hưởng đến không gian cũng như thời gian, chúng sẽ vẫn bị khóa ở vị trí cũ. Tuy nhiên, các nhà khoa học đã quan sát rằng các con quay hồi chuyển đã bị kéo ra khỏi vị trí. Điều này dường như chứng minh được rằng bản thân cấu trúc của không gian có thể bị thay đổi và nếu không gian cũng như thời gian được liên kết với nhau thì bản thân thời gian có thể bị kéo dãn và co lại bởi lực hấp dẫn.
1 giây là bao lâu?
Có hai cách đo thời gian chính hiện nay: đo thời gian động 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 phương pháp này không phải lúc nào cũng hoàn toàn chính xác.
Định nghĩa cũ về giây 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 gần như được chia tùy ý thành 24 giờ, một giờ thành 60 phút, một phút thành 60 giây. Tuy nhiên, Trái đất quay không đều. Vòng quay của nó giảm với tốc độ khoảng 30 giây sau mỗi 10.000 năm do các yếu tố khác nhau. Các nhà khoa học đã nghĩ ra cách tính đến sự thay đổi tốc độ quay của Trái đất. Nhưng để đo thời gian chính xác nhất, bạn phải dùng cách khác.
Có hai cách đo thời gian chính hiện nay: đo thời gian động và thời gian nguyên tử.
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 bằng cách sử dụng số lần chuyển đổi này, thời gian có thể được đo chính xác hơn. Định nghĩa 1 giây hiện nay là sự kéo dài 9.192.631.77 chu kỳ của bức xạ ứng với sự chuyển tiếp giữa hai mức trạng thái năng lượng của nguyên tử cesium.