Theo thuyết tương đối của Einstein, đồng hồ trên Mặt Trăng sẽ đi nhanh hơn trên Trái Đất. Vì sao?

Trong cơ học cổ điển, thời gian là tuyệt đối và giống nhau ở mọi nơi trên trái đất lẫn trong Thái Dương hệ và toàn vũ trụ. Đầu thế kỷ 20, thuyết tương đối của Einstein ra đời đã làm nên một cuộc cách mạng trong nhận thức của loài người chúng ta về thời gian, không gian. Thời gian là tương đối và chỉ là một yếu tố của không-thời gian bốn chiều. Theo chuẩn mực mới trong vật lý học hiện đại thì thời gian trên mặt trăng khác biệt như thế nào so với trái đất?

Giờ UTC là gì và vì sao nó còn được gọi là GMT?

Mưa sao băng, siêu trăng liên tiếp xuất hiện trong tuần này …

Mặt trăng quan trọng như thế nào đối với sự sống trên Trái đất ..

Giải mã hiện tượng mặt trăng "thơ thẩn trên trời" vào ban ngày

Mời bạn đọc VnReview theo dõi bài viết sau đây tổng hợp từ ý kiến các chuyên gia vật lý, thiên văn trên website hỏi đáp quora.com và các trang tin khoa học uy tín Science Focus, Space, ThoughtCo, Wikipedia tiếng Anh.

Đồng hồ trên Mặt Trăng vẫn báo giờ chuẩn UTC

Theo tiến sĩ Alastair Gunn trên Science Focus, không có sự khác biệt trong cách tính thời gian trên Mặt Trăng và Trái Đất. Thời gian ở mọi nơi trong vũ trụ đều được định nghĩa như nhau. Tiêu chuẩn thời gian hiện nay là giờ phối hợp quốc tế-Universal Time Coordinated, viết tắt là UTC hay còn gọi là UT. Kể từ năm 1972, UTC được đo bằng đồng hồ nguyên tử đã thay thế cho giờ GMT.

Thời gian được tính theo chuyển động của mặt trời trên bầu trời Thái Dương hệ của chúng ta, đó là công thức cho thời gian trên Trái Đất. Và chúng ta có nhiều múi giờ khác nhau tùy theo bạn đang ở vị trí nào trên hành tinh xanh.

Người ta cũng đưa ra một công thức cho thời gian trên Mặt Trăng dựa trên chuyển động của mặt trời được quan sát từ Mặt Trăng. Nó được gọi là Thời gian Tiêu chuẩn Mặt Trăng nhưng đó chỉ là một bài toán thú vị đối với những người yêu vật lý chứ không làm thay đổi bản chất của định nghĩa thời gian và chuẩn UTC.

Tiến sĩ Alastair Gunn là một nhà vật lý thiên thể ở đại học Manchester (Vương quốc Anh), tác giả chuyên mục trên Science Focus.

(Ảnh: 9news)

Thời gian là tương đối nên đồng hồ Mặt Trăng sẽ nhanh hơn

Thời gian trên Trái Đất được chia thành nhiều múi giờ khác nhau. Một câu hỏi đặt ra là, nếu bạn đang ở Mặt Trăng thì bạn thuộc về múi giờ nào?

Việc tính thời gian trên Mặt Trăng phức tạp hơn chúng ta nghĩ vì Mặt Trăng là một thiên thể lớn trong không gian, có khối lượng, kích thước nhất định và có chuyển động chứ không đứng yên như một khu vực nào đó trên Trái Đất.

Theo thống kê từ NASA, bán kính xích đạo của Mặt Trăng là 1.738,1 km, so với bán kính xích đạo Trái Đất là 6.378,1 km thì bán kính Mặt Trăng chưa tới 1/3 Trái Đất. Mặt Trăng nặng 7,35 x 1022 kg, so với Trái Đất là 597,24 x 1022 kg thì Mặt Trăng chỉ bằng 1,2% khối lượng Trái Đất hay nhẹ hơn Trái Đất 80 lần. Mặt Trăng cách Trái Đất 385.000 km và hành tinh này xoay quanh Trái Đất với vận tốc 3.683 km/h, tức 1 km/s, còn Trái Đất quay quanh mặt trời ở tốc độ 30 km/s.

Mặt Trăng cách Trái Đất 385.000 km (Ảnh: Space.fm)

Thời gian trên những vật thể khổng lồ và chuyển động với vận tốc nhất định như Mặt Trăng sẽ chịu ảnh hưởng của những quy luật vật lý nào?

Theo Exactly What is timeThoughtCo, trong cơ học cổ điển, thời gian được dùng phổ biến là thời gian tuyệt đối, giống nhau ở tất cả mọi nơi. Các đồng hồ được đồng bộ đều thống nhất với nhau. Thời gian độc lập với người nhận thức, tiến triển với nhịp điệu nhất quán với mọi người ở mọi nơi trong vũ trụ. Về bản chất, thời gian có tính chất toán học và không thể nhận thức được. Điều này phù hợp với trải nghiệm hàng ngày của hầu hết mọi người về cách thức hoạt động của thời gian.

Đầu thế kỷ 20, thuyết tương đối của Einstein ra đời đã làm thay đổi quan niệm của chúng ta về thời gian. Tiêu chuẩn mới về thời gian trong vật lý học là, thời gian là tương đối và chỉ là môt yếu tố trong không-thời gian bốn chiều thống nhất.

Thời gian tương đối nghĩa là nó tùy thuộc vào hệ quy chiếu của người quan sát. Hệ quả của thời gian tương đối là sự giãn nở thời gian (time dilation), hiện tượng xảy ra khi hai vật thể trải nghiệm tốc độ thời gian trôi khác nhau do di chuyển trong tương quan với nhau hoặc khác nhau về cường độ trường hấp dẫn tác động lên nhau.

(Ảnh: Space)

Loại giãn nở thời gian do vận tốc tương đối (relative velocity time dilation) xuất phát từ thuyết tương đối đặc biệt (thuyết tương đối hẹp). Một người càng di chuyển với vận tốc gần vận tốc ánh sáng hơn thì thời gian giữa các sự kiện với người đó sẽ càng dài hơn. Đồng hồ đang di chuyển sẽ chạy chậm hơn đồng hồ đứng yên, và hệ quả này sẽ càng rõ ràng hơn khi chiếc đồng hồ di chuyển gần với vận tốc ánh sáng. Đồng hồ trong các máy bay phản lực hoặc trong quỹ đạo ghi nhận thời gian chậm hơn đồng hồ trên Trái Đất.

Loại giãn nở thời gian do hấp dẫn (gravitational time dilation) được Einstein nhắc đến lần đầu năm 1907 như là một hệ quả của thuyết tương đối hẹp trong các hệ quy chiếu gia tốc. Giãn nở thời gian hấp dẫn cũng được Einstein miêu tả trong thuyết tương đối tổng quát (thuyết tương đối rộng), là sự chênh lệch so với thời gian chính xác ở những vị trí khác nhau trong không-thời gian. Điều này có nghĩa là thời gian sẽ giãn nở tùy theo vị trí của bạn so với nơi có sức hấp dẫn cao hơn. Bạn càng ở gần khối lượng hấp dẫn hoặc ở nơi có hấp dẫn cao hơn bao nhiêu thì đồng hồ của bạn sẽ càng chạy chậm hơn người ở xa khối lượng hấp dẫn hay ở nơi có hấp dẫn thấp hơn bấy nhiêu.

Khi bạn ở gần một lỗ đen có khối lượng cực lớn, bạn sẽ thấy thời gian trên tàu vũ trụ chậm như rùa bò.

Thời gian trên vệ tinh quay quanh một hành tinh sẽ là sự kết hợp của cả hai loại giãn nở thời gian này. Vệ tinh di chuyển nhanh hơn người quan sát trên hành tinh thì đồng hồ trên vệ tinh sẽ chạy chậm hơn và ngược lại. Hấp dẫn trên vệ tinh yếu hơn hành tinh nên vệ tinh càng ở gần hành tinh bao nhiêu thì đồng hồ trên vệ tinh sẽ càng chạy chậm bấy nhiêu. Hai tác động trên có thể triệt tiêu lẫn nhau, cộng hưởng nhau hoặc tác động nào lớn hơn sẽ chiếm ưu thế hơn.

Mặt Trăng là vệ tinh tự nhiên của Trái Đất, thời gian trên Mặt Trăng sẽ chịu ảnh hưởng kết hợp cả hai loại giãn nở thời gian này.

Theo nhà thiên văn Ganesh Subramaniam trên quora.com, tuy Mặt Trăng có gia tốc nhưng với vận tốc 1 km/s thì nó di chuyển rất chậm so với Trái Đất nên tác động giãn nở thời gian do gia tốc lên Mặt Trăng có thể xem như không có. Tác động giãn nở thời gian do hấp dẫn sẽ chiếm ưu thế hơn. Hấp dẫn trên bề mặt Mặt Trăng là 1,62 m/s, yếu hơn Trái Đất 6 lần (gia tốc hấp dẫn hay gia tốc trọng trường của Trái Đất là g = 9,8 m/s) nên thời gian trên Mặt Trăng sẽ nhanh hơn Trái Đất.

Theo tính toán, thật ra chênh lệch thời gian giữa Mặt Trăng và Trái Đất rất nhỏ, chỉ khoảng… 0,021 giây mỗi năm. Chúng ta có thể kiểm chứng điều này bằng cách đặt một chiếc đồng hồ nguyên tử trên Mặt Trăng và so sánh với đồng hồ ở Trái Đất. Nếu số liệu trên đúng thì đó sẽ là bằng chứng củng cố thuyết tương đối của Einstein một lần nữa.

Ganesh Subramaniam là một nhà thiên văn Ấn Độ, biên tập viên Ham Radio News, tạp chí chính thức của Hiệp hội vô tuyến nghiệp dư Ấn Độ.

Trong thực tế, có một hiện tượng tương tự đã được kiểm chứng là đồng hồ trên các vệ tinh định vị toàn cầu (GPS) tuy rất chính xác nhưng cũng chịu tác động của giãn nở thời gian do tốc độ và hấp dẫn nên phải được điều chỉnh để bù đắp sự chênh lệch. Theo Space, do di chuyển quanh Trái Đất nên đồng hồ trên vệ tinh chạy chậm hơn đồng hồ trên mặt đất 7 micro giây mỗi ngày (giãn nở thời gian do vận tốc tương đối). Và do vệ tinh bay cao nên hấp dẫn yếu hơn trên mặt đất, dẫn tới đồng hồ vệ tinh chạy nhanh hơn đồng hồ mặt đất 45 micro giây mỗi ngày (giãn nở thời gian do hấp dẫn). Tổng cộng hai tác động này khiến đồng hồ GPS đi nhanh hơn trên đồng hồ mặt đất 38 micro giây mỗi ngày.

(Ảnh: Fauquier county)

Bộ lịch "chuẩn Mặt Trăng"

Một ngày trên Trái Đất, 24 giờ là khoảng thời gian Trái Đất quay quanh trục của nó. Tương tự, một ngày trên Mặt Trăng là khoảng thời gian Mặt Trăng hoàn thành một vòng quay quanh trục của nó, bằng 27 ngày trên Trái Đất. Để hoàn thành một vòng quay trong tương quan với các ngôi sao cố định trên thiên cầu. Mặt Trăng cần đi thêm vài tiếng nên vòng quay này lên tới 27 ngày, 7 giờ 43 phút và 12 giây (27,3 ngày), theo Wikipedia. Khoảng thời gian 27,3 ngày được gọi là một tháng thiên văn (sidereal month).

Để hệ thống Mặt Trăng-Trái Đất tiến tới quanh mặt trời cùng lúc và Mặt Trăng trở về cùng pha thì Mặt Trăng lại cần chuyển động thêm vài ngày nữa. Một vòng quay như vậy bằng 29 ngày, 12 giờ, 44 phút 3 giây (29,5 ngày), được gọi là một tháng giao hội (synodic month), cũng chính là một tháng âm lịch trên Trái Đất. Điều này có nghĩa là khi đứng ở Mặt Trăng thì chúng ta cần 29,5 ngày để thấy mặt trời chuyển động trên bầu trời rồi trở lại vị trí ban đầu.

Kết quả là, một ngày Mặt Trăng bằng 29,5 ngày Trái Đất sẽ có 2 tuần sáng và 2 tuần tối (được gọi là đêm Mặt Trăng). Thời điểm đầu ngày (trăng tròn) chính là buổi trưa trên Mặt Trăng.

Dưới đây là ảnh minh họa chuyển động của Mặt Trăng quay quanh chính nó và Trái Đất (Moon rotated, sidereal month), chuyển động của Mặt Trăng để quay lại cùng pha (New Moon, synodic month).

(Ảnh: Space.fm)

Theo Space, một điều thú vị là thời gian Mặt Trăng tự quay quanh mình cũng gần bằng thời gian Mặt Trăng quay quanh Trái Đất nên khi nhìn từ Trái Đất, chúng ta luôn thấy cùng một mặt của Mặt Trăng và dường như Mặt Trăng không xoay mà đứng yên một cách hoàn hảo. Các nhà khoa học gọi đây là sự quay quanh đồng thời (synchronous rotation).

Vấn đề đặt ra là, làm sao để một ngày Mặt Trăng phù hợp với ngày 24 giờ trên Trái Đất?
 

Những người yêu vật lý trên Lunar Clock đã đưa ra một định nghĩa mới về năm Mặt Trăng là: Năm Mặt Trăng chỉ gồm 12 ngày, mỗi ngày có 30 chu kỳ, mỗi chu kỳ có 24 giờ, mỗi giờ 60 phút và mỗi phút 60 giây.

Một chu kỳ Mặt Trăng sẽ dài bằng 29,3/30 ngày Trái Đất.

Lấy ngày Neil Armstrong đặt chân lên Mặt Trăng, 21/07/1969, lúc 02:56:15 UT làm ngày đầu tiên cho lịch Mặt Trăng mới thì đó sẽ là Năm 1, ngày 1 chu kỳ 1 của Mặt Trăng, ký hiệu 01-01-01 ∇ 00:00:00.

Cách viết ký hiệu chuẩn là: Năm-Ngày-Tháng-Chu kỳ ∇ Giờ:Phút:Giây

Ngày 9/11/1969 mà Alan LaVern Bean xuất hiện trên Mặt Trăng sẽ được ký hiệu là 1-05-04 ∇ 07:24. Đây chính là Thời gian Tiêu chuẩn Mặt Trăng (Lunar Standard Time) mà tiến sĩ Alastair Gunn nhắc đến ở phần đầu.

Alan LaVern Bean là phi hành gia thứ tư đặt chân lên Mặt Trăng trên Apollo 12.

Ngày 9/11/1969 mà Alan LaVern Bean xuất hiện trên Mặt Trăng ký hiệu theo lịch chuẩn Mặt Trăng mới là 1-05-04 ∇ 07:24 (Ảnh: Lunar Clock)

Linh Trần (tổng hợp)

 

Đánh giá gần đây
Đọc nhiều nhất Phản hồi nhiều nhất

1 Đập Tam Hiệp Trung Quốc: 13 sự thật về con đập khổng lồ gây tranh cãi đã làm chậm quá trình quay của Trái đất

2 Bằng A1 không được lái SH, B1 không được lái ô tô theo dự thảo luật sửa đổi

3 Vụ doanh nhân bị cướp 35 tỷ: Băng cướp có thực sự 'cướp tài sản' hay không?

4 Tại sao xe tăng Merkava của Israel xứng danh là một trong những chiếc tăng tốt nhất thế giới?

5 Quyền riêng tư bị xâm phạm và “cây kim trong bọc”

Tin Liên quan
Các tin khác
a
Xem thêm
Góc nhìn VNREVIEW