Chương 3 -Uốn cong và lượn sóng(5)

Lại nói về sự cong của thời gian

Những minh họa như các hình 3.2; 3.4 và 3.6 đã nắm bắt được ý nghĩa căn bản của cái được gọi là không gian cong. Sự cong làm méo đi hình dạng của không gian. Các nhà vật lý đã phát minh ra nhiều hình ảnh tương tự nhằm chuyển tải được ý nghĩa của “thời gian cong”, nhưng hiểu được chúng cũng không dễ dàng gì, vì vậy, chúng tôi sẽ không đưa chúng vào đây. Thay vì, chúng ta sẽ tiếp tục theo dõi phần tiếp sau những cuộc phiêu lưu của Slim và Jim trên sàn quay Tornado và cố gắng thu được ý nghĩa của những hệ quả được suy ra từ sự cong của thời gian bị cong do hấp dẫn gây ra.

Để làm điều đó, chúng ta hãy gặp lại Goerge và Gracie không phải trong bóng đêm sâu thẳm của khoảng không Vũ trụ mà trôi nổi đâu đó ở vùng ngoại vi của hệ Mặt Trời. Họ vẫn còn đeo một chiếc đồng hồ số to tướng trên người và ban đầu đã được chỉnh giờ như nhau. Để cho đơn giản, ta sẽ không xét đến ảnh hưởng của các hành tinh mà chỉ xét trường hấp dẫn của Mặt Trời. Hơn nữa, ta cũng tưởng tượng rằng có một con tàu vũ trụ cũng trôi nổi ở gần hai người và thả một sợi cáp dài xuống gần bề mặt của Mặt Trời. Và Goerge đã dùng sợi cáp này để tụt xuống phía Mặt Trời. Khi làm như vậy, định kỳ anh ta lại dừng lại để cùng với Gracie so sánh nhịp độ trôi của thời gian xét theo đồng hồ của họ. Sự cong của thời gian được tiên đoán bởi thuyết tương đối rộng dẫn tới hệ quả là đòng hồ của Goerge chạy ngày càng chậm so với đồng hồ của Gracie vì trường hấp dẫn tác dụng lên anh ta ngày càng mạnh hơn. Điều này có nghĩa là, càng tiến gần tới Mặt Trời thì đồng hồ của anh ta chạy càng chậm. Và nói rằng hấp dẫn làm cong thời gian cũng như không gian là hiểu theo nghĩa đó.

Bạn cũng nên lưu ý rằng, không giống như trường hợp nêu ở Chương 2, trong đó Goerge và Gracie ở trong khoảng không vũ trụ và chuyển động thẳng đều đối với nhau, trong trường hợp ta đang xét, không có sự đối xứng giữa họ. Khác với Gracie, Goerge cảm thấy lực hấp dẫn ngày càng mạnh, nên anh ta ngày càng phải giữ chặt dây cáp hơn để không bị kéo tụt xuống dưới. Cả hai người đều nhất trí rằng đồng hồ của Goerge chạy chậm hơn. Hoàn toàn không có “sự tương đương của hai quan điểm” để có thể trao đổi vai trò của họ và đảo ngược lại kết luận đó. Thực tế, đây chính là điều mà chúng ta đã tìm thấy trong Chương 2, khi Goerge cảm nhận thấy gia tốc bằng cách bật động cơ phản lực đeo ở sau lưng để đuổi theo Gracie. Gia tốc mà Goerge cảm nhận được làm cho đồng hồ của anh ta chắc chắn chậm so với đồng hồ của Gracie. Do bây giờ chúng ta đã biết cảm nhận chuyển động có gia tốc cũng hệt như cảm nhận lực hấp dẫn, vì vậy mà tình huống Goerge đang bám vào sợi cáp mà ta đang xét có liên quan cùng một nguyên lý và lại một lần nữa, ta thấy đồng hồ của Goerge và mọi thứ trong anh ta đều diễn ra theo nhịp độ chậm hơn so với Gracie.

Trong trường hợp hấp dẫn, như ở bề mặt của Mặt Trời, sự chạy chậm của đồng hồ của Goerge là khá nhỏ. Nếu như Gracie ở cách Mặt Trời khoảng vài kilômét, nhịp độ phát ra tiếng tíc tắc của đồng hồ anh ta chỉ bằng 99,9998% đồng hồ của Gracie. Đúng là có chậm hơn, nhưng không nhiều [1] . Tuy nhiên, nếu Goerge theo dây cáp tụt xuống tới mức lơ lửng ngay ở sát bề mặt của một sao nơtron, một loại sao có khối lượng gần bằng Mặt Trời nhưng bị nén tới mức có khối lượng riêng lớn gấp cỡ một triệu tỷ lần của Mặt Trời, nên lực hấp dẫn mạnh hơn của nó làm cho đồng hồ của Goerge có nhịp độ phát tiếng tíc tắc chỉ còn bằng 78% đồng hồ của Gracie. Những trường hấp dẫn mạnh hơn, như trường ở bên ngoài các lỗ đen (như sẽ thảo luận dưới đây) sẽ làm cho sự trôi của thời gian còn chậm lại hơn nữa, tức là trường hấp dẫn càng mạnh càng làm cho thời gian bị cong nhiều hơn.

[1] Ngay cả như thế đi nữa, các đồng hồ nguyên tử hiện có cũng đủ chính xác để phát hiện được sự cong nhỏ như thế hoặc còn nhỏ hơn nữa của thời gian. Ví dụ, năm 1976 Robetr Vessot và martin Levine thuộc Đài Vật lý Thiên văn Smithson của Đại học Harvard cùng với một số cộng tác viên thuộc Cơ quan Nghiên cứu Vũ trụ quốc gia (NASA)đã phóng một tên lửa Scout D từ đảo Wallops, mang theo một đồng hồ nguyên tử với độ chính xác khoảng một phần ngàn tỷ giây trong một giờ. Họ hy vọng sẽ chứng tỏ được rằng khi tên lửa đạt được độ cao (do đó giảm tác dụng lực hút hấp dẫn của Trái Đất), thì đồng hồ nguyên tử giống hệt như thế gắn với mặt đất (tức vẫn còn chịu lực hút hấp dẫn của Trái Đất) sẽ chạy chậm hơn. Nhờ một dòng tín hiệu vi ba hai chiều, các nhà nghiên cứu đã so sánh được tốc độ của hai đồng hồ nguyên tử đó, và thực tế, ở độ cao cực đại của tên lửa (khoảng 10 ngàn kilômét) đồng hồ nguyên tử của nó chạy nhanh hơn khoảng 4 phần tỷ giây so với đồng hồ nguyên tử trên mặt đất, phù hợp với những tiên đoán của lý thuyết với độ chính xác nhỏ hơn một phần vạn.