Đồng hồ trên các vệ tinh định vị chạy lệch so với đồng hồ dưới mặt đất vì hai hiệu ứng của thuyết tương đối. Vệ tinh bay rất nhanh nên thời gian của nó chậm lại một chút; nó ở xa Trái Đất, hấp dẫn yếu hơn, nên thời gian lại nhanh hơn một chút. Cộng lại, đồng hồ vệ tinh chạy nhanh hơn, và nếu không hiệu chỉnh, vị trí trên bản đồ điện thoại của bạn sẽ sai lệch thêm nhiều ki lô mét mỗi ngày.
Chào bạn, đây là Nhà Khoa Học. Thuyết tương đối nghe như chuyện của phim viễn tưởng và phi hành gia. Nhưng mỗi lần bạn mở bản đồ để tìm quán phở hay nhận đơn giao hàng, bạn đang dùng một công nghệ chỉ chạy đúng nhờ những ý tưởng của Einstein. Tập này mình kể chuyện đó.
Điện thoại biết mình ở đâu bằng cách nào?
Trên bầu trời có hàng chục vệ tinh định vị bay quanh Trái Đất. Mỗi vệ tinh mang theo những chiếc đồng hồ nguyên tử cực kỳ chính xác, và liên tục phát tín hiệu cho biết: mình là vệ tinh nào, đang ở đâu, và bây giờ là mấy giờ theo đồng hồ của mình.
Điện thoại của bạn nhận tín hiệu từ nhiều vệ tinh cùng lúc. Vì tín hiệu đi với tốc độ ánh sáng, điện thoại tính được mỗi tín hiệu đã đi mất bao lâu, từ đó biết mình cách từng vệ tinh bao xa. Có khoảng cách tới ít nhất bốn vệ tinh, nó tính ra được vị trí của mình.
Mấu chốt ở đây là thời gian. Ánh sáng đi khoảng ba trăm nghìn ki lô mét mỗi giây, tức là chỉ một phần triệu giây sai lệch đã thành sai khoảng ba trăm mét về khoảng cách. Hệ thống cần đồng hồ chính xác tới mức phần tỉ giây.
Và ở mức chính xác đó, những hiệu ứng mà đời thường không ai cảm nhận được bỗng trở nên quan trọng.
Chạy nhanh thì thời gian chậm lại
Thuyết tương đối hẹp của Einstein nói rằng thời gian không trôi như nhau với mọi người. Với một vật đang chuyển động nhanh so với mình, đồng hồ của vật đó chạy chậm hơn đồng hồ của mình. Hiệu ứng này rất nhỏ ở tốc độ bình thường, và chỉ rõ rệt khi tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng.
Nghe thì như chuyện triết học, nhưng nó đã được đo trực tiếp. Có những thí nghiệm mang đồng hồ nguyên tử lên máy bay bay vòng quanh Trái Đất, rồi so với đồng hồ để lại dưới đất. Chúng lệch nhau đúng như tính toán.
Trong tự nhiên cũng có bằng chứng. Tia vũ trụ va vào khí quyển tạo ra những hạt tên là muy ôn, sống cực ngắn. Theo tính toán thông thường, chúng phân rã hết trước khi tới mặt đất. Vậy mà máy đo dưới đất vẫn bắt được rất nhiều, vì chúng bay nhanh gần bằng ánh sáng, thời gian của chúng bị kéo dãn ra.
Vệ tinh định vị bay nhanh hơn xe máy của bạn rất nhiều, dù vẫn chậm hơn ánh sáng vô số lần. Đủ để đồng hồ trên đó chậm đi một chút mỗi ngày.
Hấp dẫn yếu thì thời gian nhanh hơn
Thuyết tương đối rộng, Einstein công bố sau đó khoảng một thập kỷ, còn nói thêm một điều lạ hơn: hấp dẫn làm chậm thời gian. Ở gần một vật nặng, đồng hồ chạy chậm hơn so với ở xa.
Đồng hồ ở tầng trệt chạy chậm hơn đồng hồ trên sân thượng. Chênh lệch nhỏ tới mức phải dùng những đồng hồ nguyên tử chính xác nhất mới đo được, và các phòng thí nghiệm đã đo được chênh lệch đó chỉ với độ cao khác nhau cỡ một bậc cầu thang.
Vệ tinh định vị bay ở độ cao hơn hai mươi nghìn ki lô mét, nơi hấp dẫn của Trái Đất yếu hơn đáng kể. Vì vậy đồng hồ của nó chạy nhanh hơn đồng hồ dưới đất.
Giờ đặt hai hiệu ứng cạnh nhau: tốc độ làm đồng hồ vệ tinh chậm đi một ít, độ cao làm nó nhanh lên nhiều hơn. Kết quả tổng là đồng hồ vệ tinh chạy nhanh hơn đồng hồ mặt đất khoảng ba mươi tám phần triệu giây mỗi ngày. Nghe nhỏ xíu, nhưng nhân với tốc độ ánh sáng, đó là sai số hơn mười ki lô mét về khoảng cách mỗi ngày.
Các kỹ sư đã hiệu chỉnh thế nào?
Các kỹ sư thiết kế hệ thống định vị biết trước điều này và đã tính nó vào. Đồng hồ trên vệ tinh được chỉnh để chạy chậm hơn một chút trước khi phóng, sao cho khi lên quỹ đạo, nhờ các hiệu ứng tương đối, nó chạy khớp với đồng hồ mặt đất. Phần mềm trong máy thu cũng hiệu chỉnh thêm những chi tiết nhỏ khác.
Có một câu chuyện hay được kể rằng khi những vệ tinh đầu tiên được phóng, một số người còn nghi ngờ hiệu ứng này, nên hệ thống được thiết kế để có thể bật tắt phần hiệu chỉnh. Kết quả đo thực tế khớp với dự đoán của Einstein. Chi tiết lịch sử cụ thể của chuyện này được kể theo nhiều cách khác nhau, nên mình chỉ kể như một giai thoại.
Điều chắc chắn là ngày nay, mọi hệ thống định vị vệ tinh trên thế giới đều phải tính tới thuyết tương đối. Không có nó, điện thoại của bạn sẽ đưa bạn tới nhầm phường chỉ sau một ngày.
Những câu hỏi tưởng chỉ dành cho triết gia, cuối cùng lại nằm trong túi quần mỗi người.
Nghịch lý anh em sinh đôi và những điều còn lại
Có một câu đố nổi tiếng: hai anh em sinh đôi, một người bay lên tàu vũ trụ với tốc độ gần ánh sáng rồi quay về, người kia ở nhà. Theo thuyết tương đối, người đi xa sẽ trẻ hơn người ở nhà. Không phải vì cảm giác, mà vì thật sự ít thời gian trôi qua với người đó hơn.
Với phi hành gia thật, chênh lệch chỉ là những phần nhỏ của giây. Nhưng nguyên lý đã được xác nhận bằng đồng hồ nguyên tử và bằng các hạt trong máy gia tốc.
Điều quan trọng cần nhớ là không ai cảm thấy thời gian của mình chậm lại. Người trên tàu vẫn thấy đồng hồ của mình chạy bình thường, tim mình đập bình thường. Thời gian co giãn chỉ lộ ra khi so sánh giữa hai người ở hai hoàn cảnh khác nhau.
Lần tới mở bản đồ trên điện thoại, bạn thử nghĩ rằng chấm xanh nhỏ kia đang được giữ đúng chỗ nhờ một ý tưởng cho rằng thời gian không giống nhau ở mọi nơi. Bạn thấy thời gian của mình đang trôi nhanh hay chậm?
Câu hỏi thường gặp
Thuyết tương đối hẹp và rộng khác nhau thế nào?
Thuyết tương đối hẹp nói về chuyển động với tốc độ không đổi và mối quan hệ giữa không gian, thời gian và tốc độ ánh sáng. Thuyết tương đối rộng mở rộng ra để bao gồm hấp dẫn, mô tả hấp dẫn như độ cong của không gian và thời gian.
Có vượt qua được tốc độ ánh sáng không?
Theo thuyết tương đối, không vật nào có khối lượng có thể đạt tới hay vượt tốc độ ánh sáng trong không gian. Càng gần tốc độ đó, càng cần nhiều năng lượng hơn để tăng tốc thêm.
Điện thoại cần bao nhiêu vệ tinh để định vị?
Cần tín hiệu từ ít nhất bốn vệ tinh để tính được vị trí ba chiều và hiệu chỉnh đồng hồ trong máy. Nhiều vệ tinh hơn giúp kết quả chính xác hơn.
Vì sao định vị trong nhà hay trong hẻm nhỏ kém chính xác?
Vì tín hiệu vệ tinh bị tường, mái nhà và nhà cao tầng chặn hoặc phản xạ. Điện thoại khi đó thường dùng thêm sóng di động và mạng không dây để ước tính vị trí.
Einstein có nhận giải Nobel cho thuyết tương đối không?
Không. Einstein nhận giải Nobel vật lý cho công trình giải thích hiệu ứng quang điện, một phát hiện về bản chất hạt của ánh sáng. Thuyết tương đối khi đó vẫn còn gây tranh luận trong hội đồng xét giải.
