Thời gian tương đối (relative time)

Thời gian tương đối không phải là thời gian tâm lý mà liên quan tới thuyết tương đối (Theory of relativity). Để mô tả thì có thể dùng nghịch lý anh em sinh đôi của thuyết tương đối:

Hai anh em sinh đôi, một người bay vào vũ trụ với vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng (được coi là không đổi trong mọi hệ quy chiếu, vào khoảng 300 ngàn km/giây, thường ký hiệu là c).
Khi người đó trở về trái đất thì vẫn còn rất trẻ còn người anh em kia thì đã thành cụ già râu tóc bạc phơ. Trong phương trình của thuyết tương đối thì thời gian sẽ co giãn theo vận tốc, vì sự co giãn này mà chuyển động với vận tốc đáng kể so với vận tốc ánh sáng – càng nhanh càng tốt – thì càng trẻ so với người không chuyển động.

Nhưng làm sao để đo vận tốc, vì trong hệ quy chiếu của người bay vào vũ trụ thì chính người ở trên trái đất mới có vận tốc nhanh? Tức là nếu áp dụng trong hệ quy chiếu của tàu vũ trụ thì phải thu được kết quả ngược lại: Người trên tàu vũ trụ “đứng yên”còn người trên trái đất lại chuyển động, kết quả là người trên trái đất trẻ hơn người trên tàu vũ trụ?
Ngoài ra khi chuyển động với vận tốc nhanh thì chiều dài theo chiều vận tốc sẽ bị co lại, tức là trông sẽ hẹp hơn. Ví dụ, nếu bạn chuyển động với vận tốc 0.886c thì chiều chuyển động sẽ nhìn thấy chỉ còn 50% chiều dài của hệ quy chiếu cũ và thời gian sẽ dài gấp đôi so với thời gian của hệ quy chiếu cũ. Cụ thể nếu đồng hồ hình tròn thì sẽ thế này:

Chiều dài co lại còn một nửa khi di chuyển với vận tốc 0.886c

Đây là công thức tính thời gian của trường vật lý thiên văn đại học Georgia State University:

Để thời gian nở ra 2 lần bạn cần di chuyển với vận tốc 0.886 vận tốc ánh sáng.

>>Công cụ tính của đại học Georgia State

Vậy rốt cuộc vì sao người ở trên trái đất lại già hơn người bay vào vũ trụ?

Theo tôi điểm khác biệt căn bản chính là gia tốc (Δv/Δt): Người trên trái đất không chịu gia tốc, còn người trong tàu vũ trụ phải chịu gia tốc cực lớn để đạt tới vận tốc đáng kể so với ánh sáng.

Hay một ví dụ khác: Trong bài viết Vì sao con người không thể quay trở về quá khứ thì tôi có đề cập trường hợp anh Cooper bay vòng quanh hố đen khối lượng cực lớn nên thời gian trôi rất chậm, dẫn tới anh đã trải qua ... vài chục năm trên trái đất (tức là một ngày trong vũ trụ bằng cả năm trên hạ giới). Trong trường hợp này, anh không chịu gia tốc mà ở trong tình trạng không trọng lượng, vì tàu vũ trụ quay quanh hố đen nên trọng lực của hố đen cân bằng với lực li tâm. Tất nhiên là để như thế thì tàu của anh phải quay rất nhanh vì lực hút cực lớn đòi hỏi vận tốc phải cực lớn mới không bị hút vào hố đen. Do đó, theo phương trình của thuyết tương đối thì thời gian của anh trôi chậm đi, dẫn tới việc con gái anh đã già hơn cả anh.
Trọng trường, hay gia tốc đều làm thay đổi thời gian, vậy thì điểm chung của chúng là gì? Theo tôi là khi chịu một gia tốc hay một trọng trường cực lớn thì bạn không dễ để vận động nữa. Con người già đi chỉ là vận động của vật chất, ví dụ phản ứng sinh hóa, các hạt trong cơ thể, tạo nên sự trao đổi chất. Khi bị trọng lực lớn hay gia tốc lớn kìm hãm, sự vận động bị hạn chế dẫn tới cần nhiều thời gian để vật chất vận động hơn, do đó các quá trình sinh hóa, phân chia tế bào, lão hóa bị chậm đi.

Thời gian trong vũ trụ sẽ trôi như thế nào?

Chúng ta biết là không-thời gian phụ thuộc vào trọng trường, tức là phải ở trong một trọng trường thì mới có ý nghĩa. Nhưng giả sử thế này: Nhà du hành bay vào vũ trụ trên phi thuyền tới một vùng không có vật chất, vậy thì thời gian của anh ta trôi đi thế nào, anh ta sẽ già đi thế nào, và đồng hồ trong phi thuyền sẽ chỉ giờ như thế nào?
Anh ta không gia tốc, cũng chẳng chịu trọng trường, chẳng lẽ ... thời gian ngừng trôi, đồng hồ đứng im?
Theo tôi thì thời gian vẫn trôi như cũ và anh ta vẫn già đi. Bản chất của việc già đi là quá trình sinh hóa trong cơ thể tức là phụ thuộc vào:

• Mức độ vận động thể chất và sự trao đổi chất (ăn vào, tiêu hao năng lượng)
• Đồng hồ sinh học, được quyết định do gien di truyền
• Môi trường sống vv

Nếu anh ta ngày nào cũng tập thể dục và sinh hoạt đúng lịch trên trái đất thì anh ta vẫn sẽ có tuổi thọ như cũ, tuy nhiên, môi trường sống đã thay đổi vì anh ta không chịu trọng lực nữa. Vì thế, gien di truyền sẽ có tiếng nói đáng kể, quyết định anh ta sống tới bao lâu. Ngoài ra, việc ở trên tàu vũ trụ và trên trái đất khác nhau rất nhiều ở ý chí sống. Trên trái đất nhiều em trẻ đẹp và nhiều bon chen, ham hố, tham vọng thì lại có động lực sống hơn, trên tàu vũ trụ có thể anh ta bị mất đi ý chí sinh tồn, do đó mà cái chết lại tới nhanh hơn. Chưa kể, anh ta có thể phát điên trong không gian.
Vậy thì đồng hồ sẽ chỉ mấy giờ? Trước hết còn tùy loại đồng hồ. Nếu là đồng hồ quả lắc thì nó sẽ không đếm được giờ vì nó cần trọng lực để chạy. Nếu là đồng hồ cơ thì nó vẫn đếm giờ như bình thường và đồng hồ nguyên tử cũng vậy. Trừ trường hợp phi thuyền di chuyển với vận tốc đáng kể so với vận tốc ánh sáng thì đồng hồ mới chậm đi (như đã chém gió ở trên) còn không thì các đồng hồ sẽ vẫn đếm thời gian như trên trái đất.

Làm thế nào để di chuyển với vận tốc lớn tới thiên hà xa xôi?

Con người sẽ phải gia tốc thật nhanh, ví dụ trong vòng 2 năm, để đạt tới vận tốc gần ánh sáng (giả sử đủ kỹ thuật để tạo lực đẩy lớn đến thế, mà tốt nhất là động cơ phản lực phô-tôn=ánh sáng). Nhưng do các hành tinh có thể sống có thể cách chúng ta cả ngàn năm ánh sáng, nên chẳng ai đủ tuổi thọ mà sống khi tới được miền đất hứa. Vì thế, bắt buộc sẽ phải đông lạnh thân thể chẳng hạn, và mọi chuyện còn lại sẽ do robot đảm nhiệm, cho tới được hành tinh mới có thể sống được. Nghĩa là, nhân loại phải phát triển được robot có ý thức để quyết định và thực hiện thay con người, nếu không xác suất cao sẽ là diệt vong cùng trái đất.

Bổ sung ngày 11 tháng 1, 2017: Khi bạn càng chuyển động với vận tốc gần ánh sáng thì thời gian càng dài ra do đó bạn sống "lâu" hơn, khi chuyển động bằng vận tốc ánh sáng thời gian "của bạn" sẽ ngừng trôi, do đó, bạn vẫn sống mà di chuyển hàng trăm hay hàng ngàn năm. Giả sử người bạn bền về mặt vật lý. Hoặc bạn sống dưới dạng sống robot. Mấu chốt chính là vận tốc di chuyển và bạn sẽ cần động cơ ánh sáng (Photon Engine) để gia tốc.

- Mark -