Một năm Mặt Trăng có đúng 12 ngày, ngày đầu tiên tên là Armstrong - vì sao?

Thời gian trên Mặt Trăng có chậm hơn Trái Đất?

Nhà thiên văn Ấn Độ Subramaniam Ganesh đã giúp chúng ta trả lời bằng cách phân tích thời gian trên Mặt Trăng, vệ tinh tự nhiên xoay quanh Trái Đất, theo thuyết tương đối hẹp và rộng của Einstein.

Theo thuyết tương đối rộng của Einstein, không gian và thời gian thật ra là hợp thể không-thời gian liên tục chứ không tách rời nhau. Sự giãn nở thời gian hấp dẫn (gravitational time dilation) là hiện tượng mà ở đó đồng hồ ở nơi có lực hấp dẫn cao hơn sẽ chạy chậm hơn. 

Nói cách khác, bạn càng ở gần một vật thể lớn cỡ Trái Đất bao nhiêu thì đồng hồ càng chạy chậm bấy nhiêu, trong khi đó các đồng hồ trên bề mặt Mặt Trăng sẽ chạy nhanh hơn. Hấp dẫn trên Trái Đất mạnh hơn trên Mặt Trăng, do đó, thời gian trên Trái Đất sẽ trôi chậm hơn trên Mặt Trăng.

Về mặt lý thuyết, Mặt Trăng cũng di chuyển so với chúng ta, nghĩa là nó gia tốc. Do đó, theo thuyết tương đối hẹp, điều đó sẽ làm cho đồng hồ trên Mặt Trăng chạy chậm hơn. Tuy nhiên, Mặt Trăng di chuyển rất chậm. Theo số liệu NASA, Mặt Trăng quay quanh Trái Đất với vận tốc trung bình 3.683 km/h, tức 1 km/s, trong khi vận tốc quỹ đạo trung bình mà Trái Đất quay quanh Mặt Trời là gần 30 km/s. Do đó, chúng ta có thể bỏ qua gia tốc của Mặt Trăng.

Mặt Trăng là vệ tinh tự nhiên xoay quanh Trái Đất. Ảnh minh họa: Internet

Và như vậy, sự giãn nở thời gian hấp dẫn theo thuyết tương đối rộng sẽ chiếm ưu thế hơn sự giãn nở thời gian do vận tốc tương đối theo thuyết tương đối hẹp, nghĩa là đồng hồ trên Trái Đất vẫn chậm hơn trên Mặt Trăng.

Thật ra, sự khác biệt thời gian giữa đồng hồ trên Mặt Trăng và Trái Đất không nhiều, chỉ khoảng... 0,021 giây/năm. Nếu các cơ quan không gian có thể phóng lên Mặt Trăng một chiếc đồng hồ xesi (cesium), chúng ta có thể so sánh thời gian của các đồng hồ xesi trên Trái Đất và Mặt Trăng một cách liên tục để kiểm chứng thuyết tương đối rộng và nguyên lý tương đương của Einstein.

Theo nhà thiên văn Subramaniam Ganesh thì "đồng hồ chạy chậm" thay vì "thời gian trôi chậm" bởi vì, về bản chất, thời gian không chảy, chạy hay trôi qua. Cái tồn tại là sự chuyển động của một vật thể và kim đồng hồ, và chúng ta so sánh hai thứ để đo lường tần số, vận tốc... của vật thể. Tự thân thời gian không hữu hình và chỉ mang giá trị toán học.

Thời gian Tiêu chuẩn Mặt Trăng

Khoa học ngày nay có một bộ lịch gọi là Thời gian Tiêu chuẩn Mặt Trăng (Lunar Standard Time). Theo tiêu chuẩn này, ngày Mặt Trăng là khoảng thời gian Mặt Trăng cần để hoàn thành một vòng quay trong tương quan với Mặt Trời. 

Do sự vận động của thủy triều, đây cũng là thời gian Mặt Trăng hoàn thành một quỹ đạo quanh Trái Đất và trở về cùng pha. Chu kỳ giao hội (synodic period) này kéo dài 29 ngày 44 phút 3 giây.

Theo Lunar Clock, một năm Mặt Trăng gồm 12 ngày được đặt theo tên những phi hành gia đặt chân lên Mặt Trăng. Mỗi ngày được chia thành 30 chu kỳ thời gian, trong đó mỗi chu kỳ lại được chia nhỏ thành 24 giờ-Mặt Trăng. Mỗi giờ-Mặt Trăng có 60 phút-Mặt Trăng, và mỗi phút Mặt Trăng gồm 60 giây-Mặt Trăng.

Tên của 12 ngày trong một năm Mặt Trăng lần lượt là:

Ký hiệu chuẩn là: Năm-Ngày-Chu kỳ ∇ Giờ:Phút:Giây - 53-05-10 ∇ 04:34:13.

So với Trái Đất, các điều kiện trên Mặt Trăng khác nhau một mức nào đó. Ví dụ, bạn có khoảng 15 ngày có ánh sáng ban ngày liên tục (và sau đó là 15 ngày tối đen hoàn toàn). 

Do đó, một "ngày" trên Mặt Trăng tương ứng với 29,5 ngày trên Trái Đất, nghĩa là khoảng một tháng. Và đây là lý do vì sao chúng ta có các tháng! Bạn có thể thấy trên bầu trời, cứ mỗi 29 ngày hoặc cỡ đó thì chúng ta có một kỳ trăng tròn, là "buổi trưa" ở trung tâm bề mặt Mặt Trăng. Chu kỳ này cũng được gọi là tháng giao hội.

Do đó, trên Mặt Trăng, một ngày tính từ buổi trưa này đến buổi trưa kia kéo dài khoảng 29,27 đến 29,83 ngày Trái Đất. Con số này không phải là hằng số. Giá trị trung bình khoảng 29,530589 cũng không phải là hằng số! Theo thời gian con số này sẽ dài hơn. Tuy nhiên, đó không phải là vấn đề trong tương lai gần.

Điều này có nghĩa là chúng ta phải sắp xếp 30 chu kỳ Mặt Trăng vào 29,53 ngày Trái Đất, trong khi duy trì cùng loại đồng hồ 24 giờ mà tất cả chúng ta đều biết và yêu quý. Giải pháp đơn giản là định nghĩa giây-Mặt Trăng bằng 29,530589/30, và phần còn lại sẽ tương tự.

Neil Armstrong đặt chân lên bề mặt Mặt Trăng vào ngày 21 tháng 9 năm 1969, lúc 02:56:15 UT, và đây là lựa chọn rõ ràng cho một mốc thời gian để bắt đầu lịch Mặt Trăng. Do vậy, đó là Năm 1, ngày 1 chu kỳ 1, 00:00:00.

Sau Neil Armstrong và đồng đội của Apollo 11, Alan LaVern Bean là phi hành gia thứ tư đặt chân lên Mặt Trăng trong lịch sử trên sứ mệnh Apollo 12. Thời điểm Alan bước chân lên Mặt Trăng vào ngày 9/11/1969 tính theo Thời gian Tiêu chuẩn Mặt Trăng là 1-05-04 ∇ 07:24.

Giãn nở thời gian và nguyên lý tương đương

Theo Space.com, ở mức độ đơn giản, thuyết tương đối hẹp của Einstein phát biểu rằng, mọi thứ đều chuyển động tương đối so với những thứ khác. Hệ quả là, thời gian trôi không giống nhau với tất cả mọi người.

Thời gian sẽ di chuyển tương đối so với người quan sát. Một vật thể đang chuyển động sẽ trải qua sự giãn nở thời gian (time dilation), nghĩa là thời gian sẽ đi chậm hơn khi vật thể đang di chuyển so với khi vật thể đang đứng yên tương đối. Do đó, một chiếc đồng hồ đang di chuyển sẽ chạy chậm hơn đồng hồ đang đứng yên.

Như vậy, một người đang di chuyển sẽ lâu già hơn người đứng yên. Điều này sẽ trở nên cực kỳ rõ ràng ở vận tốc gần với vận tốc ánh sáng.

Theo tính toán của NASA, nếu một người 15 tuổi du hành với vận tốc 99,5 % vận tốc ánh sáng trong 5 năm thì khi trở về Trái Đất, anh ta chỉ mới 20 tuổi, trong khi bạn bè cùng lớp với anh đã 65 tuổi.

Lý thuyết tương đối hẹp ra đời năm 1905 áp dụng cho những trường hợp đặc biệt là các hệ quy chiếu trong các chuyển động không thay đổi, chuyển động thẳng đều (hệ quy chiếu quán tính).

Năm 1915, Einstein công bố thuyết tương đối rộng áp dụng cho các hệ quy chiếu có gia tốc (hệ quy chiếu phi quán tính) trong tương quan với nhau. 

Theo ThoughtCo, một hệ quả của thuyết tương đối rộng là sự giãn nở thời gian hấp dẫn, thời gian trôi nhanh hay chậm tùy theo vị trí của người quan sát so với khối lượng hấp dẫn. Bạn càng ở gần khối lượng hấp dẫn bao nhiêu thì đồng hồ của bạn càng chạy chậm bấy nhiêu so với một người khác ở xa khối lượng hấp dẫn hơn. Khi bạn ở trên tàu vũ trụ gần một lỗ đen có khối lượng cực lớn, bạn sẽ thấy thời gian "lê lết" như sên bò.

Theo nhà thiên văn Subramaniam, nguyên lý tương đương (Equivalency Principle) nói rằng, "lực" hấp dẫn trải qua ở địa phương khi đứng trên một vật thể khổng lồ như Trái Đất sẽ bằng với lực giả mà một người quan sát trải nghiệm trong hệ quy chiếu phi quán tính gia tốc.

Một cách nói khác về nguyên lý tương đương của ThoughtCo là, "lực" hấp dẫn khi bạn đứng trên Trái Đất có gia tốc g sẽ bằng với lực giả khi bạn đứng trong một chiếc tên lửa di chuyển với vận tốc g.

Hệ quy chiếu quán tính là những hệ tọa độ 3 chiều đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều, không có gia tốc và xoay tròn. Chuyển động trong các hệ quy chiếu quán tính tuân theo đúng ba định luật Newton.

Hệ quy chiếu phi quán tính là hệ quy chiếu chuyển động có gia tốc so với hệ quy chiếu quán tính. Trái Đất không phải là một hệ quy chiếu quán tính vì Trái Đất tự quay quanh trục của nó và quay quanh Mặt Trời.

Đồng hồ xesi hay đồng hồ nguyên tử được xem là loại đồng hồ chính xác nhất hiện nay, tính thời gian theo trạng thái dao động của nguyên tử, tần số thay đổi mức năng lượng bên trong electron của một nguyên tử. Xesi (cesium) đồng vị 133 là nguyên tử phổ biến được dùng trong chế tạo đồng hồ nguyên tử.

Thời gian trên Mặt Trăng chính là UTC?

Còn theo tiến sĩ Alastair Gunn trên Science Focus, bỏ qua những phức tạp trong thuyết tương đối hẹp của Einstein, thời gian trên Mặt Trăng cũng như thời gian trên Trái Đất. Tuy nhiên, điều này có chút vấn đề, vì chúng ta chưa định nghĩa chúng ta đo lường thời gian theo cách nào.

Có nhiều cách để định nghĩa "thời gian" ở một vị trí cụ thể. Ở đây, trên Trái Đất và trong Hệ Mặt Trời quen thuộc của chúng ta, thời gian được định nghĩa bằng chuyển động của Mặt Trời trên bầu trời (dù chúng ta luôn theo dõi thời gian bằng đồng hồ nguyên tử). Điều này có nghĩa là, thời gian địa phương phụ thuộc vào vị trí của bạn trên Trái Đất và chúng ta vượt qua sự phức tạp này bằng cách sử dụng nhiều múi giờ khác nhau.

Bây giờ, chúng ta có thể định nghĩa một hệ thống thời gian tương tự dựa trên sự chuyển động của Mặt Trời được nhìn thấy từ Mặt Trăng. Một hệ thống như vậy (Thời gian Tiêu chuẩn Mặt Trăng) có tồn tại nhưng nó không có gì nhiều hơn là một bài tập thú vị trong vật lý.

Tuy vậy, điều hữu ích hơn là một định nghĩa về thời gian sẽ không thay đổi theo vị trí. Điều này được gọi là giờ quốc tế (Universal Time) và là một hình thức hiện đại của giờ trung bình Greenwich (Greenwich Mean Time-GMT). Do đó, giờ quốc tế trên Mặt Trăng cũng giống như giờ quốc tế trên Trái Đất.

Tiến sĩ Alastair là một nhà văn, nhà vật lý chuyên nghiệp ở trung tâm Jodrell Bank về vật lý thiên thể đại học Manchester (Anh quốc).

Bài viết sử dụng các nguồn: Science Focus, Space.com, Quora.com