Nếu bạn đặt hai đồng hồ nguyên tử giống hệt nhau — một trên bề mặt Trái Đất và một trên Mặt Trăng — và kiểm tra sau đúng một ngày Trái Đất, đồng hồ trên Mặt Trăng sẽ nhanh hơn khoảng 56,02 micro giây. Đây không phải lỗi của đồng hồ. Đó là tính chất cơ bản của vũ trụ, được dự đoán bởi thuyết tương đối rộng của Albert Einstein hơn một thế kỷ trước.
Giải thích giãn nở thời gian hấp dẫn
Thuyết tương đối rộng của Einstein, công bố năm 1915, mô tả lực hấp dẫn không phải là một lực mà là độ cong của không-thời gian. Các vật thể có khối lượng lớn như Trái Đất và Mặt Trăng làm cong cấu trúc không-thời gian xung quanh chúng, và độ cong này ảnh hưởng đến cách thời gian trôi qua.
Nguyên tắc chính rất đơn giản: trường hấp dẫn càng mạnh, thời gian trôi càng chậm. Hiệu ứng này được gọi là giãn nở thời gian hấp dẫn. Gia tốc trọng trường bề mặt Trái Đất khoảng 9,8 m/s², trong khi Mặt Trăng chỉ khoảng 1,62 m/s² — xấp xỉ một phần sáu. Vì lực hấp dẫn của Mặt Trăng yếu hơn, không-thời gian ít bị cong hơn ở đó, và đồng hồ chạy nhanh hơn.
Con số 56 micro giây
Tốc độ chính xác mà đồng hồ Mặt Trăng chạy nhanh hơn phụ thuộc vào sự khác biệt thế năng hấp dẫn giữa bề mặt Trái Đất và bề mặt Mặt Trăng, cộng với các hiệu chỉnh nhỏ cho vận tốc quỹ đạo và vòng quay Trái Đất.
Dịch chuyển xanh hấp dẫn — đồng hồ chạy nhanh hơn trong lực hấp dẫn yếu hơn — đóng góp khoảng +58,7 micro giây mỗi ngày. Tuy nhiên, vận tốc quỹ đạo của Mặt Trăng (khoảng 1,022 km/s) gây ra giãn nở thời gian nhỏ theo hướng ngược lại (hiệu ứng phụ thuộc vận tốc từ thuyết tương đối hẹp), giảm mức tăng ròng khoảng 2,7 micro giây mỗi ngày. Kết quả tổng hợp là khoảng +56,02 micro giây mỗi ngày.
Con số này đã được xác nhận bởi nhiều phân tích độc lập, bao gồm công trình của Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực (JPL) của NASA và Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia.
Đây không phải lý thuyết — Nó đã được đo
Giãn nở thời gian hấp dẫn là một trong những dự đoán được kiểm chứng chính xác nhất trong toàn bộ vật lý. Vệ tinh GPS quay quanh ở độ cao khoảng 20.200 km nơi lực hấp dẫn yếu hơn, nhanh hơn đồng hồ mặt đất khoảng 45 micro giây mỗi ngày. Nếu không hiệu chỉnh, vị trí GPS sẽ lệch khoảng 10 km mỗi ngày.
Vật lý tương tự áp dụng cho Mặt Trăng. Mặc dù chúng ta chưa đặt đồng hồ nguyên tử trên bề mặt Mặt Trăng, hiệu ứng được tính từ cùng các phương trình đã được kiểm chứng. Công thức giãn nở thời gian hấp dẫn cho các dự đoán đã được xác nhận tốt hơn một phần nghìn tỷ.
Tại sao 56 micro giây quan trọng
Đối với hoạt động hàng ngày của con người, 56 micro giây là không thể nhận biết. Nhưng đối với các hệ thống chính xác, nó tích lũy nhanh chóng:
Sau một tháng, đồng hồ Mặt Trăng nhanh hơn khoảng 1,7 mili giây. Sau một năm, độ lệch tăng lên khoảng 20 mili giây. Kể từ kỷ nguyên J2000.0 (ngày 1 tháng 1 năm 2000), độ lệch tích lũy đã vượt quá 0,5 giây.
Đối với dẫn đường, ánh sáng đi khoảng 300 mét mỗi micro giây. Sai số thời gian 56 micro giây tương ứng với độ không chắc chắn vị trí khoảng 16 mét mỗi ngày. Đối với các cuộc đổ bộ chính xác mà nhiệm vụ Artemis yêu cầu — nhắm vào các địa điểm cụ thể gần cực nam Mặt Trăng — mức độ lệch này không thể chấp nhận được nếu không hiệu chỉnh.
Đây chính xác là lý do Giờ Mặt Trăng Phối hợp (LTC) đang được phát triển: để cung cấp tiêu chuẩn thời gian tính đến sự khác biệt tương đối tính và giữ tất cả các hệ thống Mặt Trăng được đồng bộ.