Hành trình của ông Klock

30

D. Borodin

Mở đầu câu chuyện này giống như một cuốn tiểu thuyết trinh thám. Một ngày mùa xuân năm 1970, có hai hành khách trên một chiếc máy bay bay vòng quanh thế giới. Một trong số họ là nhà vật lý người Mỹ Hafel, người còn lại chiếm tới hai ghế và được đăng ký tại sân bay với tên ông Klock. Ông Klock thực ra là một chiếc đồng hồ*), một chiếc đồng hồ nguyên tử rất chính xác nhưng lại thiếu thời gian 13 chữ số**).

Cuộc hành trình được thực hiện nhằm chứng minh tính hiệu quả của chuyển động của đồng hồ được dự đoán bởi các lý thuyết tương đối.

Thí nghiệm được tổ chức theo cách nó thực sự liên quan đến không phải một mà là hai mặt phẳng, mỗi mặt phẳng mang hai bản sao của đồng hồ nguyên tử. (Ông Klock được một nhà vật lý khác, Keating tháp tùng trên bình diện thứ hai).

Một chiếc bay từ tây sang đông, chiếc còn lại bay từ đông sang tây. Lộ trình của họ chạy ở độ cao khoảng 10 km và chạy dọc theo đường song song của trái đất. Tốc độ của máy bay khoảng 1000 km/h nên chúng hoàn thành chuyến bay trong khoảng hai ngày (bao gồm cả các điểm dừng trên đường đi).

Khi so sánh số chỉ của đồng hồ với đồng hồ ở sân bay, hóa ra đồng hồ đang bay trên máy bay từ tây sang đông chậm hơn 5 phần trăm triệu giây (như người ta nói hiện nay là 50 nano giây). Đồng hồ bay vòng quanh Trái đất từ ​​đông sang tây, di chuyển nhanh hơn 16 phần triệu giây (160 giây). Mặc dù trong thí nghiệm có nhiều tiếng ồn khó tính toán chính xác (ví dụ như tiếng máy bay hạ cánh ở các sân bay trung gian), tuy nhiên, hiệu quả của đồng hồ đã được chứng minh rất thuyết phục.

Các nhà vật lý nghiên cứu các hạt cơ bản đã quan sát hiệu quả của thời gian trong một thời gian dài. Họ nhận thức rõ rằng một hạt bay ở tốc độ cao, chẳng hạn như μ-mezon, “sống” lâu hơn một μ-mezon đứng yên. Thời gian tồn tại của một $T$ μ-meson bay với tốc độ $v$ liên quan đến thời gian tồn tại của một $T_0$ μ-meson ở trạng thái nghỉ theo công thức

$$T = \frac{T_0}{\sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}}$$

($c = 3 \cdot 10^{10}$ cm/s là tốc độ ánh sáng, $T_0 = 2$ micro giây = $2 \cdot 10^{-8}$ s).

Chỉ nhờ quan sát được sự phân rã của μ-mez, nó mới có thể đi xuyên qua toàn bộ độ dày của bầu khí quyển Trái đất.

31

Một cách thay thế thời gian hiệu quả khác là quan sát các nhà thiên văn học. Trong trường hấp dẫn của các ngôi sao, theo lý thuyết tổng quát về thời gian tương đối, ánh sáng phát ra từ các nguyên tử trên các ngôi sao này có tần số nhỏ hơn cùng tần số bức xạ trên Trái đất. Sự pha trộn “trọng lực” này của các vạch quang phổ của các ngôi sao đã được quan sát thấy từ lâu. Các nhà vật lý người Mỹ Pound và Repka đã quan sát nó trong phòng thí nghiệm trên trái đất. Các thí nghiệm của họ cho thấy rằng khi nguồn bức xạ di chuyển ra xa bề mặt Trái đất, tần số của nó tăng lên (giống như đồng hồ Trái đất di chuyển ra xa ngôi sao nhanh hơn đồng hồ trên một ngôi sao nặng).

Thí nghiệm của ông Klock cho thấy hiệu quả. Một chiếc đồng hồ được đặt cách Trái đất 10 km sẽ chạy nhanh hơn trên Trái đất, như trong thí nghiệm của Pound và Repka. Trong hai ngày bay, hiệu suất “trọng lực” lẽ ra phải điều chỉnh đồng hồ thêm +100 nsec. Ngoài ra, đồng hồ còn chuyển động theo chuyển động quay của Trái đất với tốc độ Ω (R + h) + v (v > 0) nếu máy bay bay từ tây sang đông và v < 0 nếu máy bay bay từ đông sang tây). Ở đây Ω là vận tốc góc của Trái đất, bằng $\frac{2\pi}{86400}$ rad/giây, R là bán kính Trái đất, h là độ cao bay, v là tốc độ của máy bay. Đồng thời, đồng hồ bị tụt lại phía sau hiệu suất tương tự, dẫn đến sự phân rã của μ-meson thay thế. Đồng hồ không thể tách rời cả hai hiệu quả