3 Thực nghiệm kiểm chứng thuyết tương đối hẹp
3.3 Kiểm chứng hiệu ứng không thời gian
Bên cạnh việc kiểm chứng trực tiếp hai tiên đề, rất nhiều thí nghiệm khác cũng được tiến hành để kiểm tra sự phù hợp của các hiệu ứng, nhất là những hiệu ứng về không thời gian, chủ yếu là sự co ngắn của không gian, sự giãn nở của thời gian.
3.3.1 Hiệu ứng co ngắn của chiều dài
Cho đến nay, chưa có một thí nghiệm nào được tiến hành kiểm tra trực tiếp hiệu ứng co ngắn của chiều dài một vật theo phương chuyển động. Tuy nhiên, hiệu ứng này được thừa nhận rộng rãi do sự liên hệ chặt chẽ của nó với hiệu ứng giãn nở thời gian. Hai hiệu ứng này có thể xem là hai mặt của cùng một hiệu ứng, dưới hai góc nhìn cùng một hiện tượng từ hai hệ quy chiếu đứng yên hay chuyển động.
Một ví dụ phổ biến là sự phát hiện số lượng đáng kể các hạt muon sinh ra từ tia vũ trụ trên mặt đất. Theo tính toán, một hạt muon có thời gian sống vào khoảng 2.2×10−6 giây cho dù chuyển động với vận tốc ánh sáng cũng chỉ đi được quãng đường trung bình vài trăm mét. Kết quả đo lại cho thấy các hạt muon được sinh ra do tia vũ trụ va chạm với khí quyển Trái đất có thể bay được đến bề mặt Trái đất với số lượng đáng kể. Dưới góc nhìn từ hệ quy chiếu gắn với hạt, do chuyển động với vận tốc lớn, quãng đường từ lớp vỏ khí quyển đến mặt đất bị co ngắn lại, nên hạt có thể chuyển động hết quãng đường này trước khi phân rã. Dưới góc nhìn từ hệ quy chiếu gắn với mặt đất, thời gian sống của hạt được kéo dài đủ để hạt chuyển động đến mặt đất.
Sự liên hệ chặt chẽ này, cùng với sự khó khăn về mặt kỹ thuật khi đo chiều dài của một đối tượng chuyển động rất nhanh, khiến cho hiệu ứng này thường chỉ được kiểm chứng gián tiếp qua hiệu ứng về thời gian.
3.3.2 Hiệu ứng giãn nở của thời gian
Hiệu ứng giãn nở của thời gian được đo chủ yếu theo hai hướng: hiệu ứng Doppler và sự tăng thời gian sống của các hạt phóng xạ chuyển động nhanh. Trong những thí nghiệm này, nổi bật là các thí nghiệm Ives - Stilwell (1938), thí nghiệm của Rossi - Hall (1941), thí nghiệm của Hafele - Keating (1972).
Thí nghiệm Ives-Stilwell (1938)
Thí nghiệm Ives-Stilwell [10] được xem là thí nghiệm đầu tiên xác nhận hiệu ứng giãn nở của thời gian, trên cơ sở quan sát hiệu ứng Doppler từ phổ phát xạ của chùm nguyên tử hidro chuyển động nhanh.
Nội dung thí nghiệm: Ives và Stilwell cho một ống chứa ionH2+ và H3+ chuyển động dọc theo một đường ray, được gia tốc đến năng lượng từ 6 đến 20 keV. Do tương tác điện, các nguyên tử H trung hòa bứt ra ở vận tốc từ 0.002c đến 0.0045c. Sử dụng máy quang phổ, Ives và Stilwell quan sát sự lệch của vạch Hβ ở hai góc 0 và π so với phương chuyển động của ống. Hệ số giãn nở Lorentz γ được xác định từ sự lệch phổ này.
Kết quả thí nghiệm: Thí nghiệm cho thấy sự trùng khớp với dự đoán từ lý thuyết tương đối của Einstein, cụ thể:
γobs−1
γSR−1
−1<4×10−2,
trong đó,γobs là hệ số Lorentz quan sát từ thí nghiệm, γSR là hệ số Lorentz theo tính toán lý thuyết.
Hình 3.5: Kết quả thí nghiệm Ives-Stilwell (1938)
Đồ thị cho thấy sự phụ thuộc của độ lệch phổ đo được hoàn toàn phù hợp với đường cong lý thuyết.
Thí nghiệm Rossi-Hall (1941)
Thí nghiệm được Rossi và Hall thực hiện tại Chicago [16] chính là thí nghiệm nổi tiếng về hạt muon được nhắc đến trong phần 3.3.1.
Nội dung thí nghiệm: Rossi và Hall sử dụng một thiết bị đo muon nhằm đếm số phân rã từ hạt muon (mà lúc này hai ông nhầm là mesotron), và xác định được thời gian sống của hạt này trong điều kiện phòng thí nghiệm. Tiếp đó, hai ông đo số phân rã của muon tại đỉnh núi Denver và hồ Echo tại bang Colorado nước Mỹ. Hai địa điểm này có độ cao chênh lệch với nhau 1624 m, được đo bằng áp kế điện tử. Tỉ lệ hạt phân rã trên quãng đường 1624 m này được suy ra từ các số liệu đo được tại hai vị trí. Thời gian sống trung bình của hạt muon được suy ra từ tỉ lệ số hạt phân rã.
Kết quả thí nghiệm: Kết quả thu được cho thấy thời gian sống của hạt muon chuyển động nhanh dài hơn thời gian sống của các hạt muon chuyển động chậm. Kết quả này hoàn toàn phù hợp với tiên đoán của lý thuyết tương đối. Kết quả này cũng giúp các nhà vật lý giải thích được mật độ đáng kể của muon sinh ra từ trong tia vũ trụ bay đến mặt đất. Thí nghiệm của Rossi và Hall sau đó được lặp lại với các thiết bị chính xác hơn do Frish và Smith thực hiện tại núi Washington năm 1962 với kết quả tương tự.
Thí nghiệm Hafele-Keating (1972)
Năm 1971, Hafele và Keating đã thực hiện một thí nghiệm kiểm chứng trực tiếp hiệu ứng giãn nở thời gian bằng cách rất đơn giản và trực quan: đo sự lệch của đồng hồ khi chuyển động quanh Trái đất so với một đồng hồ đứng yên. Kết quả được công bố trên tạp chíScience năm 1972 [8][9].
Nội dung thí nghiệm: Bốn đồng hồ nguyên tử cesium sau khi được so sánh với một đồng hồ nguyên tử khác đứng yên đặt tại phòng thí nghiệm Hải quân Mỹ được Hafele và Keating đưa lên máy bay dân sự, thực hiện chuyến bay vòng quanh Trái đất theo hướng đông trong 41.2 giờ. Một tuần sau đó, bốn đồng hồ này tiếp tục được bay vòng quanh Trái đất theo hướng Tây trong 48.6 giờ. Sau đó, bốn đồng hồ được đưa trở lại phòng thí nghiệm Hải quân Mỹ để so sánh độ lệch thời gian với đồng hồ tại đây.
Kết quả thí nghiệm: Bảng kết quả thí nghiệm bên dưới được trích từ bài báo trên
Science. Kết quả cho thấy sự phù hợp giữa tính toán và thực nghiệm. Hafele và Keating cũng kết luận trong bài báo của mình rằng hiệu ứng giãn nở thời gian có thể quan sát được ở mức độ vĩ mô bằng một thí nghiệm rất đơn giản. Tuy số lượng đồng hồ, theo Hafele và Keating, là quá ít cho một thống kê, nhưng kết quả thí nghiệm này là một bằng chứng rõ ràng cho sự đúng đắn của lý thuyết tương đối.
Hình 3.6: Kết quả thí nghiệm của Hafele-Keating (1972)
Trong bảng, dấu trừ trong các kết quả của chuyến bay về phía đông biểu thị sự trễ của đồng hồ trên máy bay so với đồng hồ đứng yên. Các kết quả của chuyến bay về phía tây mang dấu cộng biểu thị các đồng hồ trên máy bay chạy nhanh hơn đồng hồ đứng yên.