Khi bạn mở ứng dụng bản đồ và nhìn chấm xanh nhỏ chỉ đường, mọi thứ có vẻ đơn giản. Nhưng đằng sau đó, các vệ tinh quay quanh Trái Đất đang thực hiện những phép tính vật lý phức tạp để giữ cho vị trí của bạn chính xác.
Nếu không có sự điều chỉnh từ thuyết tương đối của Einstein, GPS của bạn có thể sai lệch hàng kilomet mỗi ngày. Đối với Lykkers, đây là một trong những sự thật khoa học hài hước nhất: điện thoại của bạn hoạt động bình thường vì thời gian trôi chảy khác biệt trong không gian!
Hiểu về giãn thời gian
Để hiểu tại sao GPS cần Einstein, trước tiên chúng ta hãy cùng tìm hiểu xem giãn thời gian thực sự có nghĩa là gì.
Thời gian không trôi chảy đều
Theo thuyết tương đối của Einstein, thời gian không phải là tuyệt đối—nó có thể giãn ra hoặc co lại tùy thuộc vào tốc độ và trọng lực. Một chiếc đồng hồ di chuyển nhanh hoặc ở xa lực hút của Trái Đất sẽ tích tắc khác so với một chiếc đồng hồ trên mặt đất.
Vai trò của tốc độ
Các vệ tinh quay quanh Trái Đất với tốc độ cao—khoảng 14.000 km/giờ. Do chuyển động này, đồng hồ trên vệ tinh chạy chậm hơn so với đồng hồ trên Trái Đất. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng của thuyết tương đối hẹp, và nó khiến thời gian trên vệ tinh bị trễ hơn.
Vai trò của trọng lực
Vấn đề ở đây là: các vệ tinh cũng ở xa tâm Trái Đất hơn, do đó lực hấp dẫn yếu hơn ở vị trí của chúng. Thuyết tương đối rộng nói rằng trong trường hợp lực hấp dẫn yếu hơn, đồng hồ chạy nhanh hơn. Vì vậy, trong khi tốc độ làm chúng chậm lại, thì lực hấp dẫn thực sự lại làm chúng nhanh hơn.
Tại sao GPS lại phụ thuộc vào nó?
Giờ bạn đã biết thời gian không giống nhau ở mọi nơi, hãy cùng kết nối điều này với GPS của bạn.
Vệ tinh cần thời gian hoàn hảo
GPS hoạt động bằng cách đo thời gian tín hiệu từ vệ tinh đến thiết bị của bạn. Ngay cả một sai số nhỏ đến một phần tỷ giây cũng tạo ra một sai số định vị lớn. Nếu không hiệu chỉnh, hệ thống sẽ trôi khoảng 10 km mỗi ngày—hầu như không hữu ích cho việc tìm quán cà phê yêu thích của bạn.
Thuyết tương đối giúp nó chính xác
Các kỹ sư đã tích hợp thuyết tương đối vào thiết kế của vệ tinh. Họ điều chỉnh đồng hồ trên vệ tinh sao cho khi lên quỹ đạo, đồng hồ sẽ khớp với giờ Trái Đất. Điều này đảm bảo rằng khi tín hiệu đến điện thoại của bạn, các phép tính sẽ chính xác và nhất quán.
Điện thoại của bạn, được hỗ trợ bởi vật lý
Mỗi khi bạn sử dụng GPS, bạn đang vô tình sử dụng các lý thuyết của Einstein. Nếu không có những hiệu chỉnh đó, bản đồ sẽ bị lỗi chỉ trong vài phút. Sự thật buồn cười là thuyết tương đối không chỉ liên quan đến các thiên hà xa xôi hay các thí nghiệm tư duy mà nó còn nằm trong thói quen hàng ngày của bạn.
Giãn thời gian, từng là một ý tưởng kỳ lạ của Einstein, giờ đã trở thành một nhu cầu thiết yếu hàng ngày. Vệ tinh di chuyển nhanh và nằm trong môi trường trọng lực yếu hơn, khiến đồng hồ của chúng chạy chậm hơn so với đồng hồ của chúng ta trên Trái Đất. Bằng cách điều chỉnh cả hai hiệu ứng này, các kỹ sư giữ cho GPS chính xác đến từng mét. Bài học thật thú vị: chính vật lý đã định hình lại quan điểm của chúng ta về vũ trụ cũng đang dẫn dắt hành trình đi làm buổi sáng của bạn. Lần tới khi điện thoại của bạn báo "rẽ phải", hãy cảm ơn Einstein vì đã giữ cho đồng hồ luôn đồng bộ.
