Thời gian trôi nhanh hơn trên Sao Hỏa: Bí ẩn khoa học đang mở ra kỷ nguyên định vị liên hành tinh

Trong nhiều thập kỷ, khi bàn về hành trình mở rộng sự hiện diện của con người ra khỏi Trái Đất, chúng ta thường tập trung vào công nghệ tên lửa, nhà ở ngoài hành tinh hay những thách thức sinh tồn trên các thế giới xa xôi.

Thế nhưng, có một yếu tố ít được chú ý nhưng lại có thể quyết định toàn bộ tương lai của hệ thống liên lạc và định vị giữa các hành tinh. Đó là thời gian. Một nghiên cứu mới cho thấy thời gian trên Sao Hỏa không trôi giống thời gian trên Trái Đất, và sự khác biệt nhỏ bé này đang đặt ra bài toán mới cho thế hệ công nghệ vũ trụ tiếp theo.

Theo tính toán mới đây của hai nhà khoa học Neil Ashby và Bijunath Patla thuộc Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ NIST, đồng hồ trên Sao Hỏa chạy nhanh hơn đồng hồ trên Trái Đất trung bình 477 phần triệu giây mỗi ngày.

Nghe có vẻ rất nhỏ, gần như không thể nhận biết bằng cảm nhận thông thường của con người. Thế nhưng trong thế giới của hệ thống định vị, vệ tinh và liên lạc tốc độ cao, sự lệch pha dù chỉ vài micro giây mỗi ngày cũng đủ tạo ra sai số nghiêm trọng. Đây chính là lý do các nhà khoa học cho rằng nghiên cứu này sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng những mạng lưới thông tin có thể phủ khắp không gian trong tương lai.

Sự khác biệt về tốc độ trôi thời gian giữa các hành tinh không phải hiện tượng mới. Nó xuất phát từ lý thuyết tương đối rộng của Albert Einstein, vốn mô tả cách thời gian bị bẻ cong bởi trọng lực và vận tốc.

Trọng lực càng mạnh, đồng hồ càng chạy chậm. Vận tốc càng lớn, tương tự, thời gian cũng trôi chậm hơn. Nhưng việc tính toán chính xác cách mà thời gian thay đổi giữa hai hành tinh lại là một thách thức đầy phức tạp. Không chỉ vì sự khác biệt về trường hấp dẫn giữa Trái Đất và Sao Hỏa, mà còn vì các yếu tố như hình dạng quỹ đạo, vận tốc quay quanh Mặt Trời và tương tác hấp dẫn từ những vật thể gần kề như Trái Đất và Mặt Trăng.

Theo nhóm nghiên cứu, trọng lực trên Sao Hỏa yếu hơn năm lần so với Trái Đất. Điều này khiến thời gian trên Sao Hỏa có xu hướng trôi nhanh hơn. Tuy nhiên, bức tranh không đơn giản ở mức đó. Quỹ đạo của Sao Hỏa quanh Mặt Trời có độ lệch tâm lớn hơn, hơi kéo dài hơn so với quỹ đạo của Trái Đất.

Vì vậy, vận tốc của Sao Hỏa quanh Mặt Trời không đều. Khi hành tinh này đến gần Mặt Trời hơn, nó tăng tốc và khiến thời gian trôi chậm lại đôi chút. Khi đi xa khỏi Mặt Trời, nó giảm tốc, khiến thời gian trôi nhanh hơn. Sự dao động này khiến mức chênh lệch 477 micro giây mỗi ngày có thể thay đổi tăng hoặc giảm đến 226 micro giây tùy vị trí của Sao Hỏa trên quỹ đạo của nó.

Ông Patla mô tả công việc của họ bằng một hình ảnh rất thực tế. Nếu trước đây việc tính toán quỹ đạo và thời gian của ba vật thể như Mặt Trời, Trái Đất và Mặt Trăng đã vô cùng phức tạp, thì giờ đây họ phải xử lý cả bốn vật thể cùng lúc.

Đó là Mặt Trời, Trái Đất, Mặt Trăng và Sao Hỏa. Mỗi vật thể đều có khối lượng, lực hấp dẫn và quỹ đạo riêng. Sự ảnh hưởng tương tác lẫn nhau tạo ra một bài toán đòi hỏi mức độ chính xác cực cao. Ông nói vui rằng việc này phức tạp hơn nhiều so với ông tưởng, giống như đang cố nâng một vật nặng hơn cả dự đoán ban đầu.

Dù sự chênh lệch thời gian giữa hai hành tinh nhỏ đến mức chúng ta khó nhận ra, nhưng đối với các hệ thống định vị tương lai trên Sao Hỏa, nó lại là một yếu tố sống còn. Trên Trái Đất, công nghệ định vị như GPS yêu cầu độ chính xác đến từng phần mười micro giây. Chỉ cần sai số nhỏ cũng đủ khiến bản đồ định vị lệch hàng chục mét.

Với những mạng lưới có thể hoạt động giữa hai hành tinh, mức yêu cầu về độ chính xác sẽ còn khắt khe hơn nhiều. Vì vậy, việc hiểu rõ cách thời gian trôi qua trên Sao Hỏa là bước quan trọng trong việc xây dựng hạ tầng viễn thông và định vị không gian.

Khi con người bắt đầu triển khai các trạm liên lạc, vệ tinh quay quanh Sao Hỏa hoặc các robot tự hành trên bề mặt hành tinh này, vấn đề đồng bộ thời gian sẽ là thách thức không thể tránh khỏi. Từ việc điều khiển robot, định vị các tàu thăm dò, cho đến truyền dữ liệu thời gian thực, tất cả đều phụ thuộc vào sự chính xác của đồng hồ. Nếu các hệ thống không đồng bộ, những tín hiệu truyền đi giữa hai hành tinh có thể bị lệch, gây mất thông tin hoặc tạo ra những lỗi nghiêm trọng trong hoạt động của thiết bị.

Không chỉ dừng lại ở Sao Hỏa, nhóm nghiên cứu trước đây cũng đã tính toán sự khác biệt thời gian giữa Trái Đất và Mặt Trăng. Họ phát hiện đồng hồ trên Mặt Trăng chạy nhanh hơn 56 micro giây mỗi ngày so với Trái Đất. Dù con số này nhỏ hơn nhiều so với Sao Hỏa, nhưng vẫn đủ để yêu cầu các hệ thống định vị mặt trăng trong tương lai phải có các thuật toán hiệu chỉnh đặc biệt.

Ông Ashby cho rằng đây là thời điểm hoàn hảo để các nghiên cứu như thế này được đẩy mạnh. Loài người đang ở giai đoạn tiến gần hơn bao giờ hết đến việc biến những ý tưởng khoa học viễn tưởng thành hiện thực.

Với tốc độ phát triển của công nghệ không gian, ý tưởng về một mạng lưới định vị liên hành tinh có khả năng bao phủ toàn bộ hệ Mặt Trời bên trong không còn là giấc mơ viễn vông. Để làm được điều đó, việc hiểu rõ cách thời gian vận hành ở mỗi thế giới là điều không thể bỏ qua.

Nghiên cứu chi tiết về sự khác biệt thời gian giữa Trái Đất và Sao Hỏa đã được công bố ngày 1 tháng 12 trên Tạp chí Thiên văn học. Nó mở ra một hướng tiếp cận quan trọng cho công nghệ viễn thông vũ trụ và mang đến cái nhìn sâu sắc về cách mà vũ trụ vận hành theo đúng những gì Einstein từng dự đoán.

Dù chỉ là những micro giây chênh lệch, nhưng chúng lại là chìa khóa để mở cánh cửa bước vào một kỷ nguyên nơi con người có thể kết nối, liên lạc và định vị không chỉ trên Trái Đất mà trên cả nhiều hành tinh khác trong tương lai.