Thuyết tương đối hẹp nói về nguyên lý tốc độ ánh sáng chân không như nhau với người quan sát quán tính và tính nhất quán của định luật vật lý. Cần thận trọng với “thời gian photon cảm nhận” dù là ví von, bởi không định nghĩa được hệ quán tính đứng yên cùng photon.
Khi so thời gian, ghi quy trình trước chính xác hơn hỏi đồng hồ nào chậm. Xem video gửi từ xa, nói về thời gian tọa độ đã hiệu chỉnh thời gian truyền tín hiệu, hay đặt hai đồng hồ cạnh nhau khi gặp lại là câu hỏi khác nhau. Cùng gọi giãn thời gian nhưng bỏ quy trình có thể khiến giải thích trông mâu thuẫn. Số ở đây là thí nghiệm tư duy về chuyển động đều, bỏ qua hấp dẫn và hiệu ứng khác. Với thiết bị hoặc chuyến đi thật phải đưa lại điều kiện đã bỏ.
1. Điều kiện so sánh thời gian
So đồng hồ chuyển động với đứng yên cần xác định ai đo trong hệ nào. Ví dụ đồng hồ ánh sáng xét đồng thời đường ánh sáng và tốc độ không đổi để giải thích giãn thời gian. Chỉ việc ánh sáng từ xa đến muộn không giải thích toàn bộ giãn thời gian tương đối tính.
2. Khi mỗi bên thấy đồng hồ bên kia chậm
Người quan sát quán tính chuyển động đều tương đối có thể đánh giá đồng hồ đối phương chạy chậm. Trong chuyến đi gặp lại để so thời gian tích lũy, cần xét cả xuất phát, quay lại và tái ngộ. Chỉ gắn công thức chuyển động đều của một bên cho cả chuyến sẽ thiếu điều kiện cần.
3. Phân biệt tốc độ ánh sáng và vật chất
Vật có khối lượng đạt tốc độ ánh sáng chân không và ánh sáng truyền trong môi trường là vấn đề khác nhau. Làm chậm trong môi trường không đổi tốc độ bất biến chân không. Hãy chỉ rõ hệ quy chiếu, đường đi và quy trình đo trước khi giải thích giãn thời gian.
4. Đại lượng thực sự so trong đồng hồ ánh sáng
Đồng hồ ánh sáng là thiết bị giả định đếm mỗi lần ánh sáng đi về giữa hai gương. Trong hệ đi cùng đồng hồ, ánh sáng đi thẳng giữa gương. Ở hệ khác, gương còn chuyển ngang nên đường ánh sáng dài hơn. Áp dụng đồng thời tốc độ chân không như nhau trong hai hệ sẽ cho quan hệ khoảng thời gian đi về khác. Không phải đồng hồ hỏng hoặc ánh sáng mệt mà chậm.
Ví dụ đơn giản giả sử tốc độ tương đối bằng 0,6 lần tốc độ ánh sáng chân không. Trong điều kiện chuyển động đều lý tưởng, hệ số giãn bằng 1 chia căn bậc hai của 1 trừ bình phương 0,6, tức 1,25. Với hai sự kiện mà đồng hồ chuyển động ghi tại vị trí mình khoảng 4, thời gian tọa độ trong hệ so sánh là 5. Đây là giả định để hiểu nguyên lý, không phải lịch chuyến bay đã tính gia tốc tàu thật hay hấp dẫn.
Điểm quan trọng là so hai sự kiện nào. Phân biệt thời gian một đồng hồ đo giữa sự kiện ở vị trí nó với thời gian gán bằng các đồng hồ đồng bộ ở vị trí khác. So đồng hồ khác hệ còn có định nghĩa đồng thời. Vì vậy nhìn một đồng hồ xa qua kính thiên văn không hoàn tất mọi so sánh.
Nếu không hiệu chỉnh ánh sáng đến trễ, chẳng hạn, video đồng hồ đi xa và đến gần có thể đổi khác nhau. Quan sát đó gồm truyền tín hiệu và hiệu ứng Doppler. Muốn giải thích quan hệ thời gian tương đối tính phải nói xử lý thời gian ánh sáng đi thế nào. Không đồng nhất “trông thấy” với “đo trong hệ” là khởi đầu tốt.
5. Đường đi khứ hồi trong thí nghiệm cặp song sinh
Hai người quan sát đi ngang nhau đều có thể mô tả đồng hồ đối phương chậm mà không mâu thuẫn logic, vì cách họ nhóm sự kiện cách xa thành đồng thời khác nhau. Rời cùng điểm rồi gặp lại đặt đồng hồ cạnh nhau là vấn đề thêm điều kiện. Cần xác định ai đổi hướng khi nào, và hai đồng hồ đi đường nào trong không-thời gian.
Có thể giản lược khứ hồi bằng cách bỏ khác biệt hấp dẫn giữa Trái Đất và người đi, so các đoạn chuyển động đều. Người đi phải đổi trạng thái chuyển động để về, nên không mô tả toàn trình bằng một hệ quán tính. Có gia tốc là khác biệt quan trọng, nhưng nói đơn giản gia tốc làm hỏng đồng hồ rồi chậm sẽ bỏ lỡ cốt lõi: so thời gian riêng tích lũy theo từng đường.
Ở ví dụ tốc độ 0,6 trên, nếu tổng thời gian hệ Trái Đất của các đoạn đều là 10, tổng thời gian đồng hồ người đi ở đoạn tương ứng là 8. Đây là lý tưởng hóa đoạn quay rất ngắn, bỏ qua được. Chuyến thật cần tính gia tốc, hấp dẫn và chi tiết đường đi. Số giúp hiểu không đồng nghĩa năng lực nhiệm vụ thực tế đã đạt.
Khi vẽ thí nghiệm, đánh dấu xuất phát, đổi hướng và gặp lại trước. Sau đó ghi hệ dùng cho từng đoạn và thời gian đồng hồ thật ghi. Kiểm tra hình chỉ so video liên lạc giữa đường hay cả thời gian tích lũy khi gặp giúp phân biệt vì sao các giải thích cho số khác nhau.
6. Hiểu lầm về góc nhìn photon và ánh sáng trong môi trường
Gia tốc vật có khối lượng tới tốc độ ánh sáng chân không khác ánh sáng vốn truyền ở tốc độ ấy. Không thể áp dụng nguyên phép biến đổi giữa hệ quán tính của tương đối hẹp cho người quan sát đứng yên cùng ánh sáng. Do đó, nói “vũ trụ photon nhìn thấy” như trải nghiệm quan sát nghiêm ngặt sẽ có vấn đề. Dù ví von cũng phải nói đây không phải hệ thực sự định nghĩa được.
Mô tả thời gian riêng trên đường photon và hỏi photon có ý thức cảm nhận thời gian là câu hỏi hoàn toàn khác. Đổi tính chất toán học của đại lượng vật lý thành trải nghiệm người dễ chèn đồng hồ hay người quan sát không tồn tại. Điều giải thích được là quan hệ tốc độ ánh sáng, năng lượng và tín hiệu người quan sát đo. Cách nói thú vị không biến góc nhìn thiếu quy trình đo thành sự thật vật lý.
Ánh sáng truyền trong nước hoặc kính chậm hơn chân không không có nghĩa tốc độ bất biến chân không đổi. Đó là bài toán thêm điều kiện tương tác ánh sáng với môi trường. Vì vậy không đổi chuyện hạt nhanh hơn ánh sáng trong môi trường thành vượt giới hạn ánh sáng chân không. Trước hết ghi lấy gì làm mốc và so tốc độ nào.
Kiểm tra cuối là hệ quy chiếu, hai sự kiện và phân biệt đồng hồ với tín hiệu. Thiếu bốn điểm này khó hiểu số và ví von. Cũng tách hiệu ứng tương đối hẹp về quan hệ chuyển động đều với tương đối rộng gồm hấp dẫn theo tình huống. Lập quy trình quan sát trước biến “thời gian chậm đi” từ cảm giác mơ hồ thành khẳng định vật lý so sánh được.