Đồng hồ chính xác nhất thế giới có thể nói điều gì về trái đất và vũ trụ?
Hãy tưởng tượng, phải mất tới 15 tỉ năm để đồng hồ đặt tại phòng thí nghiệm của Jun Ye ở tầng hầm trường đại học Colorado sai tới một giây – khoảng thời gian tồn tại của vũ trụ.
Với phát minh này, nhà khoa học Mỹ gốc Trung Quốc cùng với đồng nghiệp Nhật Bản Hidetoshi Katori cùng chia sẻ Giải thưởng Breakthrough 2021 dành cho vật lý cơ bản trị giá ba triệu USD.
Làm việc một cách độc lập, các kỹ thuật do cả hai phát triển sử dụng những tia laser để bẫy và làm lạnh các nguyên tử, sau đó khai thác các dao động của chúng để định hướng cái mà người ta gọi là “những đồng hồ tinh thể quang”, thiết bị đo thời gian chính xác bậc nhất mà người ta từng thiết kế.
Có thể so sánh, các đồng hồ nguyên tử hiện tại cứ 100 triệu năm lại sai mất một giây.
Nhưng điều gì đem lại độ chính xác tuyệt vời này?
“Đây thực sự là một thiết bị có thể cho phép anh chứng minh kết cấu cơ bản của không thời gian trong vũ trụ”, Ye nói với AFP.
Trong phòng thí nghiệm của Ye, các nhà nghiên cứu đã chứng tỏ thời gian chuyển động chậm hơn khi đồng hồ được đặt gần hơn với mặt đất bằng một đơn vị vật chất của centimeter, phù hợp với những tiên đoán về hấp dẫn của Einstein.
Ứng dụng công nghệ hiện hành, các đồng hồ đó có thể cải thiện độ chính xác trong định vị của GPS đến phần nghìn hoặc giúp một phi cơ không người lái hạ cánh an toàn xuống sao Hỏa.
Một lược sử ngắn của thời gian
Cải thiện độ chính xác của vật “lưu trữ” thời gian là mục tiêu có từ thời Ai Cập và Trung Quốc cổ đại khi tạo ra những đồng hồ mặt trời.
Một đột phá quan trọng đến với phát minh về đồng hồ pendulum vào năm 1656, vốn phụ thuộc vào vật mang khối lượng dao động, và một vài thập kỷ sau đó chronometers đã chính xác hóa đủ để xác định kinh độ của một con tàu trên biển.
Vào đầu thế kỷ 20, người ta thấy sự tiên tiến của đồng hồ tinh thể thạch anh, vốn cộng hưởng với điện ở những tần số rất đặc biệt hoặc số các tích tắc trong một giây. Các đồng hồ thạch anh được sử dụng phổ biến trong các thiết bị điện tử hiện đại nhưng vẫn còn dễ bị ảnh hưởng đến độ nhạy do quá trình sản xuất hoặc các điều kiện bên ngoài như nhiệt độ.
Bước nhảy vọt tiếp theo trong việc đo đếm thời gian là từ các chuyển động của các nguyên tử bị kích thích, phát triển các đồng hồ nguyên tử, vốn miễn nhiễm với các hiệu ứng của các biến thiên môi trường.
Các nhà vật lý biết rằng một tần số siêu cao sẽ có thể là nguyên nhân khiến các hạt electron quay quanh quỹ đạo của các hạt nhân của một dạng nguyên tử cụ thể nhảy đến một trạng thái năng lượng cao hơn, để chuyển động theo một quỹ đạo ra xa khỏi các hạt nhân.
Các đồng hồ nguyên tử tạo ra một tần số xấp xỉ là nguyên nhân khiến các nguyên tử của nguyên tố Cesium nhảy đến mức trạng thái năng lượng cao hơn.
Sau đó, một máy dò sẽ đếm con số các nguyên tử bị kích thích đó, chấp thuận tần số nếu cần thiết để khiến đồng hồ chính xác hơn.
Đến năm 1967, mỗi giây được xác định như 9.192.631.770 dao động của một nguyên tử Cesium.
Khám phá vũ trụ và trái đất
Các phòng thí nghiệm của Katori và Ye đã tìm kiếm những cách để cải thiện các đồng hồ nguyên tử bằng cách chuyển những dao động tới điểm cuối của phổ điện từ, với những tần số cao hơn một trăm ngàn lần so với những đồng hồ nguyên tử hiện hành – để khiến chúng thêm chính xác.
Họ nhận thấy họ cần một cách bẫy các nguyên tử nay lại – trong trường hợp này là nguyên tử của nguyên tố strontium – và giữ cho chúng ở các mức nhiệt độ siêu thấp để giúp đo đạc thời gian một cách đúng hơn.
Nếu các nguyên tử đều bị ảnh hưởng bởi hấp dẫn hoặc những chuyển động khác, chúng sẽ mất độ chính xác cần thiết và thuyết tương đối có thể là nguyên nhân dẫn đến những hiệu ứng nhiễu trên đồng hồ. Để bẫy các nguyên tử, các nhà sáng chế đã tạo ra một “mạng tinh thể quang” được làm từ các sóng laser chuyển động theo nhưng hướng ngược nhau để hình thành một hình dạng tĩnh giống hộp trứng.
Ye rất vui khi nghĩ đến tiềm năng sử dụng của đồng hồ đặc biệt này, ví dụ như đồng bộ hóa các đồng hồ trên thế giới ở các đài quan sát xuống đến mức độ nhỏ nhất của một giây cũng có thể cho phép các nhà thiên văn học khái niệm hóa các lỗ đen tốt hơn.
Các đồng hồ chính xác hơn có thể rọi ánh sáng mới vào các quá trình địa chất học trên trái đất.
Lý thuyết hấp dẫn nói với chúng ta rằng thời gian chuyển động chậm hơn khi tiếp cận một vật thể có khối lượng lớn, vì vậy một đồng hồ đủ độ chính xác có thể nói với các nhà khoa học sự khác biệt giữa các vật chất đá rắn và nham thạch núi lửa bên dưới lớp bề mặt, giúp dự đoán một đợt phun trào mới. Hoặc thậm chí đo đạc độ khác biệt của các đại dương, hoặc có bao nhiêu nước bên dưới một sa mạc.
Thách thức tiếp theo, Ye nói, sẽ là tinh giản hóa công nghệ này để mang nó ra ngoài phòng thí nghiệm. Các nhà khoa học thừa nhận, nhiều lúc thật khó để có thể giải thích được các khái niệm cơ bản của vật lý với công chúng. “Nhưng khi họ nghe nói về những chiếc đồng hồ, họ có thể cảm nhận được đó là một điều kỳ điệu, họ có thể tạo một kết nối với vật lý và đó thực sự là một phần thưởng cho chúng tôi”, anh nói.
Tô Vân tổng hợp
Nguồn: https://phys.org/news/2021-09-world-accurate-clock-earth-cosmos.html
