Vào giữa những năm 1950, khi đang đào tạo chuyên sâu tại Đại học Cambridge ở England, chàng thanh niên Daniel Kleppner học được một điều đáng kinh ngạc từ người trợ giáo: việc chế tạo đồng hồ nguyên tử – một chiếc đồng hồ chính xác tới độ phát hiện được tác động của trọng lực lên thời gian – là điều khả thi. Lòng hiếu kỳ trỗi dậy khiến ông tìm kiếm thêm thông tin và đọc cuốn sách "Nuclear Moments" (1953) của Norman Ramsey.
Sau khi kết thúc đào tạo, Kleppner tiếp tục làm nghiên cứu sinh tại Đại học Harvard và phát hiện tiến sĩ Ramsey là giảng viên ở đây. Ông lập tức xin gia nhập nhóm nghiên cứu của TS. Ramsey và được chấp nhận.
TS. Ramsey có ý định phát triển một chiếc đồng hồ nguyên tử. Tuy nhiên, các công nghệ hiện có, chẳng hạn như các bộ khuếch đại vi sóng (maser) sử dụng nguyên tử cesium và phân tử amonia, không đủ độ chính xác để làm được điều này. Vì thế, trong những năm 1940, TS. Ramsey đã bắt tay vào nghiên cứu và thành công tìm ra một cách để đo tần số bức xạ điện từ mà nguyên tử và phân tử hấp thụ. Kỹ thuật thực nghiệm của ông đã đặt nền móng cho cộng hưởng từ hạt nhân - tiền thân của công nghệ MRI được dùng trong ngành y ngày nay. Nhờ công trình này, TS. Ramsey đã đồng nhận được Giải Nobel Vật lý vào năm 1989.
Các nguyên tử của mỗi nguyên tố dao động ở một tần số riêng, giống như tiếng kêu đặc trưng của một loài chim vậy. Công trình của TS. Ramsey giúp các nhà khoa học có thể chế tạo đồng hồ nguyên tử - một thiết bị đo những dao động ấy, sử dụng thông tin thu được để duy trì thời gian cực kỳ chính xác. (Ví dụ, 1 giây là 9.192.631.770 chu kỳ dao động của một nguyên tử cesium).
Chiếc đồng hồ nguyên tử đầu tiên ra đời vào năm 1954, là đứa con tinh thần của nhà vật lý Jerrold R. Zacharias ở Viện Công nghệ Massachusetts (M.I.T). Khi Kleppner gia nhập phòng thí nghiệm của TS. Ramsey, ông có một ý tưởng để cải thiện độ chính xác của thiết bị này.
Ông tin rằng chìa khóa nằm ở việc quan sát các nguyên tử trong thời gian dài nhất có thể; theo dõi được dao động của chúng càng lâu thì đồng hồ sẽ càng chính xác. Kleppner chọn quan sát hydro – nguyên tử hóa học đơn giản nhất, nhẹ nhất và phổ biến nhất trong vũ trụ. TS. Ramsey gợi ý nên giữ chúng trong một loại bình chứa thay vì để chúng bay tự do. Ý tưởng này đã mang lại cơ sở cho những đóng góp đột phá của Kleppner. Ông thành công phát minh ra phương pháp giữ các nguyên tử hydro trong bình thủy tinh để có thể nghiên cứu tính chất lượng tử tinh vi của chúng trong thời gian dài hơn, nhờ thế phép đo thời gian chính xác hơn.
Nghiên cứu về hydro đã cho phép TS. Ramsey và Kleppner cùng với nhà vật lý H. Mark Goldenberg chế tạo ra maser hydro vào năm 1960 – một trong những đồng hồ nguyên tử ổn định nhất từng xuất hiện. Các nhà khoa học đã công bố kết quả nghiên cứu của mình vào năm 1962 trên tạp chí Physical Review.
Maser hydro có rất nhiều ứng dụng thực tiễn: hỗ trợ tạo ảnh có độ phân giải cao trong thiên văn vô tuyến; cải thiện khả năng liên lạc với các tàu thăm dò không gian xa; cho phép xác định thời gian chính xác của các tín hiệu liên lạc, nhờ thế ta có thể đo được khoảng cách giữa các vệ tinh định vị toàn cầu (GPS) và hiệu chuẩn chúng trong gần hai thập kỷ sau đó, khi các vệ tinh trên thế giới được đồng bộ hóa bằng những chiếc đồng hồ nguyên tử này.
"Maser hydro đã giúp những người phát triển GPS có thể nghĩ đến nó" – nhà vật lý William Phillips tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia cho biết. "Nếu không có những chiếc đồng hồ tốt như vậy, thì bạn sẽ không thể hình dung ra được việc tạo ra một hệ thống dựa trên một mạng lưới đồng hồ được đồng bộ hóa và duy trì cùng một thời gian".
 |
Daniel Kleppner (1932-2025) là nhà vật lý thực nghiệm giúp phát triển đồng hồ nguyên tử, nhờ thế mang lại độ chính xác cho GPS. Nguồn: Khoa Vật lý MIT |
Maser hydro vẫn được các đài quan sát hải quân sử dụng để đo thời gian và liên lạc, và được kết hợp với công nghệ mới hơn trong các hệ thống GPS hiện đại để giúp hàng tỷ người định vị Trái đất.
"Khi bắt đầu chế tạo những chiếc đồng hồ nguyên tử này, mục tiêu của chúng tôi gần như là điều ít thực tế nhất mà bạn có thể nghĩ đến" – TS. Kleppner chia sẻ trong một cuộc phỏng vấn với khoa Vật lý của MIT. "Từ một ý tưởng khá trừu tượng mà bạn muốn chứng kiến bằng cách nào đó, nó đã trở thành một điều rất cấp thiết đối với hoạt động của con người".
Sau khi lấy bằng tiến sĩ vào năm 1959, Kleppner được bầu làm phó giáo sư ở Harvard. Ông công tác ở đây tới năm 1966 và từ chức khi không vào được biên chế. Ông chuyển đến Cambridge, Massachusetts rồi tới M.I.T – nơi ông làm việc cho tới lúc về hưu vào năm 2003.
Giữa những năm 1970, TS. Kleppner bắt đầu quan tâm tới việc tạo ra một trạng thái vật chất hiếm gặp gọi là ngưng tụ Bose-Einstein, sự tồn tại của trạng thái này đã được những nhà khoa học mà nó mang tên dự đoán.
Nếu các electron trong nguyên tử có cùng chiều (hay còn gọi là spin) thì chúng không thể tạo thành phân tử — chúng đẩy nhau ra thay vì liên kết. Nhưng các nhà khoa học Bose và Einstein đặt ra giả thuyết rằng nếu các nguyên tử được làm lạnh xuống nhiệt độ vô cùng thấp và nén lại, thì chúng sẽ bước vào trạng thái năng lượng thấp nhất và trải qua một hiện tượng gọi là chuyển pha. Khi đó, spin của mỗi electron sẽ có cùng hướng, và các nguyên tử sẽ dừng hành xử như những hạt độc lập mà hoạt động như một khối thống nhất.
Khi đọc lý thuyết này vào năm 1976, TS. Kleppner đã bác bỏ ý tưởng này và cho rằng nó "hoàn toàn phi lý". Nhưng cuộc nói chuyện với đồng nghiệp là chuyên gia vật lý nhiệt độ thấp Tom Greytak đã khiến Kleppner thay đổi cách nhìn. Dựa trên công trình trước đó về maser hydro, TS. Kleppner bắt đầu thử nghiệm những cách tạo ra trạng thái vật chất khó nắm bắt này. Ông cùng nhóm nghiên cứu chọn hydro làm nguyên tố thử nghiệm, quyết định này đã làm chậm tiến độ của họ.
Khi câu chuyện về nỗ lực của họ lan xa, các phòng thí nghiệm khác cũng gia nhập đường đua. Vào năm 1995, những nhà khoa học đầu tiên thành công là Eric Cornell và Carl Wieman tại JILA (trước đây là Viện Vật lý Thiên văn Phòng thí nghiệm Liên hợp), và Wolfgang Ketterle của M.I.T. (TS. Ketterle nghiên cứu với David Pritchard, người từng là học trò của TS. Kleppner). Ba con người tài hoa này đã cùng nhận Giải Nobel Vật lý vào năm 2001 cho thành tựu của mình.
Cuối cùng, vào năm 1998, nhóm của TS. Kleppner cũng có thể tạo ra trạng thái ngưng tụ. Họ đã thử nghiệm hai kỹ thuật mang tính cách mạng — bẫy từ trường và làm mát bay hơi.
"Đây chính là điểm giao thoa giữa hai khía cạnh trong công trình của Dan Kleppner", ông Ketterle nói. "TS. Kleppner nổi tiếng với maser hydro, khởi đầu cho đồng hồ nguyên tử thực tế. Nhưng giờ đây chúng ta có những chiếc đồng hồ chính xác hơn maser hydro gấp 10.000 lần. Tuy nhiên, những chiếc đồng hồ đó chính xác hơn vì chúng hoạt động ở nhiệt độ cực thấp, và các kỹ thuật được phát triển để đạt được trạng thái ngưng tụ Bose-Einstein hiện đang được áp dụng cho đồng hồ nguyên tử".
Nguồn:
nytimes, washingtonpost
Bài đăng KH&PT số 1353 (số 29/2025)
Hiếu Ngân tổng hợp