Chiếc đồng hồ nguyên tử 14 tỉ năm mới lệch 1 giây này sẽ giúp ta tìm hiểu bản chất của Vũ trụ

Câu hỏi ông Jun Ye gặp phải nhiều nhất trong suốt sự nghiệp nghiên cứu khoa học cho tới giờ: Tại sao phải tạo nên chiếc đồng hồ chính xác nhất thế giới? Đa số chúng ta sống từng giờ từng phút mà không cần tới độ chính xác tuyệt đối, vậy nên ta không hiểu được lý do tại sao việc chia thời gian ra thành từng đơn vị tính nhỏ có giá trị ra sao.

Nhưng tại Đại học Colorado, vị giáo sư vật lý lại có cái nhìn khác về thời gian, khác hơn chúng ta chút. Theo giáo sư Ye, thời gian không chỉ là hằng số quyết định mọi việc ta làm, mà còn là yếu tố mấu chốt để ta hiểu được bản chất của vũ trụ, cách hoạt động của mọi thứ.

Bạn cứ tưởng tượng cuộc sống là một phương trình lớn, để giải được phương trình, ta cần những hằng số. Tìm hằng số ở đâu ra? Nhờ khoa học, ta có số lượng hạt trong một chất, số nguyên tử của chúng, … Một trong số đó, ta có hằng số luôn tăng đều đặn là thời gian.

Đường đi của Mặt Trời cho phép người Ai Cập cổ đại đề ra một lịch làm việc theo thời gian, nhịp lực hấp dẫn tác động lên đồng hồ quả lắc sẽ cho người đi biển một công cụ tìm đường chính xác, rung động trong đồng hồ quartz cho ta một công cụ đo thời gian chính xác nằm trên cổ tay. Việc đo đạc thời gian đã luôn là yếu tố trọng tâm, đóng vai trò lớn trong sự phát triển của nhân loại. Cách thức ta đo thời gian thay đổi rất nhiều, hiện đại và chính xác hơn nhiều.

Khi độ chính xác lên cao, giới khoa học phát hiện ra rằng những yếu tố đo đạc thời gian tự nhiên không hoàn hảo và không nhất quán. Họ muốn một cơ chế đồng hồ chính xác, không bao giờ chậm hoặc nếu có chậm, thì cũng không phải đặt lại bằng tay thường xuyên.

Công cuộc kiếm tìm đồng hồ chính xác đã đưa các nhà vật lý tới với các nguyên tử: chúng có một cơ chế nhịp đều đặn, bản chất của nguyên tử đã như vậy nên chúng sẽ là một cơ chế đếm nhịp, tính thời gian vô cùng chính xác. Trong mỗi nguyên tử là những hạt nhỏ hơn, sắp xếp theo thứ tự như những hệ sao nhỏ: proton và neutron là sao trung tâm, các electron là các hành tinh quay quanh chúng theo quỹ đạo. Trong thế giới nguyên tử nhỏ xíu, chúng tuân theo một quy tắc riêng của mình: vật lý lượng tử.

Electron có thể nhảy từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác, mỗi khi nhảy, chúng lại tạo ra những bức xạ vi sóng biến đổi theo từng trạng thái năng lượng khác nhau. Mỗi một lần nhảy tới lui được cho là một nhịp, dựa vào đó, ta có một cái đồng hồ chính xác.

Hai nhà vật lý học Louis Essen và Jack Parry tìm ra cách sử dụng nguyên tử cesium để tạo ra mộ trong những chiếc đồng hồ nguyên tử đầu tiên. Bằng sáng chế đó, họ định nghĩa lại thời gian, đúng nghĩa đen luôn. Một giây được xác nhận là tần số chuyển giao của 133 nguyên tử cesium, xấp xỉ 9,2 vòng chuyển.

Sau suốt những năm tháng nghiên cứu, các nhà khoa học tìm ra được nhiều cách thức ứng dụng nguyên tử cesium. Họ có thể dùng vi sóng bắn vào nguyên tử, cho nó một tần số nhất định để đưa nguyên tử lên một dạng năng lượng cao hơn. Thế hệ đồng hồ nguyên tử mới với hạt cesium mới cho thấy độ ổn định cao, với sai số ngày một nhỏ - đồng hồ ngày một chính xác.

Giáo sư Ye không chỉ nghiên cứu thời gian để hiểu hơn về nó, dường như thời gian cũng chọn ông Ye, để ông xuất hiện vào đúng thời điểm để có thể đam mê được vật lý, yêu say đắm thời gian rồi bắt tay vào nghiên cứu, mong muốn tạo được dụng cụ đo thời gian chính xác.

Ông có hai lĩnh vực yêu thích, hay lựa chọn nghề nghiệp để theo đuổi là văn học và khoa học kĩ thuật. Chẳng lâu sau khi ông chọn khoa học làm bến đỗ, ông được trường cử đi tham dự cuộc thi vật lý toàn quốc. Vinh dự đó đã khiến ông quyết định cống hiến cuộc đời cho khoa học, nhắm tới mục đích trở thành nhà vật lý học.

Lại một lần nữa ông đưa ra quyết định vào đúng thời điểm: Ông đào sâu nghiên cứu đúng vào thời điểm các nhà vật lý lỗi lạc tìm ra cách tạo ra đồng hồ nguyên tử chính xác hơn nữa. Những phiên bản đồng hồ trước dựa vào việc biến bức xạ vi sóng cực nhanh của nguyên tử thành sóng vô tuyến chậm hơn, cho phép thiết bị điện tử có thể đọc dễ hơn.

Khi ông Ye trở thành nhà vật lý học cho Viện Quy chuẩn Vật lý và Công nghệ Quốc gia và cùng lúc đó, trở thành trợ lý giáo sư trong trường Đại học Colorado hồi năm 1999, ông Ye đã sẵn sàng thay thế vị trí nhà vật lý học đại tài và cũng là người dẫn dắt ông, là John Hall. Nhưng lúc đó, giáo sư Hall và cộng sự là Theodor Hänsch từ Viện Quang Lượng tử Max-Planck đã chuẩn bị hoàn thành được một bước đột phá.

Vào thời khắc chuyển giao giữa hai thế kỉ, họ phát minh ra được một tấm lọc tần số quang học, một cái thước kẻ đo thời gian được làm từ tần số ánh sáng của tia laser. Vài năm sau đột phá trên, cả hai nhà khoa học vê hưu. Họ để lại một di sản khổng lồ: các nhà nghiên cứu hiện tại đã có thể đọc tần số giao động của nguyên tử ở một mức độ cao hơn nhiều, lên tới mốc giữa 430 và 770 nghìn tỷ hertz (để so sánh, một cái đồng hồ quả lắc có nhịp chỉ 1 hertz).

Ông Ye mô tả thiết bị của Hall và Hänsch như là một viên gạch nền móng mới cho cả ngành, mở ra một khoảng rộng mới để tha hồ nghiên cứu. Hộ mô tả tấm lọc tần số quang học với tâm thế của một nhà thám hiểm vừa tìm thấy miền đất hứa.

Không lâu sau, ông đạt được bước đột phá của riêng mình. Ông phát triển thành công một chiếc đồng hồ nguyên tử làm từ strontium 87, có nhịp tính theo femto-giây – một phần triệu tỉ giây. Phiên bản mới nhất của cái đồng hồ trên có hàng ngàn hạt nguyên tử strontium siêu lạnh, nằm thành một cái lưới 3 chiều. Sử dụng một tia laser để thay đổi tần số hạt, họ khiến những nguyên tử rung lên và với tấm lọc tần số quang học, họ đọc được từng nhịp rung của hạt.

Đây là cái đồng hồ chính xác nhất thế giới. Nếu như nó chạy từ thời điểm Big Bang – vụ nổ khổng lồ sinh ra Vũ trụ xảy ra từ 14 tỷ năm trước - đến giờ, nó sẽ chỉ lệch 1 giây. Ông Ye tự hào về thành quả của mình, và tỏ lòng biết ơn những người đi trước vì đã tạo nên nền móng vững chắc, cho phép ông dựng được thiết bị đo thời gian chính xác nhất nhân loại từng có.

Ông giải thích cho những người chưa hiểu về tầm quan trọng của chiếc đồng hồ nguyên tử: giống như việc người xưa biết dùng đồng hồ Mặt Trời để gieo cấy, thu hoạch đúng thời điểm, tác dụng của chiếc đồng hồ nguyên tử nằm trong mọi hoạt động hàng ngày của con người.

Ví dụ, ta có hệ thống dẫn đường GPS. Bạn biết được chính xác đường từ nhà ra chợ là (một phần) nhờ đồng hồ nguyên tử. Thiết bị GPS hoạt động nhờ việc tính toán chính xác thời gian để tín hiệu từ vệ tinh về thiết bị. Bất kì một lỗi nhỏ nào cũng sẽ khiến bạn đi lạc sang nhà người yêu cũ. Sai số 1 mili-giây, nhân với quãng đường giữa vệ tinh và thiết bị, sẽ biến thành khoảng cách dài 300 kilomet.

Bên cạnh đó, ông cũng thấy những giá trị khoa học lớn của một chiếc đồng hồ siêu chính xác. "Việc đo đạc vẫn luôn là trọng tâm của ngành khoa học, qua nó ta có thể hóa giải bí mật của tự nhiên".

Hệ thống đồng hồ nguyên tử sẽ cho phép các nhà khoa học tìm ra cơ chế hoạt động của vật lý lượng tử, tương tác của các hạt với nhau ra sao và làm cách nào để kết nối vật lý lượng tử với vật lý cổ điển ta vẫn thấy hàng ngày. Cây cầu nối hai khía cạnh vật lý vẫn là mục tiêu cả đời của nhiều nhà khoa học.

Hiểu được vật lý lượng tử - cách các hạt tương tác và tại sao, ta sẽ xây dựng được những hệ thống lớn (vốn tuân theo vật lý cơ bản) hoạt động được bằng vật lý lượng tử. Máy tính lượng tử là một trong số đó.

Giáo sư Ye nghĩ rằng nếu ta làm ra được một cái đồng hồ đủ chính xác để đếm được nhịp thời gian thay đổi trong khoảng không thời gian xoay quanh một hạt duy nhất, ta sẽ trả lời được bản chất của vật lý lượng tử. Tiến thêm một bước từ chữ "nếu", ta sẽ đo được cách các hạt vật chất hấp dẫn lẫn nhau, lực hấp dẫn sẽ mở thêm một trang mới, với các số đo chính xác ở mức nguyên tử. Mọi yếu tố đều có liên hệ với nhau, hiểu được chúng liên hệ ra sao, ta sẽ biết trước được cả những sự kiện tự nhiên sẽ diễn ra (động đất, sóng thần, núi lửa phun trào, ...), tại thời điểm nó còn đang nhen nhóm.

Càng đào sâu tìm hiểu thời gian trong thế giới nguyên tử, ta lại càng thấy các khả năng dường như là vô tận. Ông Ye cũng nghĩ vậy. Ông không tin mình đã đạt tới giới hạn, và không tin mọi thứ mới dừng lại ở đó. "Ước muốn của tôi là phát triển mạnh mẽ hơn nữa, nhất là qua những gì tôi thấy suốt 10 và 15 năm nay. Những phát triển vượt bậc sẽ khiến công đồng tự tin hơn, đặt ra những câu hỏi sâu sắc hơn".

Ngày nhân loại có được đồng hồ quả lắc, ta đã vượt đại dương trong êm đẹp. Lúc có được đồng hồ nguyên tử, ta đã có được hệ thống dẫn đường GPS, có được mạng Internet kết nối toàn cầu. Thật khó có thể tưởng tượng những bước đột phá tiếp theo, nhưng ai cũng muốn tưởng tượng, muốn sống giây phút đó.

Như ông Ye mô tả, bằng từng bước chân khoa học, ta đã đang đứng trước một thung lũng đầy hoa đẹp. Việc cần làm là nhẹ nhàng ngắt lấy chúng, tạo nên những kì quan mới của nhân loại.