Đây là thứ nguyên tố sẽ tái định nghĩa khái niệm thời gian

Rất nhiều điều có thể xảy ra trong một giây đồng hồ. Bạn có thể đụng mặt một người lạ, búng ngón tay, yêu một ai đó, ăn uống ngủ nghỉ... Nhưng một giây thực sự kéo dài bao lâu? Và nó có chính xác như chúng ta nghĩ không?

Hiện tại, những chiếc đồng hồ chính xác nhất, dùng để báo giờ địa cầu, bị chậm 1s sau mỗi 300 triệu năm. Vậy, nếu một chiếc đồng hồ bắt đầu đếm giờ từ thời kỳ loài khủng long còn thống trị mặt đất, thì nó sẽ không thể chạy sai lệch dù chỉ 1 giây cho tới thời điểm bây giờ. Nhưng các nhà khoa học cho rằng chúng ta còn có thể đạt được độ chính xác cao hơn thế.

Vậy đâu là quy ước cho độ dài của khoảng thời gian 1s?

Trước đây, 1 giây được định nghĩa là 1/86400 của một vòng tự quay quanh trục của Trái Đất. Nhưng vòng quay trái đất không phải lúc nào cũng chính xác là 24 giờ. Vì thế các nhà khoa học quyết định không quan sát bầu trời để hiệu chỉnh đồng hồ nữa và thu nhỏ mọi thứ xuống mức độ nguyên tử, đơn vị cấu tạo “vô hình” của mọi vật chất.

Vào năm 1967, Ủy ban Quốc tế về Trọng lượng và Định lượng đã định nghĩa 1s là khoảng thời gian cần để kích thích một nguyên tử cesium. Tức là khoảng thời gian để các hạt electron của nguyên tử này chuyển từ bậc năng lượng này sang bậc năng lượng tiếp theo. Cần chính xác 9.192.631.770 chu kỳ của bức xạ vi sóng thì mới kích thích được nguyên tử cesium.

Con số đó nghe có vẻ là được viết ra ngẫu nhiên, nhưng, theo báo cáo được đăng tải trên tờ American Scientific, thực tế người ta đã mất gần ba năm để tìm ra nó. Hiện nay, có tới hàng trăm chiếc đồng hồ nguyên tử cesium chịu trách nhiệm chuẩn thời gian toàn cầu và kiểm soát điều hướng GPS. Nhưng trong thập kỷ qua, một thế hệ đồng hồ nguyên tử mới đã nổi lên, đó là đồng hồ quang học. Chúng có độ chính xác hơn 100 lần so với đồng hồ cesium.

Thế hệ đồng hồ quang học này có cách hoạt động không khác gì so với đồng hồ cesium, ngoại trừ việc chúng sử dụng các nguyên tử như nhôm hoặc ytterbi, bị kích thích bởi ánh sáng khả kiến có tần số cao thay vì bức xạ vi sóng chậm. Với tần số cao hơn, phép đo giây trở nên chính xác hơn.

Theo giáo sư vật lý tại đại học Quốc gia Singapore, Murray Barrett, để dễ hiểu hơn, bạn hãy tưởng tượng hai loại đồng hồ này là hai loại thước kẻ. Loại thước kẻ cesiumi có độ chia nhỏ nhất là 20cm. Còn loại thước kẻ quang học thì có độ chia nhỏ nhất chính xác đến 200mm.

Mặc dù với ưu thế gần như chính xác tuyệt đối của đồng hồ quang học, nhưng để duy trì nó chạy trong một thời gian dài trong môi trường không ổn định là một việc khá khó khăn. Giáo sư Barrett cho biết nhiệt độ phòng có thể làm thay đổi điện từ trường tác động lên các nguyên tử, do đó làm sai lệch sự đo lường thời gian. Do đó, đồng hồ cesium vẫn đáng tin cậy hơn nhiều so với đồng hồ quang học trong thực tế.

Chế tạo đồng hồ nguyên tử ít nhạy cảm hơn

Trong một nghiên cứu mới, nhóm nghiên cứu của giáo sư Murray Barrett đã phát hiện ra rằng ion lutetium ít nhạy cảm với sự thay đổi về nhiệt độ của môi trường hơn bất kỳ nguyên tố nào khác được sử dụng để chế tạo đồng hồ quang học. Các nguyên tử Lutetium là các ion tích điện. Chúng di chuyển ra trước và sau, phản hồi lại điện từ trường được tạo ra bởi sóng như ánh sáng hay vi sóng,... Các nhà khoa học gọi sự chuyển động này là “chuyển động vi mô”. Và các chuyển động vi mô này gây ảnh hưởng đến sự chính xác đo lường thời gian của đồng hồ.

Barrett cho biết, vì phải bù đắp cho sự chuyển động này nên rất khó để chế tạo 1 chiếc đồng hồ nguyên tử với nhiều hơn một ion lutetium, điều mà dường như phi thực tế. May thay, nhóm nghiên cứu đã tìm ra một yếu tố tự nhiên có thể loại bỏ các chuyển động vì mô này. Tuy nhiên, cái giá phải trả cho sự bù đắp chuyển động lại khiến cho các nguyên tử này trở nên nhạy cảm hơn với nhiệt độ phòng. Vậy thì nguyên tử lutetium có thể không phải là câu trả lời cho loại đồng hồ nguyên tử mới ít nhạy cảm hơn.

Hơn cả việc định lượng thời gian

Mặc dù Barett khẳng định ion lutetium mang đầy tiềm năng, có vẻ ông đã hơi vội khi tái quy ước 1s bằng đồng hồ quang học. Trong khi thực chất, quy ước của đồng hồ cesium hoàn toàn đáng công nhận. Nhưng ông vẫn cho rằng đồng hồ quang học với độ chính xác cao hơn có thể cho phép con người ứng dụng vào các loại công nghệ khoa học tân tiến mà với đồng hồ cesium, chúng ta sẽ không thể thực hiện được.

Ông đưa ra ví dụ: mỗi nơi khác nhau trên thế giới thì đồng hồ sẽ chỉ thời gian khác nhau, vì thời gian bị bóp méo bởi trọng lực, theo thuyết tương đối rộng của Albert Einstein. Ngay bây giờ, các đồng hồ nguyên tử trên trái đất không thể phát hiện ra sự bẻ cong thời gian do lực hấp dẫn của trái đất tạo nên. Nhưng nếu các nhà nghiên cứu có thể đặt vô số các đồng hồ quang học trên khắp thế giới, từ đó họ sẽ có thể thiết lập được trường hấp dẫn của hành tinh chúng ta.

Hơn thế nữa, các đồng hồ nguyên tử với độ chính xác cao có thể phát hiện ra các vật chất và năng lượng mà chúng ta chưa tìm ra. Bao gồm các vật chất tối tạo ra lực hấp dẫn nhưng không tương tác với ánh sáng thông thường; hay năng lượng tối, một năng lượng bí ẩn dường như đang đẩy nhanh sự giãn nở của quả bóng vũ trụ.

Dưới đây có thể là cách để phát hiện ra các vật chất và năng lượng đó: khi đã biết tần số cần thiết để kích thích một nguyên tử trong 1s, ta có thể sử dụng các đồng hồ trên khắp thế giới để phát hiện ra các vật chất, năng lượng lạ làm thay đổi mốc tần số đó. Một số giả thuyết cho rằng các vật chất tối nằm ở xung quanh chúng ta. Vậy nếu một mảng vật chất tối đi qua vị trí có đồng hồ nguyên tử sẽ làm nhiễu loạn, sai lệch đồng hồ.

Không kể các ví dụ trên, Barratt tin rằng chắc chắn còn rất nhiều ứng dụng thú vị của loại đồng hồ này mà ta chưa thể nghĩ tới ngay ở thời điểm này.

Tham khảo: Howstuffworks