Đồng hồ quang nguyên tử siêu chính xác sẽ định nghĩa lại độ dài của một giây

Định nghĩa về giây - đơn vị thời gian cơ bản nhất trong hệ thống đo lường hiện tại của chúng ta, đã không được cập nhật trong hơn 70 năm qua. Nhưng trong một thập kỷ tới, đồng hồ quang nguyên tử siêu chính xác dựa vào loại ánh sáng nhìn thấy được sẽ thiết lập định nghĩa mới về đơn vị này.

Trên lý thuyết, những phiên bản mới hơn của đồng hồ nguyên tử này sẽ chính xác hơn nhiều so với đồng hồ cesium tiêu chuẩn vàng, đo giây dựa trên sự dao động của các nguyên tử caesi khi tiếp xúc với vi sóng. Jeffrey Sherman, một nhà nghiên cứu của Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia về Thời gian và Tần số ở Boulder, cho biết: “Bạn có thể nghĩ nó tương đương với việc có một chiếc thước kẻ có vạch dấu tích từng milimet, trái ngược với một cây gậy chỉ đo 1 mét."

Vào tháng 6 tới đây, Văn phòng Cân nặng và Đo lường Quốc tế có thể đưa ra các tiêu chí cần thiết cho bất kỳ định nghĩa thứ hai nào trong tương lai, cho đến này, chưa có loại đồng hồ quang học nào sẵn sàng làm được điều đó. Tuy nhiên, một định nghĩa mới về thời gian sẽ được chính thức thông qua vào năm 2030.

Loại đồng hồ quang học mới có thể giúp phát hiện vật chất tối, chất vô hình tạo ra lực hấp dẫn, thậm chí là tìm tàn tích của Vụ nổ lớn được gọi là sóng hấp dẫn, những gợn sóng không gian - thời gian được tiên đoán bởi thuyết tương đối của Einstein.

Đơn vị đo lường cơ bản được định nghĩa lại

Trong một thí nghiệm năm 1957 về một đồng vị, hoặc một biến thể, của caesi, khi được tạo xung với một bước sóng cụ thể của năng lượng vi sóng, các nguyên tử caesi ở trạng thái "kích thích" nhất và giải phóng số lượng photon hay đơn vị ánh sáng lớn nhất có thể. Bước sóng đó được gọi là tần số cộng hưởng tự nhiên của caesi, khiến các nguyên tử xêzi "tích tắc" 9.192.631.770 lần mỗi giây.

Ngược lại, đồng hồ nguyên tử quang học đo dao động của các nguyên tử "tích tắc" nhanh hơn nhiều so với nguyên tử caesi khi được phát xung với ánh sáng trong phạm vi nhìn thấy của quang phổ điện từ. Bởi vì chúng có thể đánh dấu nhanh hơn nhiều, về mặt lý thuyết, cho nên có thể xác định một giây với độ phân giải tốt hơn nhiều.

Có nhiều đối thủ để thay thế caesi, chẳng hạn như stronti, ytterbium và nhôm, mỗi cái đều có những ưu điểm và điểm hạn chế.

Để có được loại đồng hồ như vậy, các nhà nghiên cứu phải cô lập, và sau đó làm lạnh các nguyên tử đến "độ không tuyệt đối" trong một sợi tóc, tiếp tục xung chúng với màu sắc được điều chỉnh chính xác của ánh sáng cần thiết để kích thích tối đa các nguyên tử. Một phần của hệ thống chiếu ánh sáng vào các nguyên tử, và phần kia đếm các dao động.

Tuy nhiên, một số thách thức lớn nhất đến từ việc đảm bảo tia laser phát ra đúng màu ánh sáng (màu xanh hoặc đỏ nhất định) cần thiết để đẩy các nguyên tử vào tần số cộng hưởng của chúng. Bước thứ hai là đếm các dao động sẽ đòi hỏi một lược tần số laser femto giây, nó sẽ gửi các xung ánh sáng cách nhau những khoảng cách rất nhỏ. Những yếu tố này đều đòi hỏi những kỹ thuật rất kỳ công và cực kỳ phức tạp.

Đồng hồ quang học chính xác có thể giúp ích được gì cho chúng ta

Vậy tại sao các nhà khoa học muốn đồng hồ nguyên tử ngày càng chính xác hơn để đo giây? Nó không chỉ là một bài tập học thuật. Thuyết tương đối của Einstein nói rằng thời gian bị biến dạng bởi khối lượng và lực hấp dẫn. Kết quả là nó có thể trôi qua chậm hơn một chút khi ở mực nước biển - nơi trường hấp dẫn của Trái đất mạnh hơn so với trên đỉnh Everest, nơi nó yếu hơn một chút.

Vì vậy, việc phát hiện những thay đổi nhỏ này trong dòng chảy thời gian cũng có thể tiết lộ những bằng chứng mới về vật lý. Chẳng hạn ảnh hưởng của vật chất tối cho đến nay chỉ được phát hiện trong vũ điệu xa xôi của các thiên hà quay quanh nhau, từ sự bẻ cong của ánh sáng xung quanh các hành tinh và ngôi sao, và từ ánh sáng còn sót lại từ Vụ nổ lớn. Tuy nhiên, nếu những vật chất tối ở gần chúng ta hơn, thì những chiếc đồng hồ siêu chính xác phát hiện sự chậm lại rất nhỏ của thời gian có thể tìm thấy chúng dễ hơn.

Tương tự như vậy, khi sóng hấp dẫn làm rung chuyển cấu tạo của không-thời gian, chúng sẽ bóp méo và kéo dài thời gian. Một số sóng hấp dẫn lớn nhất được phát hiện bởi Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser, một cuộc chạy đua tiếp sức kéo dài hàng nghìn dặm cho ánh sáng đo các vết "phồng rộp" trong không-thời gian được tạo ra bởi các sự kiện đại hồng thủy như va chạm lỗ đen.

Tuy nhiên, sự có mặt của một tiểu đoàn đồng hồ nguyên tử trong không gian có thể phát hiện ra các hiệu ứng giãn nở thời gian này đối với các sóng hấp dẫn chậm hơn nhiều, chẳng hạn như các sóng từ nền vi sóng vũ trụ. Chúng được gọi là sóng hấp dẫn nguyên thủy có thể là tàn tích còn sót lại từ Vụ nổ lớn.