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

Một giây dài bao nhiêu?

Định nghĩa về giây - đơn vị thời gian cơ bản nhất trong hệ thống đo lường thời gian hiện tại của chúng ta đã không được cập nhật trong hơn 70 năm. Theo đó, tiêu chuẩn về giây hiện tại dựa trên một thí nghiệm năm 1957 với một đồng vị, hoặc một biến thể của caesi (nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn có ký hiệu Cs và số nguyên tử bằng 55) ở trạng thái "kích thích" nhất và giải phóng số lượng photon hay đơn vị ánh sáng lớn nhất có thể.

Khi đo lại bước sóng - thứ được gọi là tần số cộng hưởng tự nhiên của caesi, các nhà khoa học phát hiện ra các nguyên tử caesi "tích tắc" 9.192.631.770 lần mỗi giây. Kể từ đó, độ dài của giây đã được xác định.

Thế nhưng trong khoảng một thập kỷ tới, định nghĩa này có thể thay đổi. Dựa trên công nghệ có tên gọi là đồng hồ quang học nguyên tử siêu chính xác, các nhà khoa học giờ đây có thể dựa vào ánh sáng nhìn thấy để thiết lập một định nghĩa mới về giây.

Trên lý thuyết, đồng hồ nguyên tử này sẽ chính xác hơn nhiều so với mẫu đồng hồ cesium tiêu chuẩn, từng được biết đến với khả năng đo giây dựa trên sự dao động của các nguyên tử caesi khi tiếp xúc với vi sóng.

Để hiểu rõ hơn về sự khác biệt này, Jeffrey Sherman, một nhà nghiên cứu tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia về Thời gian và Tần số ở Boulder, Colorado (Mỹ) đã dùng phép so sánh thú vị. "Hãy tưởng tượng như trước đây, chúng ta đo giây đồng hồ bằng một cây gậy dài 1 mét", Sherman nói. "Nhưng giờ đây, bạn sẽ có một chiếc thước kẻ với vạch dấu lên tới từng milimet".

Để làm được điều này, các nhà nghiên cứu phải phân tách, sau đó làm lạnh các nguyên tử đến độ 0 tuyệt đối trong một sợi tóc, sau đó "ép xung" chúng với màu sắc được điều chỉnh từ của ánh sáng khả kiến cần thiết để kích thích tối đa các nguyên tử này. Cuối cùng, họ sẽ đếm các dao động từ các xung ánh sáng phát ra từ khoảng cách rất nhỏ, để đo "độ dài" của một giây đồng hồ. Đây đều là những kỹ thuật cực kỳ phức tạp và có thể cần thêm nhiều thí nghiệm để đo lường một cách chính xác.

Tuy nhiên nếu mọi chuyện diễn ra theo đúng kế hoạch, Sherman tin rằng một định nghĩa mới về giây đồng hồ có thể sẽ chính thức được thông qua vào năm 2030.

Tại sao phải đo lại giây đồng hồ?

Thời gian không chỉ đơn giản là phát đi theo một đường thẳng. Thuyết tương đối của Einstein từng cho rằng nó bị biến dạng bởi khối lượng và lực hấp dẫn. Kết quả là thời gian có thể trôi qua chậm hơn một chút ở mực nước biển, nơi trường hấp dẫn của Trái Đất mạnh hơn so với một vị trí ở rất cao, chẳng hạn như trên đỉnh Everest.

Theo Sherman, việc phát hiện chi tiết hơn về những thay đổi nhỏ trong dòng chảy thời gian không chỉ giúp định nghĩa lại các khái niệm để chúng trở nên rõ ràng, chính xác hơn, mà còn có thể giúp các nhà khoa học tìm ra những bằng chứng về vật lý hoàn toàn mới.

Bên cạnh đó, loại đồng hồ quang học mới còn có thể giúp phát hiện vật chất tối, chất vô hình tạo ra lực hấp dẫn, hoặc tìm kiếm những tàn tích của "Vụ nổ lớn" dưới dạng các sóng hấp dẫn - hay những gợn sóng trong không-thời gian, được tiên đoán bởi thuyết tương đối của Einstein.

Được biết từ trước đến nay, mức độ ảnh hưởng của vật chất tối chỉ được phát hiện ở những vùng xa xôi, nơi các thiên hà quay xung quanh nhau, từ sự bẻ cong của ánh sáng xung quanh các hành tinh và ngôi sao, hay từ ánh sáng còn sót lại từ Vụ nổ lớn.

Tuy nhiên, nếu những đám vật chất tối này đang ẩn nấp ở đâu đó gần hơn, thậm chí là ở ngay trên Trái Đất, thì những chiếc đồng hồ siêu chính xác - thứ có thể phát hiện ra sự chậm lại rất nhỏ của thời gian - là thứ khả dĩ nhất có thể giúp các nhà khoa học tìm thấy chúng.