Tác dụng của hấp dẫn lên thời gian được xác nhận

Các nhà vật lí ở Mĩ và Đức vừa sử dụng hai nguyên lí cơ bản của cơ học lượng tử để thực hiện phép kiểm tra chính xác cao của thuyết tương đối rộng Einstein. Các nhà nghiên cứu khai thác lưỡng tính sóng-hạt và sự chồng chất bên trong một giao thoa kế nguyên tử để chứng tỏ một hiệu ứng gọi là sự dịch chuyển hấp dẫn – sự chậm lại của thời gian ở gần một vật khối lượng lớn – là đúng với độ chính xác bảy phần tỉ. Kết quả trên thật quan trọng đối với cuộc tìm kiếm một lí thuyết hấp dẫn lượng tử và có thể có những ứng dụng thực tiễn đáng kể, thí dụ như cải thiện độ chính xác của các hệ thống định vị toàn cầu.

Giản đồ hoạt động của giao thoa kế nguyên tử: Quỹ đạo của hai nguyên tử được vẽ là hàm theo thời gian. Các nguyên tử đang tăng tốc do sự hấp dẫn và các đường dao động miêu tả sự chồng chất pha của các sóng vật chất. Các mũi tên chỉ thời gian của ba xung laser.

Sự xác nhận hiệu ứng này ủng hộ cho quan điểm rằng lực hấp dẫn là một biểu hiện của độ cong không-thời gian vì dòng thời gian không còn còn đều đặn xuyên suốt lịch sử nữa mà biến thiên theo sự phân bố của những vật khối lượng lớn. Việc củng cố quan điểm độ cong không-thời gian là quan trọng trong việc phân biệt giữa những lí thuyết khác nhau của sự hấp dẫn lượng tử, vì có một số phiên bản của lí thuyết dây có thể phản ứng với những thứ khác ngoài hình dạng của không-thời gian ra.

Tính vạn vật của sự rơi tự do

Tuy nhiên, sự dịch chuyển hấp dẫn, là một biểu hiện của bất biến định xứ (quan điểm cho rằng kết quả của mọi thí nghiệm phi hấp dẫn là độc lập với địa điểm và thời điểm thực hiện nó trong vũ trụ) được xác nhận kém nhất trong số ba loại thí nghiệm ủng hộ cho nguyên lí tương đương. Hai thí nghiệm kia, tính vạn vật của sự rơi tự do và bất biến Lorentz cục bộ, đã được xác nhận với độ chính xác 10^-13 hoặc tốt hơn nữa, trong khi sự dịch chuyển hấp dẫn trước đây chỉ được xác nhận đến độ chính xác 7x10^-5. Kết quả này thu được vào năm 1976 bằng cách ghi lại sự khác biệt thời gian trôi đo bởi hai chiếc đồng hồ nguyên tử - một đặt trên mặt đất và một được gửi lên cao độ 10.000 km trong một tên lửa.

Loại phép đo dịch đỏ như thế này bị hạn chế bởi mức độ hút hấp dẫn do khối lượng của Trái đất mang lại. Nghiên cứu mới, tiến hành bởi Holger Müller thuộc trường Đại học California Berkeley, Achim Peters thuộc trường Đại học Humboldt ở Berlin và Steven Chu, trước đây tại Berkeley nhưng hiện nay là Thư kí của Bộ Năng lượng Mĩ, bị hạn chế bởi những ràng buộc tương tự, nhưng làm chủ được việc tăng đáng kể độ chính xác nhờ vào một chiếc đồng hồ cực tốt mang lại bởi cơ học lượng tử.

Năm 1997, Peters đã sử dụng kĩ thuật bẫy laser do Chu phát triển để bắt lấy các nguyên tử caesium và làm lạnh chúng đến một vài phần triệu của một độ trên không độ tuyệt đối (để giảm vận tốc của chúng càng nhiều càng tốt), và sau đó sử dụng một chùm laser thẳng đứng truyền một cú hích hướng lên cho các nguyên tử để đo sự rơi tự do hấp dẫn.

Nay Chu và Müller giải thích lại những kết quả của thí nghiệm đó để cung cấp một phép đo của sự dịch chuyển hấp dẫn.

Trong thí nghiệm, mỗi một nguyên tử hứng chịu ba xung laser. Xung thứ nhất đưa nguyên tử vào một sự chồng chất của hai trạng thái có khả năng ngang nhau -  hoặc để cho nó một mình giảm tốc và sau đó rơi xuống Trái đất dưới sức hút của lực hấp dẫn, hoặc truyền cho nó một cú hích để nó đạt tới độ cao lớn hơn trước khi rơi xuống. Một xung thứ hai đặt vào sau đó đúng thời điểm thích hợp để đưa nguyên tử ở trạng thái thứ hai trở lại hướng Trái đất nhanh hơn, làm cho hai trạng thái chồng chất gặp nhau trên đường rơi xuống. Tại đây, xung laser thứ ba sẽ đo sự giao thoa giữa hai trạng thái này do sự tồn tại của nguyên tử dưới dạng sóng, ý tưởng là bất kì sự chênh lệch nào ở độ dịch đỏ hấp dẫn chịu bởi hai trạng thái tồn tại ở những độ cao khác nhau phía trên mặt đất sẽ hiển hiện dưới dạng một sự biến đổi pha tương đối của hai trạng thái.

Tần số cực cao

Ưu điểm của phương pháp này là tần số cực cao của sóng de Broglie của nguyên tử caesium- chừng 3x10²⁵ Hz. Mặc dù trong 0,3 s rơi tự do, sóng vật chất trên quỹ đạo cao hơn chịu thời gian trôi nhiều hơn 2x10^-20 s so với sóng trên quỹ đạo thấp hơn, nhưng tần số cực cao của sự dao động của chúng, kết hợp với khả năng đo sự chênh lệch biên độ chỉ một phần nghìn, nghĩa là các nhà nghiên cứu có thể xác nhận sự dịch đỏ hấp dẫn đến độ chính xác 7x10^-9.

Như Müller phân tích, “nếu thời gian rơi tự do kéo dài đến tuổi của vũ trụ - 14 tỉ năm – thì sự chênh lệch thời gian giữa lộ trình trên và lộ trình dưới chỉ là một phần nghìn của một giây, và độ chính xác của phép đo sẽ là 60 pico giây, thời gian cần thiết cho ánh sáng đi quãng đường chừng một centi mét”.

Độ chính xác cực kì có thể hữu ích làm cho các hệ thống định vị toàn cầu trở nên chính xác hơn. Như Müller trình bày rõ, để xác định vị trí của một vật trên mặt đất đến độ chính xác mili mét, đồng hồ nguyên tử trên vệ tinh GPS cần phải hoạt động đến độ chính xác 10^-17, một con số thật ra mới thu được gần đây bởi một chiếc đồng hồ do Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ quốc gia Hoa Kì phát triển. Nhưng ở cao độ 20.000 km của vệ tinh, những chiếc đồng hồ như thế sẽ chịu một sự tăng thời gian khoảng một phần 10¹⁰ do sự lệch đỏ hấp dẫn. Việc đạt tới độ chính xác 10^-17 do đó sẽ đòi hỏi phải biết tác dụng lệch đỏ đến độ chính xác 10^-7.

Müller hi vọng cải thiện hơn nữa độ chính xác của các phép đo lệch đỏ bằng cách tăng khoảng cách giữa hai trạng thái chồng chất của các nguyên tử caesium. Khoảng cách thu được trong nghiên cứu hiện nay chỉ là 0,1 mm, nhưng ông nói, bằng cách tăng khoảng cách này đến 1 m thì sẽ có thể phát hiện ra sóng hấp dẫn, những gợn li ti trong cơ cấu không-thời gian mà thuyết tương đối rộng tiên đoán nhưng chưa bao giờ từng quan sát thấy trước đây.

Công trình trên được công bố trên tờ Nature 463 926.

Theo physicsworld.com