Dùng đồng hồ để cân

Thông thường, khi nghĩ tới đồng hồ, chúng ta nghĩ về thời gian – giờ, phút, giây. Khi nghĩ tới cái cân, chúng ta nghĩ về khối lượng – gram, kilogram. Tuy nhiên, một loại đồng hồ mới phát triển bởi các nhà vật lí tại trường Đại học California, Berkeley được cho là đồng hồ cơ bản nhất từng được chế tạo, kết hợp chức năng của một cái đồng hồ với chức năng của một cái cân, nó báo giờ bằng vật chất.

Giống như nhiều phát minh khác của nhân loại – plastic, velcro, thép không gỉ - sự phát minh ra cái đồng hồ này là thuộc loại tình cờ. Đồng hồ nguyên tử, dụng cụ báo giờ chính xác nhất mà chúng ta từng biết, đo thời gian bằng cách dõi theo các mức năng lượng thăng giáng của nguyên tử caesium-133. Một giây được định nghĩa là thời gian cần thiết để hoàn tất 9.192.631.770 chu kì bức xạ của các electron caesium-133 chuyển tiếp giữa hai mức năng lượng.

Mặc dù phương pháp caesium hiện nay là phương pháp chính xác nhất để đo thời gian, nhưng các nhà vật lí biết rằng đó không phải là cách duy nhất sử dụng các hạt vật chất để báo giờ. Mỗi hạt có một tần số, gọi là tần số Compton, trên lí thuyết là có thể đo được. Tuy nhiên, tần số Compton quá nhanh – nhanh gấp 100 tỉ lần sóng ánh sáng – nên chúng ta không thể đo nó với công nghệ ngày nay. Khoa học sẽ chẳng phải là khoa học nếu nó không cố giải quyết những vấn đề khó nuốt và nay Holger Müller và một đội tại trường ĐH Berkeley đã bắt tay vào tìm hướng giải quyết vấn đề đó.

Đội khoa học bắt đầu với việc sử dụng nghịch lí cặp song sinh của Einstein làm một cách giải quyết vấn đề không có khả năng đo tần số Compton. Nghịch lí cặp song sinh nêu lí thuyết rằng một nếu một người sinh đôi ở lại trên Trái đất trong khi người kia đi du hành vũ trụ và sau đó trở về Trái đất, thì người đi chu du vũ trụ sẽ già đi chậm hơn người vẫn ở lại Trái đất, bởi vì thời gian trôi chậm hơn đối với những vật đang chuyển động.

Müller và đội của ông đã kiểm tra nghịch lí cặp song sinh bằng cách gửi nguyên tử caesium qua một giao thoa kế nguyên tử, nó cắt sóng của nguyên tử đó thành hai nửa, cho phép một nửa tiếp tục truyền đi còn nửa kia vẫn ở lại chỗ cũ – giống hệt như một người song sinh ở lại Trái đất còn người kia đi chu du vũ trụ. Vì tần số Compton quá nhanh và khó đo, nên thay vậy đội khoa học có thể đo sự chênh lệch tần số giữa hai nửa nguyên tử. Tuy nhiên, tần số phụ thuộc vào khối lượng của hai nửa, và do đó, phương pháp đo thời gian mới này có thể xác định trọng lượng.

Vì phương pháp dõi theo tần số Compton này có thể xác định khối lượng của một hạt nguyên tử, và khối lượng của các nguyên tử liên quan là đã biết, nên bạn có thể xâu chuỗi các tính toán với nhau và tính ra khối lượng của bất kì một nguyên tử nào. Thật đáng tiếc, một cái đồng hồ mà bạn có thể leo lên cân thử mình nặng bao nhiêu sẽ không có mặt trên thị trường trong thời gian trước mắt, bởi vì việc định cỡ khối lượng nguyên tử cho những vật lớn hơn hiện nay quá tốn kém. Tuy nhiên, phương pháp trên đã được kiểm tra, và có lẽ một ngày nào đó thị trường sẽ có bán một loại đồng hồ cho chúng ta biết mình cần giảm cân ra sao, giống hệt công việc của cái gương ngày nay vậy.

Tham khảo: DOI: 10.1126/science.1230767

Theo ExtremeTech

Bài trước | Bài kế tiếp