Các nhà vật lí NIST đã so sánh một cặp đồng hồ nguyên tử chính xác nhất thế giới để chứng minh rằng bạn sẽ già đi nanh hơn khi bạn chỉ đứng dưới người bạn kia có hai bậc thang thôi. (Ảnh: Loel Barr, NIST)
Trong nghịch lí cặp song sinh nổi tiếng, một trong hai người du hành trong một phi thuyền chuyển động nhanh khi trở về nhà sẽ trẻ hơn so với người vẫn ở lại trên Trái đất. Trong khi sự chậm đi biểu kiến như thế này của thời gian xảy ra hễ khi nào một người nào đó ở trong trạng thái chuyển động, nhưng thật rất khó phát hiện ra nó đối với sự chuyển động ở cấp bậc con người.
Nhưng nay các nhà vật lí ở Mĩ vừa sử dụng hai trong những chiếc đồng hồ quang học chính xác nhất thế giới để xem xét hiệu ứng này và những hiệu ứng tương đối tính khác ở tốc độ và khoảng cách cỡ cấp độ con người. Đội nghiên cứu nhìn thấy thời gian trôi chậm đi ở một chiếc đồng hồ chuyển động chậm hơn khoảng 35 km/h so với anh em song sinh của nó. Họ cũng nhận thấy thời gian trôi nhanh hơn ở một cái đồng hồ đặt cao đồng hồ kia chỉ có 33 cm.
James Chin-Wen Chou và các đồng nghiệp tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kì (NIST) ở Boulder, Colorado, đã sử dụng hai đồng hồ - mỗi cái chỉ gồm một ion nhôm – để tiến hành các thí nghiệm giãn nở thời gian của họ. Chiếc đồng hồ đầu tiên thuộc loại này đã được đội công bố hồi đầu năm nay và nó có khả năng giữ độ chính xác đến một giây trong 3,7 tỉ năm và chiếc đồng hồ thứ hai có độ chính xác tương tự.
Trong cả hai đồng hồ, ion nhôm bị bẫy và làm lạnh bằng điện trường và ánh sáng laser. Tần số của đồng hồ được cho bởi một chuyển tiếp quang đặc biệt của ion trên, nó được đo bằng cách chiếu một laser vào ion và khóa chặn laser lên trên tần số mà ánh sáng bị hấp thụ. Điều này được thực hiện với sự hỗ trợ của một ion magnesium độc thân (trong đồng hồ thứ hai là beryllium) bị vướng víu với ion nhôm trong một quá trình gọi là quang phổ học lôgic lượng tử (QLS).
Để quan sát sự giãn nở thời gian tại tâm điểm của nghịch lí cặp song sinh, đội khoa học đã đưa một trong các ion nhôm vào một chuyển động dao động chậm bằng cách điều chỉnh điện trường dùng để bẫy giữ nó. Ion trong chiếc đồng hồ thứ hai vẫn ít nhiều tĩnh tại hơn và khi đội nghiên cứu so sánh tần số của các đồng hồ, họ nhận thấy thời gian trên ion đang chuyển động chậm đi khoảng 10–16 lần khi tốc độ trung bình của nó là khoảng 10 m/s (35 km/h). Đội nghiên cứu đã lặp lại các phép đo của họ ở những tốc độ khác nhau từ 0 đến 40 m/s và nhận thấy sự giãn nở thời gian xảy ra đúng như thuyết tương đối đặc biệt dự đoán.
Sau đó, đội nghiên cứu thực hiện một thí nghiệm thứ hai để thử xem xét một hệ quả của thuyết tương đối rộng gọi là “sự giãn nở thời gian hấp dẫn”. Hiệu ứng này xảy ra khi một đồng hồ nằm cao hơn chiếc đồng hồ kia và do đó đặt tại một giá trị khác của thế năng hấp dẫn của Trái đất.
Hiệu ứng này được đo bằng cách trước tiên cho các đồng hồ chạy ở cao độ cách nhau 17 cm và rồi nâng một trong hai đồng hồ lên 33 cm và cho chúng chạy lần nữa. Kết quả là một sự dịch chuyển khoảng 4 × 10–17 trong tần số của hai đồng hồ - phù hợp với thuyết tương đối rộng. Quy đổi ra thời gian của con người, sự khác biệt này là khoảng 90 phần tỉ của một giây so với quãng đời 80 năm.
Để thực hiện những phép đo này, đội nghiên cứu phải cho chạy các đồng hồ của họ trong hàng chục giờ để có độ chính xác cần thiết. Chou cho biết đội của ông hiện đang cố gắng giảm bớt thời gian này đi. Nếu như thành công, thì các đồng hồ có thể dùng để phát hiện ra những biến thiên nhỏ xíu trong thế năng hấp dẫn của Trái đất. Một mạng lưới gồm những chiếc đồng hồ như vậy đặt trên khắp thế giới có thể, thí dụ, cung cấp thông tin đáng giá cho các nhà vật lí địa cầu.
Gerald Gwinner thuộc trường Đại học Manitobga tin rằng một mạng lưới như vậy sẽ rất hữu ích. “Khả năng kết nối những chiếc đồng hồ như vậy qua cáp quang đường dài sẽ thật sự cho phép chúng ta tạo ra một mạng lưới máy theo dõi hấp dẫn thời gian thực”, ông nói. “Ngành địa vật lí và các khoa học môi trường có thể hưởng lợi rất nhiều từ những công cụ như vậy”.
Gwinner bổ sung thêm rằng minh chứng NIST vừa nói có thể giúp các nhà vật lí giải thích sự giãn nở thời gian với công chúng. “Tôi sẽ có thể nói với người nghe rằng bây giờ chúng ta có thể thậm chí nhìn thấy sự giãn nở thời gian ở tốc độ vẫy tay. Giống hệt như tôi vẫy bàn tay của mình, họ đã vẫy các ion của họ tới lui”.
Công trình công bố trên tạp chí Science 329 1630.
Nguồn: physicsworld.com
