Câu chuyện khoa học về chiếc đồng hồ

Theo thuyết tương đối của nhà bác học vĩ đại Albert Einstein: Một đồng hồ (A) đặt trên sàn nhà chạy tương đối chậm hơn một đồng hồ (B) đặt trên ghế đẩu là bởi vì đồng hồ (A) đặt thấp hơn và do đó nó chịu tác dụng của trọng lực nhiều hơn. Lưu ý: đồng hồ (A) và đồng hồ (B) giống hệt nhau.

Thuyết tương đối và câu chuyện về chiếc đồng hồ

Ngày nay, các nhà vật lý đã chứng minh được chuyện này bằng cách sử dụng hai đồng hồ siêu chính xác và nâng đồng hồ này cao hơn đồng hồ kia vài cm. Vì vậy đến thời điểm này, các nhà khoa học đã có thể dùng những chiếc đồng hồ chứng minh rằng theo thời gian thì mũi của bạn mau già hơn rốn của bạn. “Việc chứng minh rằng trọng lực thay đổi theo độ cao bằng cách nâng một chiếc đồng hồ lên độ cao 0,3048 m thì thật là thú vị”

Theo Daniel Kleppner, nhà vật lý ở Viện Công nghệ Massachusetts ở thành phố Cambridge, tiểu bang Massachusetts, Hoa kỳ. Ông nói thêm, tuy nhiên, thử nghiệm này "không làm thay đổi cách nhìn nhận của mọi người bởi tính tương đối."

Nhà bác học vĩ đại Albert Einstein nhận thấy rằng thời gian trôi qua với tốc độ khác nhau tùy thuộc vào điều kiện hoàn cảnh khác nhau. Ví dụ, giả sử anh đang đứng trên sân ga xe lửa với một chiếc đồng hồ Rolex xịn ở cổ tay cùng lúc đó bạn anh cũng đeo một chiếc đồng hồ Rolex xịn cùng loại nhưng đang trên một chuyến xe lửa tốc hành. Chắc chắn đồng hồ của bạn anh sẽ chạy chậm hơn đồng hồ của anh, lý do dễ hiểu là bạn anh đang di chuyển một cách tương đối so với anh. Einstein đã đưa ra dự đoán đặc biệt này trong lý thuyết tương đối của mình.

Và cũng theo lý thuyết tương đối, Einstein nhận định lực hấp dẫn đi kèm với vật thể khổng lồ như Trái đất chẳng hạn sẽ co dãn theo kết cấu của không gian và thời gian. Kết quả là chiếc đồng hồ đặt ở độ cao thấp hơn vì thế, bị tác động bởi lực hấp dẫn thấp hơn, nên chạy chậm hơn (với tỉ lệ bằng khoảng 3/1000.000 giây/ 1năm/ 1km về độ cao) một chiếc đồng hồ giống hệt đặt ở độ cao cao hơn.

Những dự đoán như vậy thì dường như là vô lý hết sức nhưng thực tế đã chứng minh điều ngược lại thông qua việc đo thời gian giữa chiếc đồng hồ nguyên tử siêu chính xác đặt trên mặt đất và những chiếc đồng hồ cùng loại đặt trên các máy bay phản lực. Phát hiện này được áp dụng vào việc tính toán trong hệ thống định vị toàn cầu của vệ tinh.

Ngày nay, Chin-wen Chou, Till Rosenband, và các đồng nghiệp tại Viện tiêu chuẩn và công nghệ (NIST) ở Boulder, Colorado, Hoa Kỳ sử dụng đồng hồ nguyên tử mẫu mới được gọi là đồng hồ quang học đã phát hiện những thay đổi của dòng thời gian mà nguyên nhân là do ảnh hưởng bởi tốc độ di chuyển của vật thể dưới 10 m/s và do sự thay đổi độ cao của vật thể dưới 1m.

Đồng hồ nguyên tử. Ảnh minh họa

Các đồng hồ nguyên tử lợi dụng trạng thái mà các điện tử bị nguyên tử chiếm giữ phát ra hay hấp thụ những sóng điện từ với tần số xác lập. Các nhà nghiên cứu theo dõi những sóng phát ra trên các nguyên tử, và lặp lại thông tin phản hồi và điều chỉnh tần số của các sóng này sao cho nguyên tử liên tục nhảy lùi lại quá trình này lặp đi lặp lại tới 4 lần. Sóng dao động sau đó đánh dấu thời gian chỉ khi con lắc dao động nhanh hơn và đều đặn. Ngày nay, đồng hồ nguyên tử xác lập thời gian chuẩn cho lò vi - ba sử dụng tần số chuẩn khoảng 9,2 tỉ chu kỳ mỗi giây để làm các nguyên tử dao động đồng loạt cùng phát ra mức năng lượng như nhau.

Ngược lại, Các nhà nghiên cứu ở Viện tiêu chuẩn và công nghệ (NIST) dùng đồng hồ sử dụng ánh sáng tia la-de với tần số 1.120.000 tỷ chu kỳ/ giây để đạt được trạng thái năng lượng nhảy vọt cao hơn gọi là sự chuyển tiếp quang học trong một ion nhôm đơn lẻ thu được trong bẫy thí nghiệm. Sự chính xác của loạt ion nhôm đạt đến tỉ lệ 3/10 triệu tỉ. Do đó, đồng hồ nhôm mới có độ chính xác hơn đồng hồ nguyên tử tới 40 lần và vì vậy nó sẽ giúp chứng minh tính khả thi của những dự đoán dựa trên thuyết tương đối của Albert Einstein trên qui mô lớn hơn.

Các nhà nghiên cứu đã chế tạo hai đồng hồ nhôm và để kiểm tra ảnh hưởng của tốc độ, họ làm động tác đẩy nhẹ ion nhôm chuyển động qua lại với tốc độ 4m/s trong bẫy của thí nghiệm. Kết quả thu được là một chuyển động chậm hơn 2/10 triệu tỉ gây ra trong đồng hồ bởi chuyển động của ion nhôm. Để kiểm tra ảnh hưởng của trọng lực, các nhà vật lý đặt đồng hồ 2 ở khoảng cách 17cm bên dưới đồng hồ 1, sau đó họ nâng đồng hồ 1 lên tới độ cao 33 cm. Lưu ý là hai đồng hồ này y hệt nhau. Kết quả Họ nhận thấy tần số hoạt động của đồng hồ 1 tăng vọt lên 4/100 triệu tỉ. Kết quả này khẳng định dự báo của thuyết tương đối tổng quát là chính xác. Các nhà nghiên cứu đã công bố kết quả này trên báo Science vào ngày 24/9.

Yu Nan, nhà vật lý lượng tử ở NASA Jet Propulsion Laboratory ở Pasadena, California nói: “Sự chính xác của đồng hồ quang học thật sự làm tôi kinh ngạc bởi vì đó chính là giấc mơ mà chúng tôi đã theo đuổi trong suốt 10 hoặc 20 năm trước đây. Ngày nay, chính sự tiến bộ trong kỹ thuật laser đã biến giấc mơ ấy thành hiện thực.” Yu dự báo rằng vài năm nữa hàng loạt các sản phẩm ứng dụng kỹ thuật vi sóng sẽ sử dụng loại đồng hồ quang học tiên tiến hơn. Christophe Salomon, nhà vật lý ở Supérieure École Normale ở Paris cũng đồng ý với nhận định trên nhưng ông cũng lưu ý rằng đồng hồ quang học vẫn còn trong giai đoạn thử nghiệm công nghệ mới. "Các đồng hồ quang học đang thúc đẩy tiến bộ khoa học, nhưng chúng không tự chạy liên tục", Salomon nói. đó là vấn đề nhà nghiên cứu NIST đã và đang tìm cách giải quyết.

Hồ Duy Bình
Địa chỉ: Hồ Duy Bình - Trung tâm Thông tin Thư viện – Đại học Tiền Giang- số 119, ấp Bắc, phường 5,TP. Mỹ Tho, tỉnh Tiền Giang.
Email: [email protected]