Khi các nhà khoa học mang đồng hồ nguyên tử để đo... độ cao của núi

Chúng ta thường nghĩ thời gian là một đơn vị đo những thứ như ngày tháng năm, hay đo vòng đời dài bao lâu,v.v… Nhưng nếu bạn sở hữu một cặp đồng hồ chỉ thời gian cực kì chính xác, bạn hoàn toàn có thể sử dụng thời gian để đo một thứ khác – đo độ cao của những ngọn núi.

Theo Los Angeles Times, tuần qua các nhà khoa học đã có một bước tiến lớn trong việc sử dụng thời gian để đo những độ cao từ mực nước biển trở lên. Lần đầu tiên trong lịch sử, họ mang cả một cỗ đồng hồ nguyên tử quang học ra khỏi phòng thí nghiệm. Chiếc đồng hồ này được đưa đến dãy núi Alps, Pháp.

Bằng cách so sánh tỷ lệ tốc độ của đồng hồ nguyên tử được đặt trên một ngọn núi với một cỗ đồng hồ tương tự trong một phòng thí nghiệm ở Torino (Ý), các nhà nghiên cứu đã chứng minh được rằng sự khác biệt về độ cao giữa hai địa điểm này là khoảng 1.000 mét, hay 3.280 feet. Đề tài nghiên cứu này đã được xuất bản trong tạp chí khoa học Natural Science.

Một chiếc đồng hồ nguyên tử mới có khả năng sử dụng lực hấp dẫn để đo chiều cao của một ngọn núi ở dãy núi Alps của Pháp. (Ảnh từ Jean-Pierre Clatot / AFP-Getty Images)

Duncan Agnew, một nhà địa vật lý thuộc Viện Hải dương học Scripps ở San Diego, cho biết: "Ý tưởng sử dụng đồng hồ cầm tay theo cách này đã tồn tại trong tài liệu địa vật lý từ rất lâu rồi. Những gì những nhà nghiên cứu đó làm chỉ đơn thuần là làm điều đó ngoài đời thật".

Theo lý thuyết tương đối của Einstein, thời gian di chuyển khác nhau tùy thuộc vào bạn đang ở đâutrong trường trọng lực. Chẳng hạn, một chiếc đồng hồ trên đỉnh núi cao - xa trung tâm Trái Đất - sẽ di chuyển nhanh hơn một đồng hồ một chút ở đáy núi đó, nơi lực hấp dẫn mạnh hơn. Đó không phải do lỗi cơ học. Thời gian thực sự nhanh hơn khi ở trên đỉnh núi.

Hay nói cách khác, những người sống ở vùng núi sẽ già đi nhanh hơn một chút so với những người đang sống trên bãi biển.

Đồng hồ stronti quang học vận chuyển trong Phòng thí nghiệm ngầm ngầm Modane. (Christian Lisdat).

"Cơ thể bạn già đi, thay đổi xuất hiện tồn tại ở thời gian thực cho dù bạn đang ở bất cứ nơi nào", Christian Lisdat, nhà vật lý học thuộc Viện Đo lường Quốc gia Đức, người đã nghiên cứu cho biết. "Và không khác gì đồng hồ".

Hầu hết các đồng hồ hiện nay đều không đủ chính xác để đánh mốc được sự khác biệt về tốc độ thời gian ở các độ cao khác nhau. Bởi vì, trong 10 năm, hai đồng hồ cách nhau 1.000 mét theo độ cao sẽ chỉ cách nhau có 31 phần triệu giây, Agnew nói. Nhưng đồng hồ nguyên tử lại có khả năng chia tách một giây thành những phần rất rất nhỏ bé đến nỗi phần siêu nhỏ này có thể giúp phát hiện ra một sự thay đổi nhỏ trong tốc độ thời gian. Kể từ năm 1655, việc ghi giờ là xây dựng một cái gì đó dao động với tốc độ không đổi - dù là sử dụng con lắc hay những khiến cho những tinh thể thạch anh rung động nếu bạn đưa dòng điện qua chúng.

Đồng hồ nguyên tử cũng vậy. Họ sử dụng bước nhảy lượng tử của electron như một con lắc. "Những bước nhảy này là một tính chất rất cơ bản của nguyên tử, và các bước nhảy này giống nhau với mỗi nguyên tử cùng loại", Lisdat cho biết. "Dù loại chất bạn sử dụng là gì,ở đâu trong vũ trụ, bạn cũng có cùng tần số y như con lắc". Một số đồng hồ chính xác nhất trên hành tinh này là các thiết bị được gọi là đồng hồ lưới quang học. Chúng đo sự di chuyển của các hạt electron xung quanh các hạt stronti đã bị mắc kẹt trong một lưới laser. Với thiết lập này, một đồng hồ lưới quang học có thể tách được ra thành 9 tỷ chu kì mỗi giây.

Christian Lisdat, nhà vật lý học thuộc Viện Đo lường Quốc gia Đức.

Tuy nhiên, đồng hồ với mức độ chính xác này thường nằm trong phòng thí nghiệm. Điều này làm cho không ít khó khăn cho việc mang đi, vì phải duy trì buồng chân không, làm mát các nguyên tử strontium đến nhiệt độ gần độ không tuyệt đối, tạo ra một mạng các tia laze tập trung cao và hàng trăm gương phản chiếu,v.v...

Mặc dù vậy, Lisdat và các đồng nghiệp của anh ta muốn xây dựng một đồng hồ lưới quang học có thể mang đi trên đường. Điều cốt lõi là xác định những yếu tố để cân bằng lại khối lượng sao mà vừa cho phép các đồng hồ mang được ra khỏi phòng thí nghiệm vừa không mất quá nhiều độ chính xác. "Những gì chúng tôi làm là mang một cái gì đó nghệ thuật và làm cho nó vận chuyển được", Lisdat nói. "Thật không dễ dàng gì".

Cuối cùng, nhóm nghiên cứu đã chia nhỏ đồng hồ lướ iquang học này thành các phần nhỏ phù hợp để đóng gói trê nmột chiếc xe kéo có độ ổn định nhiệt độ và chịu được độ sốc lớn, và đủ nhỏ để nhét vào khoang chứa hai con ngựa. "Việc này giống như bạn gói gém một phòng thí nghiệm nhỏ để mang đi", Lisdat mô tả.

Bên trong phòng thí nghiệm chưa đồng hồ nguyên tử có thể di chuyển được. (Christian Lisdat).

Lần thử nghiệm đầu tiên, các tác giả đã mang đồng hồ xách tay mới của họ tới phòng thí nghiệm Souterrain de Modane, một phòng thí nghiệm được chôn sâu trong dãy núi An-pơ của Pháp. Sử dụng một liên kết sợi quang học, chúng được kết nối đồng hồ với nhau khoảng 88km ở Torino. "Chúng tôi chọn hai độ cao chênh tương đối lớn để thí nghiệm đạt hiệu quả nhất", Lisdat chia sẻ.

Những thí nghiệm đầu tiên không diễn ra suôn sẻ. Tại thời điểm đó,một đường hầm mới đang được đào ngầm ở trong lòng núi, và những chiếc khoan máy gần đó đã làm mất sự ổn định của đồng hồ.

Ngoài ra, Độ ẩm thấp ​​và nhiệt độ ấm hơn dự kiến ​​làm cho việc bảo quản các thành phần của đồng hồ trở nênkhó hơn rất nhiều. Tuy nhiên, họ đã có thể cho biết đồng hồ cầm tay cao hơn 1.000 mét so với chiếc kia ởTorino. Cuối cùng, khi độ chính xác của đồng hồ xách tay tiếp tục tăng lên, thời gian có thể được sử dụng để đo được sự chênh lệch về chiều cao ngay từ khoảng 1 cm.

Mặc dù gặp nhiều khó khăn, nghiên cứu này được đánh giá là sẽ hữu ích cho việc xây dựng hệ thống định vị được cải tiến và giúp đỡ các dự án kỹ thuật. Lisdat cũng nói rằng anh ta sẽ tiếp tục hoạt động với nghiên cứu này và tạo ra những cải tiến mới trong tương lai.