Nguyên tố đất hiếm có thể giúp định nghĩa lại thời gian

Cái gì là “1 giây”? Nó có chắc chắn chính xác như chúng ta nghĩ không?

Trong 1 giây ngắn ngủi, chúng ta có thể làm rất nhiều điều: nhận ra người quen, búng ngón tay, cảm nhận tình yêu, buồn ngủ hoặc hắt hơi. Hiện giờ, những đồng hồ đo thời gian chính xác nhất thế giới có độ chậm khoảng 1 giây sau 300 triệu năm - vì vậy một đồng hồ bắt đầu hoạt động từ thời kỳ khủng long đến nay sẽ không có sai số nào cả. Nhưng các nhà khoa học tin rằng chúng ta có thể làm tốt hơn thế.

Hy vọng mới đang được đặt vào Lutetium, nguyên tố đất hiếm bị bỏ quên lâu nay, nằm ở góc dưới cùng của bảng tuần hoàn hóa học. Nghiên cứu mới đã được công bố ngày 25 tháng 4 trên tạp chí Nature Communications .

Vì sao một giây không phải là một giây?

Trước kia, một giây được định nghĩa là một phần rất nhỏ (1/86400) của ngày mặt trời bình thường, khi trái đất quay đủ một vòng (24 giờ) quanh trục của nó. Nhưng do nhiều lý do, vòng quay này có thể thay đổi (ví dụ do động đất và sóng thần ở Ấn Độ Dương năm 2004 , trái đất đã quay nhanh hơn khoảng 3 micro giây), vì thế các nhà khoa học đã quyết định ngừng dùng mặt trời để hiệu chỉnh đồng hồ và thu nhỏ mọi thứ xuống - tới cấp nguyên tử, thứ không thể quan sát bằng mắt thường.

Năm 1967, Ủy ban quốc tế về khối lượng và đo lường (CIPM) xác định “1 giây” là thời gian cần thiết cho một nguyên tử Cesium (Cs) hấp thụ đủ năng lượng để được kích thích - tức là các electron của nó chuyển từ trạng thái năng lượng hiện có sang trạng thái năng lượng tiếp theo . Hay nói cách khác khi nguyên tử Cesium chuyển đổi giữa 2 trạng thái năng lượng đủ 9,192,631,770 lần, thì đó được tính là 1 giây. Việc đo đếm này mất tới ba năm để hoàn thành, theo tạp chí khoa học American Scientific .

Các nhà nghiên cứu bên cạnh đồng hồ nguyên tử Cesium mã NIST-7. Được đặt tại Gaithersburg, bang Maryland, chiếc đồng hồ này chịu trách nhiệm đo đếm thời gian ở Mỹ từ năm 1993 đến năm 1999, nhưng sau này đã được thay thế bằng loại đồng hồ Cesium khác chính xác hơn. Ảnh: Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mỹ.

Ngày nay, hàng trăm đồng hồ nguyên tử Cesium chịu trách nhiệm gìn giữ thời gian toàn cầu và kiểm soát hệ thống định vị GPS . Nhưng trong khoảng một thập kỷ qua, thế hệ đồng hồ nguyên tử khác đã nổi lên. Được gọi là "đồng hồ quang học", chúng đạt độ chính xác hơn 100 lần so với loại cũ. Hoạt động theo nguyên lý giống hệt đồng hồ Cesium nhưng chúng sử dụng các nguyên tử nhôm hoặc Ytterbi bị kích thích bởi tần số cao hơn của ánh sáng nhìn thấy được (do đó có tên "quang") chứ không phải chu kỳ vi sóng chậm hơn.

So với 9,192,631,770 - 9,1 tỷ lần chu kỳ dao động của ion Cesium, chu kỳ dao động của các ion Ytterbi là 1.6 x 1,000,000,000,000,000,000 - 1,6 tỷ tỷ lần, con số công bố năm 2013. Sự vượt trội này bổ sung thêm nhiều dữ liệu hơn vào định nghĩa về "giây", giúp phép đo được chính xác hơn. “Hãy hình dung 2 loại đồng hồ như một cặp thước kẻ”, Murray Barrett, giáo sư vật lý tại Đại học Quốc gia Singapore và là chủ trì nghiên cứu mới cho biết. “Nếu cái thước cũ (Cesium) đo theo centimet, thước “quang học” mới chính xác hơn có thể đo đến từng milimet”, ông nói.

Đồng hồ NIST-F1 đảm nhiệm việc đo lường thời gian thực ở Mỹ hiện nay, là một trong những đồng hồ chính xác nhất thế giới. (Ảnh: NIST).

Trong khi các đồng hồ quang học có độ chính xác rất cao, việc để chúng hoạt động trong một thời gian dài và và liên tục có thể nảy sinh vấn đề, theo giáo sư Barrett. Nhiệt độ môi trường quanh đồng hồ tăng cao sẽ ảnh hưởng đến trường điện từ tác động lên nguyên tử, và có thể làm sai lệch thời gian đo lường được. Vì vậy, ông phát biểu với trang Live Science rằng đồng hồ Cesium vẫn còn "đáng tin cậy hơn nhiều trong việc đo đếm so với đồng hồ quang học mới".

Tăng tính “trơ” cho đồng hồ nguyên tử

Trong công bố mới của mình, giáo sư Barrett và nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng một ion Lutetium ít nhạy cảm với nhiệt độ môi trường hơn bất kỳ nguyên tố nào khác dùng trong đồng hồ quang học trước kia.

Các nguyên tử Lutetium cũng giúp bù đắp cho một vấn đề khác ảnh hưởng đến việc đo lường thời gian, theo nhóm nghiên cứu. Bởi vì các nguyên tử được sử dụng trong các đồng hồ này được “sạc pin”, chúng dao động qua lại để phản ứng với trường điện từ do sóng tạo ra (ánh sáng nhìn thấy, vi sóng, v.v.) - và điều này có thể làm lệch thời gian đo.

Lâu nay các nhà khoa học vẫn phải tính toán bù trừ cho sự thay đổi này, nhưng nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng một loại ion Lutetium có tính chất loại bỏ những “vi chuyển động” đó. Tuy nhiên loại ion Lutetium nói trên lại trở nên nhạy cảm với nhiệt độ môi trường, vì thế phát hiện mới vẫn chưa thể “thay đổi luật chơi” được, theo Jérôme Lodewyck - chuyên gia vật lí ở Đài thiên văn Paris.

Vượt ra ngoài phạm trù thời gian

Theo giáo sư Barrett, các đồng hồ quang học với độ chính xác cao có những ứng dụng mà "không thể thực hiện được với công nghệ hiện nay của chúng ta".

Ví dụ độ nhạy của đồng hồ thay đổi theo vị trí của nó trên thế giới, do thời gian bị bóp méo bởi trọng lực theo Thuyết tương đối rộng của Albert Einstein. Hiện nay, các đồng hồ nguyên tử không thể nào phát hiện được sự cong vênh thời gian xảy ra do lực hấp dẫn. Nhưng nếu các nhà nghiên cứu có thể đặt nhiều đồng hồ quang học trên khắp thế giới, mạng lưới đó sẽ giúp vạch ra trường hấp dẫn của hành tinh chúng ta.

Hơn nữa, các đồng hồ quang học chính xác cao có thể phát hiện các vật chất và năng lượng mà chúng ta không nhìn thấy, theo Lodewyck. Cụ thể là vật chất tối, thứ tạo ra lực hấp dẫn nhưng không tương tác với ánh sáng thông thường và năng lượng tối, sức mạnh bí ẩn dường như đang đẩy nhanh sự giãn nở của vũ trụ , ông nói. Cách làm như sau: Nếu biết tần số dao động đủ để kích thích một số lượng xác định nguyên tử trong khung thời gian của 1 giây, bạn có thể sử dụng nhiều đồng hồ khắp thế giới để phát hiện ra sự bất thường. Một số giả thuyết cho rằng vật chất tối ở đâu đó xung quanh chúng ta, vì vậy “nếu bạn vượt qua một vùng vật chất tối, nó sẽ làm nhiễu đồng hồ”, Lodewyck cho biết.

Thậm chí có những ứng dụng mà chúng ta chưa thể nghĩ ra ngay, Barrett nói. "Khi phát triển đồng hồ để điều hướng tàu biển, chúng tôi không bao giờ hình dung ra được ý tưởng dùng nó xác định bản thân mình đang di chuyển ở đâu trong một thành phố lớn".