Theo nhóm nghiên cứu về thần kinh tại Trung tâm Thông tin và mạng lưới thần kinh Nhật Bản, khái niệm "thời gian" ít gắn liền với thực tế. Tuy nhiên, một nhóm nhà vật lý học ở Colorado (Mỹ) không cho là như thế. Họ đã sử dụng 3 thành phần nguyên tố khác nhau để đo độ dài của một giây và gặt hái được thành quả đáng khích lệ.

Đến nay, đồng hồ nguyên tử (hút và nhả các hạt photon ở tần số đều đặn để duy trì thời gian) là cách chính xác nhất để đo thời gian tính bằng giây, nhưng độ chính xác của chúng đã bị giảm đôi chút trong hơn thập kỷ.

Bằng cách sử dụng sợi quang và tia laser để truyền dữ liệu, nhóm nghiên cứu đã đo chính xác hơn giá trị của một giây. Họ quan sát sự khác biệt nhỏ trong cách các nguyên tử duy trì thời gian. Đây là bước tiến quan trọng trong việc tái định nghĩa thời gian.

Nguyên tố Cs đóng vai trò vận hành đồng hồ nguyên tử, nhưng Cs có thể được thay thế bằng một nguyên tố khác cho thời gian chính xác hơn. Ảnh: Nature.

Thời gian là gì?

Những nỗ lực trước đây để tìm ra sự khác biệt nhỏ giữa cách các nguyên tử duy trì thời gian, hay còn gọi là tỷ lệ giữa chúng, chỉ đạt mức chính xác là 17 digit.

Ngày nay, với mô hình mới bao gồm việc lần đầu tiên sử dụng một đường truyền trong không gian tự do (về cơ bản, các xung laser của dữ liệu được truyền qua không khí thay vì một sợi cáp), nhóm BACON (Bolder Atomic Clock Optical Network) của trường Đại học Colorado đã đo được tỷ lệ chính xác là 18 digit.

Một digit có thể không đủ thời gian để thay đổi điểm số trong một tờ giấy thi nhưng đối với các phép đo cực kỳ nhỏ trong vật lý, đây là một vấn đề lớn.

Rachel Godun là một nhà khoa học nghiên cứu cao cấp trong nhóm Time and Frequency tại Phòng thí nghiệm Vật lý Quốc gia ở Anh. Cô đã viết một bài luận cá nhân về công trình nghiên cứu này. Bài luận đã được đăng tải trên trang Nature. Theo Gudun, mức độ chính xác được chứng minh trong nghiên cứu là rất cao.

Giây là khoảng thời gian bằng 9,192,631,770 lần chu kỳ của bức xạ điện từ phát ra bởi nguyên tử Cs khi thay đổi trạng thái giữa hai mức năng lượng đáy siêu tinh vi.

Văn phòng Cân đo Quốc tế

“Các phép đo tần số - tỷ lệ như vậy không phải là một thành công lớn, đồng thời nó tương đương với việc xác định khoảng cách từ Trái Đất đến mặt trăng trong phạm vi vài nm”, Godun viết trong bài luận.

Nhóm nghiên cứu báo cáo rằng việc tiếp tục cải tiến các phép đo đồng hồ nguyên tử bằng cách sử dụng mô hình này có tiềm năng xác định lại giây. Điều này có thể giúp các nhà vật lý học kiểm tra các thuyết cơ bản của vũ trụ, bao gồm thuyết tương đối và vật chất tối, bằng cách đo nhiễu động nguyên tử chính xác hơn.

Một giây được định nghĩa như thế nào?

Chiếc đồng hồ nguyên tử đầu tiên bắt đầu hoạt động vào năm 1949. Chiếc đồng hồ vận hành bằng một phân tử amoniac . Tuy nhiên, vài năm sau, đồng vị xêsi (Cs) nhanh chóng trở thành tiêu chuẩn duy nhất.

Kể từ đó, các nhà khoa học đã dựa vào những chiếc đồng hồ này để duy trì thời gian chính xác. Chúng vẫn có thể hoạt động chuẩn xác ngay khi Trái Đất xảy ra thiên tai như động đất. Phép đo này không chỉ dùng để xác định thời gian, mà còn hướng dẫn các vệ tinh chuyển động theo quỹ đạo thông qua GPS. Ví dụ: Một chiếc đồng hồ được gọi là “Master Clock” đặt ở Cơ quan Quan sát Hải quân Hoa Kỳ (USNO) ở thủ đô D.C Washington.

Trong lịch sử, những chiếc đồng hồ nguyên tử dùng Cs để đo thời gian bằng cách đếm các bước nhảy của các nguyên tử tạo ra các trạng thái năng lượng khác nhau khi tiếp xúc với một số tần số sóng vô tuyến nhất định.

Từ năm 1967, định nghĩa chính thức từ Văn phòng Cân đo Quốc tế về một giây là “khoảng thời gian bằng 9.192.631.770 lần chu kỳ của bức xạ điện từ phát ra bởi nguyên tử Cs khi thay đổi trạng thái giữa hai mức năng lượng đáy siêu tinh vi”. Nói cách khác, có hơn 9 tỷ bước nhảy của nguyên từ Cs trong một giây.

Viện Khoa học và Công nghệ Tiêu chuẩn Quốc gia Mỹ, nơi đặt hai chiếc đồng hồ ion nhôm và ytecbi. Ảnh: NIST.

Dù phương pháp này được sử dụng trong hàng thập kỷ, nó vẫn chưa đạt mức hoàn hảo. Tần số dao động của các đồng hồ Cs nằm trong vùng vi sóng của phổ điện từ (dải cầu vồng kéo dài từ tần số thấp dùng cho liên lạc vô tuyến tới bức xạ gamma tần số cao và mô tả toàn bộ tần số của ánh sáng tới).

Các thiết kế mới dành cho đồng hồ nguyên tử tập trung vào các nguyên tố có tần số nằm trong quang phổ. Các tần số này sẽ nhanh hơn gấp 100.000 lần so với dải vi sóng phát ra từ đồng hồ Cs và chạy chính xác hơn 100 lần.

Tuy nhiên, trước khi các nhà khoa học nghĩ đến việc thay thế Cs trong đồng hồ nguyên tử, họ phải chứng minh rằng các nguyên tố khác sẽ hoạt động tốt hơn.

Để đo thời gian chính xác hơn, các nhà nghiên cứu đã sử dụng ba chiếc đồng hồ sử dụng các nguyên tố khác nhau: ion nhôm (ion Al+), ytecbi (Yb) và stronti (Sr).

Nhóm nghiên cứu đã lắp đặt đồng hồ ion Al+ và Yb ở phòng thí nghiệm của Viện Khoa học và Công nghệ Tiêu chuẩn Quốc gia Mỹ ở Boulder, trong khi đó đồng hồ Sr nằm cách đó khoảng 1,6 km, tại phòng thí nghiệm JILA của trường Đại học Colorado.

Ý tưởng là xem xét khả năng truyền dữ liệu đo lường trong khoảng cách 1,6 km ảnh hưởng thế nào đến độ chính xác của nó. Dữ liệu được truyền qua cả sợi quang dài khoảng 3,5 km và một đường truyền liên kết không gian tự do dài khoảng 1,5 km thông qua các xung laser.

Trong nhiều tháng, nhóm nghiên cứu đã gửi dữ liệu nguyên tử qua lại giữa hai địa điểm để xác định các phép đo của họ có thể được sử dụng lại và chính xác như thế nào. Mục đích của thí nghiệm không phải chọn ra yếu tố tốt nhất để tạo ra một chiếc đồng hồ nguyên tử mới, thay vào đó là hoàn thiện cách so sánh mức độ duy trì thời gian chính xác nhất của các nguyên tố này. Khi các tiêu chuẩn mới được hình thành, họ có thể tìm ra nguyên tố thay thế cho Cs.

Từ những thí nghiệm, cho đến nay, nhóm nghiên cứu có thể tạo ra phép đo chính xác nhất về tỷ lệ chính xác giữa các đồng hồ, đồng thời xác định mức độ không chắc chắn của đường truyền liên kết không gian tự do tương tự như sợi quang có chiều dài và kích thước tốn kém hơn.

“Các tác giả đã chứng minh rằng những đồng hồ được kết nối bằng các đường truyền không gian tự do vẫn có độ chính xác cao mà không cần đến cấu trúc sợi quang. Đây là một phát hiện thú vị vì chúng ta có thể ứng dụng vào các lĩnh vực khác như đo đạc đất”, Godun chia sẻ.

Dù nghiên cứu mới này vẫn chưa làm thay đổi định nghĩa lâu đời về giây, họ đã tạo một bước tiến quan trọng trong việc tạo ra một kỷ nguyên mới duy trì thời gian bằng nguyên tử.

Nhóm các nhà khoa học sẽ tiếp tục tinh chỉnh và thử nghiệm các mô hình để một ngày nào đó, ý nghĩa của một giây có thể được thay đổi. Hành trình này giúp cải thiện cả thời gian hiện hành quốc tế và tăng cường độ chính xác của mọi thứ, từ ôtô tự lái đến chiếc đồng hồ FitBit cũng như GPS.