Các nhà khoa học tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia ( National Institute of Standards and Technology ) đã tạo ra chiếc đồng hồ nguyên tử chính xác nhất thế giới, đạt được độ chính xác đến chữ số thập phân thứ 19. Nhưng điều thu hút sự chú ý của cộng đồng công nghệ không chỉ là độ chính xác phá kỷ lục—mà là khả năng của chiếc đồng hồ trong việc phát hiện những thay đổi cực nhỏ trong trường hấp dẫn, mở ra những khả năng mới đầy thú vị.
Thông số kỹ thuật của đồng hồ:
- Độ chính xác: 19 chữ số thập phân (độ không đảm bảo hệ thống 5.5×10^-19)
- Cải tiến: Chính xác hơn 41% so với kỷ lục trước đó
- Độ ổn định: Ổn định gấp 2.6 lần so với các đồng hồ ion khác
- Thời gian đo: Giảm từ 3 tuần xuống còn 1.5 ngày để đạt độ chính xác tối đa
Đo Lường Trọng Lực Thông Qua Thời Gian
Đồng hồ ion nhôm mới này nhạy cảm đến mức có thể phát hiện những hiệu ứng giãn nở thời gian nhỏ bé do việc di chuyển chỉ vài centimet lên cao hoặc xuống thấp. Điều này hoạt động bởi vì thời gian trôi nhanh hơn một chút ở độ cao lớn hơn do trường hấp dẫn yếu hơn—một dự đoán của thuyết tương đối rộng của Einstein mà chiếc đồng hồ này giờ đây có thể đo lường với độ chính xác chưa từng có.
Các cuộc thảo luận trong cộng đồng tiết lộ những ý nghĩa thực tế của độ nhạy cảm này. Về mặt lý thuyết, chiếc đồng hồ có thể phát hiện một người đi bộ gần đó thông qua ảnh hưởng hấp dẫn của họ, mặc dù các hiệu ứng sẽ cực kỳ nhỏ. Một số người thậm chí đã đề xuất sử dụng mạng lưới các đồng hồ này như một loại radar hấp dẫn mới để phát hiện tàu ngầm hoặc lập bản đồ các biến đổi mật độ dưới lòng đất.
Giãn nở thời gian: Hiệu ứng mà thời gian trôi qua với tốc độ khác nhau tùy thuộc vào cường độ trường hấp dẫn hoặc chuyển động tương đối
Khả năng độ nhạy:
- Phát hiện trọng lực: Có thể đo lường sự giãn nở thời gian từ những thay đổi độ cao chỉ vài centimet
- So sánh với đồng hồ cesium: Độ phân giải dịch chuyển thẳng đứng ~1 dặm so với vài centimet
- Ứng dụng tiềm năng: Trắc địa, phát hiện vật chất tối, nghiên cứu vật lý cơ bản
- Phát hiện sóng hấp dẫn: Có thể thực hiện được với việc triển khai mạng lưới đầy đủ
Thách Thức Kỹ Thuật và Giải Pháp
Con đường đến độ chính xác phá kỷ lục này đòi hỏi phải giải quyết nhiều thách thức kỹ thuật. Nhóm nghiên cứu phải thiết kế lại bẫy ion bằng cách sử dụng các tấm kim cương dày hơn và lớp phủ vàng được cải tiến để giảm chuyển động ion không mong muốn. Họ cũng xây dựng lại buồng chân không từ titan thay vì thép, giảm khí hydro nền 150 lần và cho phép thí nghiệm chạy trong nhiều ngày thay vì chỉ 30 phút.
Có lẽ ấn tượng nhất, nhóm đã hợp tác với một phòng thí nghiệm khác của NIST cách đó 3,6 km, sử dụng cáp quang dưới đường phố để chia sẻ laser siêu ổn định. Sự hợp tác này đã giảm thời gian đo lường từ ba tuần xuống chỉ một ngày rưỡi để đạt được độ chính xác tối đa.
Bẫy ion: Một thiết bị sử dụng trường điện để giữ các hạt tích điện tại chỗ Buồng chân không: Một container kín với hầu hết không khí được loại bỏ để ngăn chặn nhiễu
Các Thành Phần Kỹ Thuật:
- Cặp ion: Ion nhôm (để đo thời gian) + Ion magiê (để điều khiển)
- Vật liệu bẫy: Tấm wafer kim cương với điện cực phủ vàng
- Buồng chân không: Cấu trúc titan (ít khí hydro hơn thép 150 lần)
- Hệ thống laser: Laser siêu ổn định được chia sẻ qua đường truyền cáp quang dài 3,6km
- Thời gian phát triển: 20 năm cải tiến liên tục
Vượt Ra Ngoài Việc Đo Thời Gian
Trong khi ứng dụng trực tiếp tập trung vào việc định nghĩa lại tiêu chuẩn khoa học để đo giây, những ý nghĩa rộng lớn hơn mở rộng xa hơn việc đo thời gian. Độ nhạy cảm cực cao của chiếc đồng hồ khiến nó trở thành một công cụ mạnh mẽ cho nghiên cứu vật lý cơ bản, bao gồm tìm kiếm vật chất tối và kiểm tra xem liệu các giá trị vật lý được cho là không đổi có thực sự thay đổi theo thời gian hay không.
Cộng đồng cũng đã lưu ý đến các ứng dụng tiềm năng trong trắc địa—khoa học đo lường hình dạng và trường hấp dẫn của Trái Đất. Những phép đo chính xác như vậy có thể cải thiện hiểu biết của chúng ta về các cấu trúc dưới lòng đất, dòng hải lưu, và thậm chí giúp phát hiện sóng hấp dẫn từ không gian.
Với nền tảng này, chúng tôi đã sẵn sàng khám phá các kiến trúc đồng hồ mới—như mở rộng số lượng ion đồng hồ và thậm chí làm chúng vướng víu lượng tử—cải thiện thêm khả năng đo lường của chúng tôi.
Thành tựu này đại diện cho 20 năm phát triển liên tục, chứng minh cách đầu tư khoa học bền vững có thể dẫn đến các công nghệ đột phá với những ứng dụng mà chúng ta chỉ mới bắt đầu tưởng tượng.
Tham khảo: NIST Ion Clock Sets New Record for Most Accurate Clock in the World