Câu chuyện khoa học về chiếc đồng hồ.

[nguyentrantrungkien]

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.

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.