Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Đồng hồ nguyên tử được thiết kế mới sử dụng các nguyên tử vướng víu để giữ thời gian chính xác hơn các đồng hồ hiện đại của nó. Thiết kế có thể giúp các nhà khoa học phát hiện vật chất tối và nghiên cứu tác động của trọng lực theo thời gian.
Đồng hồ nguyên tử là loại máy đo thời gian chính xác nhất trên thế giới. Những dụng cụ tinh tế này sử dụng tia laze để đo dao động của các nguyên tử, dao động ở tần số không đổi, giống như nhiều con lắc siêu nhỏ đung đưa đồng bộ. Những chiếc đồng hồ nguyên tử tốt nhất trên thế giới giữ thời gian với độ chính xác đến mức, nếu chúng chạy từ thời kỳ sơ khai của vũ trụ, thì ngày nay chúng sẽ chỉ chệch đi khoảng nửa giây.
Tuy nhiên, chúng có thể chính xác hơn nữa. Nếu đồng hồ nguyên tử có thể đo chính xác hơn các dao động của nguyên tử, chúng sẽ đủ nhạy để phát hiện các hiện tượng như vật chất tối và sóng hấp dẫn. Với những chiếc đồng hồ nguyên tử tốt hơn, các nhà khoa học cũng có thể bắt đầu trả lời một số câu hỏi làm suy yếu tâm trí, chẳng hạn như tác động của lực hấp dẫn đối với thời gian trôi qua và liệu thời gian có thay đổi khi vũ trụ già đi hay không.
Giờ đây, một loại đồng hồ nguyên tử mới do các nhà vật lý MIT thiết kế có thể cho phép các nhà khoa học khám phá những câu hỏi như vậy và có thể tiết lộ vật lý mới.
Các nhà nghiên cứu báo cáo trên tạp chí Nature rằng họ đã chế tạo một đồng hồ nguyên tử đo lường không phải một đám mây nguyên tử dao động ngẫu nhiên, như các thiết kế hiện đại đo lường hiện nay, mà thay vào đó là các nguyên tử bị vướng vào lượng tử. Các nguyên tử có mối tương quan với nhau theo một cách không thể theo quy luật vật lý cổ điển, và điều đó cho phép các nhà khoa học đo độ rung của nguyên tử một cách chính xác hơn.
Thiết lập mới có thể đạt được cùng độ chính xác nhanh hơn bốn lần so với đồng hồ mà không vướng víu.
Tác giả chính Edwin Pedrozo-Peñafiel, một postdoc tại Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Điện tử của MIT cho biết: “Đồng hồ nguyên tử quang học được tăng cường sự vướng víu sẽ có tiềm năng đạt độ chính xác tốt hơn trong một giây so với đồng hồ quang học hiện đại nhất.
Nếu những chiếc đồng hồ nguyên tử hiện đại được điều chỉnh để đo các nguyên tử vướng víu theo cách thiết lập của nhóm MIT, thì thời gian của chúng sẽ cải thiện đến mức, trong toàn bộ thời đại của vũ trụ, đồng hồ sẽ chỉ sai lệch dưới 100 mili giây.
Các đồng tác giả khác của bài báo từ MIT là Simone Colombo, Chi Shu, Albert Adiyatullin, Zeyang Li, Enrique Mendez, Boris Braverman, Akio Kawasaki, Saisuke Akamatsu, Yanhong Xiao, và Vladan Vuletic, Giáo sư Vật lý của Lester Wolfe.
Thời gian giới hạn
Kể từ khi con người bắt đầu theo dõi thời gian trôi qua, họ đã làm như vậy bằng cách sử dụng các hiện tượng tuần hoàn, chẳng hạn như chuyển động của mặt trời trên bầu trời. Ngày nay, dao động trong nguyên tử là sự kiện tuần hoàn ổn định nhất mà các nhà khoa học có thể quan sát được. Hơn nữa, một nguyên tử xêzi sẽ dao động ở cùng một tần số với một nguyên tử xêzi khác.
Để giữ thời gian hoàn hảo, lý tưởng nhất là đồng hồ sẽ theo dõi dao động của một nguyên tử. Nhưng ở quy mô đó, một nguyên tử rất nhỏ nên nó hoạt động theo các quy tắc bí ẩn của cơ học lượng tử: Khi được đo, nó hoạt động giống như một đồng xu lật ngửa mà chỉ khi lấy trung bình qua nhiều lần lật mới cho xác suất chính xác. Giới hạn này được các nhà vật lý gọi là Giới hạn lượng tử tiêu chuẩn.
Colombo nói thêm: “Khi bạn tăng số lượng nguyên tử, giá trị trung bình của tất cả các nguyên tử này sẽ hướng đến một thứ cho giá trị chính xác.”
Đây là lý do tại sao đồng hồ nguyên tử ngày nay được thiết kế để đo một chất khí bao gồm hàng nghìn nguyên tử cùng loại, để có được ước tính về dao động trung bình của chúng. Một chiếc đồng hồ nguyên tử điển hình thực hiện điều này bằng cách đầu tiên sử dụng một hệ thống laser để dẫn khí của các nguyên tử siêu lạnh vào một cái bẫy do tia laser tạo thành. Một tia laser thứ hai, rất ổn định, có tần số gần với tần số dao động của nguyên tử, được gửi đến để thăm dò dao động nguyên tử và do đó theo dõi thời gian.
Tuy nhiên, Giới hạn lượng tử tiêu chuẩn vẫn đang hoạt động, có nghĩa là vẫn còn một số bất định, ngay cả trong số hàng nghìn nguyên tử, liên quan đến tần số riêng lẻ chính xác của chúng. Đây là nơi mà Vuletic và nhóm của ông đã chỉ ra rằng rối lượng tử có thể hữu ích. Nói chung, rối lượng tử mô tả một trạng thái vật lý phi phân loại, trong đó các nguyên tử trong một nhóm hiển thị các kết quả đo tương quan, mặc dù mỗi nguyên tử riêng lẻ hoạt động giống như việc tung đồng xu một cách ngẫu nhiên.
Nhóm nghiên cứu lý luận rằng nếu các nguyên tử bị vướng vào nhau, các dao động riêng của chúng sẽ thắt chặt xung quanh một tần số chung, với độ lệch ít hơn so với khi chúng không bị vướng vào. Do đó, các dao động trung bình mà đồng hồ nguyên tử đo sẽ có độ chính xác vượt quá Giới hạn lượng tử tiêu chuẩn.
Đồng hồ bị vướng
Trong đồng hồ nguyên tử mới của họ, Vuletic và các đồng nghiệp của ông vướng vào khoảng 350 nguyên tử ytterbium, dao động ở cùng tần số rất cao với ánh sáng khả kiến, có nghĩa là bất kỳ nguyên tử nào dao động thường xuyên hơn 100.000 lần trong một giây so với xêzi. Nếu dao động của ytterbium có thể được theo dõi chính xác, các nhà khoa học có thể sử dụng các nguyên tử để phân biệt các khoảng thời gian nhỏ hơn bao giờ hết.
Nhóm đã sử dụng các kỹ thuật tiêu chuẩn để làm nguội các nguyên tử và nhốt chúng trong một khoang quang học do hai gương tạo thành. Sau đó, họ gửi một tia laser qua khoang quang học, nơi nó phát ra từ các tấm gương, tương tác với các nguyên tử hàng nghìn lần.
Shu giải thích: “Nó giống như ánh sáng đóng vai trò như một liên kết giao tiếp giữa các nguyên tử. “Nguyên tử đầu tiên nhìn thấy ánh sáng này sẽ thay đổi ánh sáng một chút, và ánh sáng đó cũng thay đổi nguyên tử thứ hai, và nguyên tử thứ ba, và qua nhiều chu kỳ, các nguyên tử biết nhau và bắt đầu hành xử tương tự.”
Bằng cách này, các nhà nghiên cứu vướng mắc các nguyên tử một cách lượng tử và sau đó sử dụng một tia laser khác, tương tự như các đồng hồ nguyên tử hiện có, để đo tần số trung bình của chúng. Khi nhóm thực hiện một thí nghiệm tương tự mà không làm vướng nguyên tử, họ phát hiện ra rằng đồng hồ nguyên tử với các nguyên tử vướng víu đạt độ chính xác mong muốn nhanh hơn bốn lần.
Vuletic nói: “Bạn luôn có thể làm cho đồng hồ chính xác hơn bằng cách đo lâu hơn. “Câu hỏi đặt ra là bạn cần bao lâu để đạt được một độ chính xác nhất định. Nhiều hiện tượng cần được đo trên thang thời gian nhanh.”
Ông nói nếu những chiếc đồng hồ nguyên tử tối tân ngày nay có thể được điều chỉnh để đo các nguyên tử vướng víu lượng tử, chúng sẽ không chỉ giữ thời gian tốt hơn mà còn có thể giúp giải mã các tín hiệu trong vũ trụ như vật chất tối và sóng hấp dẫn, và bắt đầu trả lời một số câu hỏi cũ.
Khi vũ trụ già đi, tốc độ ánh sáng có thay đổi không? Điện tích của electron có thay đổi không? Đó là những gì chúng ta có thể thăm dò với đồng hồ nguyên tử chính xác hơn.
Nguồn truyện:
Vật liệu do Viện Công nghệ Massachusetts cung cấp . Bản gốc do Jennifer Chu viết. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa về kiểu dáng và độ dài.
Đa phương tiện liên quan :
Tham khảo Tạp chí :