Cách du hành thời gian nguyên tử có thể hé lộ những bí ẩn về vật chất tối và hơn thế nữa

Các nhà vật lý từ Đại học Colorado đã tạo ra một đồng hồ nguyên tử cực kỳ chính xác, có thể đo sự biến dạng thời gian do trọng lực trên khoảng cách chỉ một milimét.

Đo lường vượt kỷ lục này có thể ảnh hưởng đến việc định nghĩa chính xác thời gian một giây là bao lâu hoặc khám phá xem vật chất tối trong vũ trụ của chúng ta đang ẩn chứa ở đâu.

Trước hết: Einstein đã tìm ra rằng thời gian hoạt động khác nhau tùy cách gần 'hố trọng lực' mà người quan sát đang ở. Ví dụ, nếu bạn đang đứng trên Trái Đất đeo một chiếc đồng hồ, nó sẽ chạy chậm hơn một chút so với việc bạn ở ngoài không gian.

Hiện tượng này được gọi là biến dạng thời gian do trọng lực. Chúng ta đã quan sát được nó trong hệ Mặt Trời của chúng ta đối với mặt trời và gần đây hơn trong không gian sâu trong một hệ thống sao đôi.

Trên Trái Đất, kỷ lục trước đó về sự biến dạng thời gian do trọng lực nhỏ nhất từng được đo là khoảng 33 centimet.

Đội ngũ tại Colorado đã quan sát được sự biến dạng thời gian qua một chiếc đồng hồ nguyên tử chỉ cao một milimét, vượt xa kỷ lục cũ.

Nền tảng: Cách mà nhóm nghiên cứu đã thực hiện một kỳ tích đáng kinh ngạc. Theo cách đơn giản, họ sắp xếp 100.000 nguyên tử theo một loại kết cấu giúp chúng có thể chạy dọc một khoảng cách toàn bộ một milimét. Điều không dễ dàng ở tỷ lệ nguyên tử.

Sau đó, nhóm đã chiếu tia sáng có tần số cụ thể lên các nguyên tử để gây ra phản ứng. Ở các “độ cao” khác nhau so với Trái Đất, các nguyên tử phản ứng chậm hoặc nhanh hơn. Điều này đã chứng minh sự biến dạng thời gian ở tỷ lệ nhỏ nhất mà chúng ta đã từng thấy.

Tại sao điều này quan trọng: Khả năng đo lường thời gian một cách chính xác là điểm cốt lõi của khả năng khám phá vũ trụ của loài người.

Chúng ta không có tàu vũ trụ có thể di chuyển với tốc độ ánh sáng để khám phá những điểm xa nhất của vũ trụ. Chúng ta chỉ có kính viễn vọng và cảm biến.

Hiểu vũ trụ đòi hỏi quan sát những gì đang diễn ra trên các khoảng cách vô cùng lớn về không gian và thời gian. Cuối cùng, chúng ta không thực sự nhìn thấy những vì sao lấp lánh trong thời gian thực: chúng ta đang quan sát những tia sáng có thể đã du hành hàng triệu năm.

Theo bài báo trước in của nhóm nghiên cứu, việc xây dựng một chiếc đồng hồ nguyên tử tốt hơn có ý nghĩa rất lớn:

Cuối cùng, đồng hồ sẽ nghiên cứu sự kết hợp giữa thuyết tương đối tổng quát và cơ học lượng tử khi chúng trở nên nhạy cảm đến hàm sóng hữu hạn của các vật thể lượng tử dao động trong không gian cong.

Quan điểm nhanh: Đo lường tốt dẫn đến kết quả tốt hơn. Và trong trường hợp này, chúng ta đang tiến rất gần tới một trong những sự kiện quan trọng nhất trong lịch sử của loài người: sự thống nhất giữa vật lý cổ điển và cơ học lượng tử.

Có thể cho rằng việc thu hẹp đo lường thời gian từ những khoảng cách lớn như một milimét xuống đến tỷ lệ nguyên tử, siêu nguyên tử và lượng tử có thể là chiếc chốt kết nối mà liên kết một ‘lý thuyết vạn vật‘ duy nhất.

Điều này sẽ vô cùng quan trọng, nhưng cũng là một sự cạnh tranh dựa trên nghiên cứu hiện tại. May mắn thay, có những mục tiêu gần hơn cho công nghệ đồng hồ nguyên tử có thể cách mạng hóa cách hiểu về vũ trụ của chúng ta, đặc biệt là: vật chất tối.

Nhiều trong những lý thuyết của Einstein và những điều được các nhà vật lý lý thuyết hiện đại khám phá đều dựa vào sự tồn tại của sự vật chất gọi là “vật chất tối”. Chất liệu bí ẩn này được cho là chiếm hơn 85% của toàn bộ vũ trụ, nhưng chúng ta dường như không thể tìm thấy nó ở bất cứ đâu.

Và điều đó là vì hiện tại nó không thể phát hiện được. Khi chúng ta tìm kiếm vật chất tối, chúng ta không cố gắng chỉ đưa telescop vào nó. Chúng ta đang tiến hành các phép đo về mọi thứ ngoại trừ vật chất tối với hi vọng vẽ ra hình bóng của nó thông qua toán học như một phương pháp để phát hiện ra nó.

Càng chính xác chúng ta xác định được cách diễn biến của các sự kiện ở những khoảng cách cực lớn theo thời gian, càng có khả năng chúng ta sẽ có thể xác định chính xác những gì chúng ta đang nhìn thấy - hoặc không nhìn thấy, nếu có chuyện đó.

Như với bất kỳ nghiên cứu trước in nào, đây đều là đợi chờ sự xem xét của người đồng nghiệp trước khi chúng ta bắt đầu kêu gào eureka từ mái nhà. Nhưng, nếu tất cả những điều này hợp lý, nghiên cứu này có thể là một trong những điều hào hứng nhất mà chúng ta đã thấy trong thế giới vật lý trong cả năm nay.

H/t: Emily Conover, ScienceNews