Đồng hồ nguyên tử lần đầu tiên phát hiện sự chồng chất lượng tử của thời gian

Một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế đã phát triển một khung lý thuyết cho phép đồng hồ nguyên tử ion bị bẫy đo sự chồng chất lượng tử của thời gian, một hiện tượng trong đó các dòng thời gian khác nhau cùng tồn tại đồng thời trên quy mô lượng tử. Mô hình này được tạo ra bởi các nhà khoa học tại Đại học Kyushu, Viện Công nghệ Stevens, Đại học Waterloo, Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia, Đại học bang Colorado và Đại học Stockholm. Khám phá này mở đường cho việc xác minh bằng thực nghiệm một trong những bí ẩn lớn nhất của vật lý hiện đại: sự tương tác giữa thuyết tương đối và cơ học lượng tử.

Cho đến nay, chưa có thí nghiệm nào xác nhận sự tồn tại của “sự tương tác thời gian” giữa hai trụ cột của vật lý đương đại. Các nhà nghiên cứu cho biết bước tiếp theo liên quan đến việc chứng minh khái niệm này trong môi trường phòng thí nghiệm, có khả năng cách mạng hóa sự hiểu biết của chúng ta về thời gian và lực hấp dẫn.

Độ chính xác mang tính cách mạng trong các ion bị bẫy

Đồng hồ nguyên tử thông thường hoạt động bằng cách theo dõi tần số của một số nguyên tử nhất định, đạt được độ chính xác chưa từng có trong các phép đo thời gian. Cấu hình tiên tiến nhất của các ion bị bẫy thể hiện độ nhạy cực cao đến mức chúng có thể phát hiện sự giãn nở thời gian được Albert Einstein dự đoán ở những chênh lệch độ cao vài milimét.

Nhóm nghiên cứu đã đề xuất một kỹ thuật mới để điều khiển chuyển động của những chiếc đồng hồ này, cho thấy sự cải thiện về độ nhạy đối với hiệu ứng lượng tử từ 100 đến 1000 lần so với các phương pháp trước đó. Joshua Foo, phó giáo sư tại Viện nghiên cứu nâng cao của Đại học Kyushu và là một trong những tác giả chính của nghiên cứu, đã giải thích cơ chế cơ bản:

• Chuyển động của đồng hồ nguyên tử trở nên gắn bó với năng lượng bên trong của nó
• Sự vướng víu khiến đồng hồ mất đi các đặc tính lượng tử có thể phát hiện được
• Kỹ thuật hiện đại có thể ghi lại những thay đổi này với độ nhạy mới
• Khung này cho phép bạn định lượng các luồng thời gian đồng thời khác nhau

Thời gian lượng tử và thời gian vĩ mô

Trong thế giới có thể quan sát được, thời gian trôi theo một hướng nhất định. Einstein đã chứng minh rằng lực hấp dẫn và tốc độ làm thay đổi tốc độ dòng thời gian, nhưng thuyết tương đối của ông cho rằng ở quy mô vĩ mô, “mũi tên thời gian” này không đổi. Tuy nhiên, trong vũ trụ lượng tử, thực tế lại hoàn toàn khác. Thời gian có thể tồn tại ở trạng thái chồng chất, một trạng thái trong đó nhiều dòng thời gian cùng tồn tại trong cùng một thời điểm. Tính chất này vẫn còn mang tính lý thuyết, không có bằng chứng thực nghiệm cho đến khi phát triển cấu trúc này.

Foo nhận xét về nguồn gốc của nghiên cứu: “Chúng tôi phát hiện ra rằng chuyển động của đồng hồ nguyên tử trở nên vướng víu với năng lượng bên trong của nó. Dấu hiệu của sự vướng víu này là bản thân đồng hồ mất đi một số tính chất lượng tử, những đặc tính này có thể được phát hiện bằng các kỹ thuật hiện đại.” Hiểu được động lực này đã mở ra những khả năng chưa từng có trong việc đo lường các hiện tượng trước đây được coi là không thể tiếp cận được.

Con đường khám phá lực hấp dẫn lượng tử

Nếu các thử nghiệm thực nghiệm xác nhận tính khả thi của mô hình lý thuyết, đồng hồ nguyên tử có thể trở thành công cụ nghiên cứu các hiện tượng lượng tử mà trước đây khó đo lường chính xác. Điều này bao gồm các câu hỏi cơ bản như bản chất lượng tử của thời gian và có khả năng là lực hấp dẫn trong chế độ lượng tử.

Foo cho biết nhóm của ông đang phát triển một thí nghiệm chi tiết để “đưa mô hình lý thuyết thành hiện thực”. Nếu thành công, những nỗ lực này sẽ mang lại những góc nhìn mới mẻ không xuất hiện trong phiên bản lý thuyết thuần túy. Nhà nghiên cứu cũng bày tỏ sự quan tâm đến việc sử dụng đồng hồ nguyên tử dựa trên mô hình mới để thăm dò lực hấp dẫn lượng tử, được mô tả là “câu hỏi cơ bản khác trong vật lý”.

Khung này thiết lập đồng hồ nguyên tử làm công cụ khả thi để khám phá các hiện tượng đa dạng trong thế giới lượng tử. Hơn nữa, nó mở ra một biên giới thực nghiệm mới trong vật lý cơ bản và đưa ra một con đường khả thi cho các đồng hồ nguyên tử thế hệ tiếp theo có độ chính xác cao hơn đáng kể. Các ứng dụng thực tế bao gồm hệ thống định vị vệ tinh và GPS được tăng cường độ chính xác, có khả năng tiết lộ những khía cạnh ẩn giấu của vũ trụ lượng tử.

Ý nghĩa đối với vật lý cơ bản

Nghiên cứu này thể hiện sự hội tụ của các lĩnh vực mà trước đây vẫn tách biệt. Thuyết tương đối và cơ học lượng tử, hai nền tảng lý thuyết thành công nhất trong vật lý, chưa bao giờ có thể dung hòa hoàn toàn trên quy mô thực nghiệm. Cách tiếp cận mới này đưa ra một con đường khả thi hướng tới sự thống nhất này, ít nhất là trong bối cảnh cụ thể của phép đo thời gian.

Các nhà nghiên cứu lưu ý rằng khả năng đo sự chồng chất lượng tử của thời gian mở ra “một biên giới thực nghiệm mới trong vật lý cơ bản”. Thành công trong nỗ lực này có thể cung cấp dữ liệu quan trọng về bản chất của lực hấp dẫn, một hiện tượng vẫn còn bí ẩn trong chế độ lượng tử. Các trường đại học và viện nghiên cứu ở năm quốc gia hợp tác trong nỗ lực này, phản ánh tầm quan trọng của công việc này đối với cộng đồng khoa học toàn cầu.