Có thể bạn biết rõ chưa :
Mức độ chính xác của đồng hồ nguyên tử ?
G S Tôn Thất Trình
Trong suốt lịch sử, nhân loại đã chia chuyễn động Trái Đất quanh Mặt Trời thành những đơn vị mỗi ngày mỗi nhỏ, mỗi tế vi hơn ; đeo đuổi một cách kiềm giữ thì ( thời ) giờ cho chính xác hơn. Năm 1967 , nhân loại chính thức chấp nhận một phương thức mới : đếm dao động nguyên tử.
Nói một cách đặc thù, điều này có nghĩa là đo lường tần số các photon hấp thu hay phát đi của những electron - điện tử âm khi các electron tăng thêm hay mất đi năng lượng. Những photon này dao động đáng tin cậy khi Trái Đất theo quỉ đạo xoay quanh Mặt Trời, nhưng ở những tần số hơn một lần một năm. Tiêu chuẩn quốc tế hiện thời để định nghĩa một giây đồng hồ - a second căn cứ trên đo lường của chừng 20 đồng hồ nguyên tử - atomic clocks định cỡ bằng nguyên tử cesium, dao động một giây hơn 9 tỉ lần đôi chút. Tưởng là đã đủ chính xác rồi, thế nhưng các nhà vật lý học ở JILA và Viện Quốc Gia Tiêu Chuẩn và Kỷ Thuật - National Institute of Standards and Technology , cả hai đều ở thành phố Boulder, bang Colorado- Hoa Kỳ, lại muốn làm tốt hơn nữa. Một ý kiến là thay các nguyên tử cesium bằng các nguyên tử strontium, dao động- oscillate 430 ngàn tỉ lần một giây. Sau đây là tóm tắt cách nào các nhà vật lý học làm lạnh và bẩy bắt các nguyên tử strontium và cách nào họ đếm các “tíc- tick “ những electron của nguyên tử này.
Nói một cách đặc thù, điều này có nghĩa là đo lường tần số các photon hấp thu hay phát đi của những electron - điện tử âm khi các electron tăng thêm hay mất đi năng lượng. Những photon này dao động đáng tin cậy khi Trái Đất theo quỉ đạo xoay quanh Mặt Trời, nhưng ở những tần số hơn một lần một năm. Tiêu chuẩn quốc tế hiện thời để định nghĩa một giây đồng hồ - a second căn cứ trên đo lường của chừng 20 đồng hồ nguyên tử - atomic clocks định cỡ bằng nguyên tử cesium, dao động một giây hơn 9 tỉ lần đôi chút. Tưởng là đã đủ chính xác rồi, thế nhưng các nhà vật lý học ở JILA và Viện Quốc Gia Tiêu Chuẩn và Kỷ Thuật - National Institute of Standards and Technology , cả hai đều ở thành phố Boulder, bang Colorado- Hoa Kỳ, lại muốn làm tốt hơn nữa. Một ý kiến là thay các nguyên tử cesium bằng các nguyên tử strontium, dao động- oscillate 430 ngàn tỉ lần một giây. Sau đây là tóm tắt cách nào các nhà vật lý học làm lạnh và bẩy bắt các nguyên tử strontium và cách nào họ đếm các “tíc- tick “ những electron của nguyên tử này.
Cái gì làm nguyên tử tíc.
1- Lạnh . Các nhà vật lý học đưa các nguyên tử strontium vào một phòng chân không - vacuum chamber và “bắn - fire “ hai laser khác nhau đến chúng tiếp nối nhau . Các laser sẽ thu gọp các nguyên tử thành một nhóm, chăn dẫn chúng như thể một chó chăn cừu - sheepdog. Điều này ngăn hảm nguyên tử chuyễn động và làm lạnh chúng cho đến vài phần triệu của một độ trên zero- số không tuyệt đối.
2 - Giam hãm . Sau khi làm lạnh các nguyên tử , các nhà vật lý học phải ngăn ngừa chúng chạy xô đến nhau . Vì như vậy có thể thay đổi tần số dao động các nguyên tử, làm giới hạn mức độ chính xác của đồng hồ. Muốn được như vậy, các nhà khoa học tổ chức khoảng 2000 nguyên tử thành nhóm chỉ chứa 30 nguyên tử trong một hàng rào mắt cáo - lattice ánh sáng, từ một laser thứ ba.
 |
| Atomic clock |
3- Kích động . Các nhà khoa học bắn laser đồng hồ để kích thích những electron của những nguyên tử strontium. Tần số laser đồng hồ càng gần tần số dao động strontium bao nhiêu thì lại càng kích thích nhiều nguyên tử bấy nhiêu. Khi hầu như mọi nguyên tử strontium đã được kích thích thì laser đồng hồ cho biết là đã bắn đúng tần số và là lúc sẳn sàng để đo lường.
4- Đo lường. Các nhà khoa học qui định tần số laser bằng cách sử dụng một linh kiện gọi là lược tần số quang học - optical frequency comb , phối hợp một quang phổ những tần số đã biết với laser đồng hồ, tạo ra một tín hiệu - signal thứ ba rất dễ đo lường. Tần số của laser đồng hồ trong điều kiện hoạt động tối hảo là khoảng 430 ngàn tỉ chu kỳ một giây, có nghĩa là đồng hồ strontium tíc 430 ngàn tỉ lần một giây .
Thời gian trôi chảy
Đồng hồ cesium
Đồng hồ cesium dùng các vi ba - microwaves để kích thích các nguyên tử cesium . Mức độ chính xác là thu thêm hay mất mát đi, cứ mỗi 100 triệu năm một giây đồng hồ. Và dao động 9 tỉ lần một giây. Tổng số nguyên tử là 10 triệu.
 |
| Cesium clock |
Dùng laser để kích thích các nguyên tử strontium. Mức độ chính xác là thu thêm hay mất mát đi cứ mỗi 300 triệu năm , một giây đồng hồ. Dao động 430 ngàn tỉ mỗi giây. Tổng số nguyên tử là 2 000 .
Đồng hồ hạt (lượng tử )- quantum lôgic
Dùng laser để kích thích một nguyên tử aluminium, rồi sau đó một nguyên tử beryllium báo cáo kích thích này. Mức độ chính xác là thu thêm hay mất mát đi cứ mỗi 3.7 tỉ năm một giây đồng hồ. Dao động là một triệu tỉ - quadrillion mỗi giây. Tổng số nguyên tử là 2.
Đồng hồ ion thủy ngân
Cũng dùng laser để kích thích một ion thủy ngân duy nhất . Mức độ chính xác là thu thêm hay mất mát đi cứ mỗi một tỉ năm một giây đồng hồ . Dao động 40.5 tỉ lần một giây . Tổng số nguyên tử là 1.
Chính xác như vậy để làm gì ?
Điện thoại tế bào.
Hầu chuyễn tiếp chính xác dữ liệu, các mạng lưới điện thoại di động phải đồng bộ với một biến thiên không quá một phần triệu giây đồng hồ một ngày. Đó là lý do tại sao đa số các trạm tế bào đều được trang bị với các đồng hồ nguyên tử của riêng mình . Không có thời giờ hoàn hảo , những cuộc nói chuyện sẽ bị cắt xén- xuyên tạc .
 |
| GPS system |
GPS dựa vào một mạng lưới của 24 vệ tinh ; mỗi vệ tinh mang theo nhiều đồng hồ nguyên tử . Các đồng hồ nguyên tử giúp cho các vệ tinh gửi đi những tín hiệu đóng tem đúng thời giờ - time stamps đến các nơi nhận GPS ; rồi tính toán xem bao lâu để tín hiệu đến được chúng . Tem thì giờ - timestamps càng chính xác bao nhiêu thì các linh kiện GPS của bạn cũng sẽ chấm điểm chính xác bấy nhiêu vị trí nó trên Trái Đất.
( chiếu theo tuần báo Khoa Học Phổ thông - Popular Science số tháng 11 năm 2010 )
(
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét