Một ứng dụng mới của tia laser: đo được khoảng thời gian ngắn nhất từ trước đến nay, mở ra triển vọng chế tạo loại đồng hồ ổn định hơn, chính xác hơn tất cả những dụng cụ đo thời gian hiện nay dựa trên nguyên lý tần số quang học.

Từ thí nghiệm đo thời gian...

Sử dụng ánh sáng laser xung ngắn, một nhóm nghiên cứu của Anh đã kích thích nguyên tử, buộc nó phải giải phóng electron, thành phần cơ bản mang điện tích âm của mọi nguyên tử. Nhờ có năng lượng tác động, electron quay rất nhanh quanh hạt nhân; một số thậm chí còn vĩnh viễn rời khỏi nguyên tử vì nhận được quá nhiều năng lượng. Đồng thời, các nhà khoa học sử dụng một thiết bị có tên gọi là Few-Cycle Laser để chụp ảnh electron lúc chúng rời nguyên tử và xem chúng hoạt động ra sao.

Nhóm nghiên cứu đã ghi lại được những gì xảy ra trong từng khoảng thời gian 100 attogiây. Để bạn đọc dễ hình dung về khoảng thời gian 100 attogiây, hãy thử tưởng tượng rằng nếu kéo dài khoảng thời gian đó ra thành 1 giây, thì 1 giây thực sẽ tương đương với 300 triệu năm. Tiến bộ này đã mở ra triển vọng cho việc chế tạo loại đồng hồ ổn định hơn, chính xác hơn tất cả những dụng cụ đo thời gian hiện nay dựa trên nguyên lý tần số quang học.

... đến đồng hồ nguyên tử

Ở thời điểm hiện nay, đồng hồ nguyên tử là công cụ đo thời gian chính xác nhất, bằng cách đếm số lần nguyên tử caesium nhảy đi nhảy lại giữa các mức năng lượng khác nhau theo tần số vi sóng. Chiếc đồng hồ nguyên tử chính xác nhất hiện nay thuộc quyền sở hữu của Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mỹ (NIST). Nó hoạt động trên cùng nguyên tắc cơ bản của những đồng hồ nguyên tử vi sóng từ những năm 1950, nhưng sử dụng ánh sáng quang học tần số cao hơn, do vậy chính xác hơn.

Tác giả của chiếc đồng hồ này cho biết đã sản xuất ra nó dựa trên tần số quang học của một ion thuỷ ngân được làm nguội (một nguyên tử thuỷ ngân thiếu một electron) nối liền với máy tạo dao động laser. Tổ hợp này hoạt động giống như quả lắc của đồng hồ truyền thống để tạo ra tiếng "tích, tắc" cho đồng hồ. Tuy nhiên, nếu mỗi giây đồng hồ truyền thống tạo ra được một âm thanh "tích, tắc" thì đồng hồ nguyên tử tạo được 1.064 triệu tỉ tiếng. Nhờ thế, độ chính xác của đồng hồ tăng lên cực cao.

Đồng hồ có một lịch sử lâu đời, lâu gấp đôi lịch sử của chính bản thân nước Mỹ. Năm 1088, người Trung Quốc đã chế tạo được loại đồng hồ nước, một ngày sai lệch khoảng 100 giây. Đến thế kỷ XVII, đồng hồ quả lắc ra đời với độ chính xác lớn hơn, mỗi ngày chỉ sai khoảng 10 giây. Vào những năm 1930, chiếc đồng hồ chuẩn xác nhất phải 3 ngày mới sai mất 1 giây. Tuy nhiên, với sự xuất hiện của đồng hồ nguyên tử, sai số ít ỏi nói trên trở thành những quãng thời gian khổng lồ. Năm 1967, công nghệ đồng hồ nguyên tử cho phép giới khoa học xác định được rằng, 1 giây tương đương với 9,192,631,770 vòng bức xạ thực hiện giữa 2 mức năng lượng của caesium ở trạng thái mặt đất. Năm 1995, sai số của đồng hồ nguyên tử là 1 giây trong thời gian 15 triệu năm. Và kỷ lục thế giới mới đã được lập vào năm 2001, khi đồng hồ nguyên tử của NIST ra đời: phải sau 100 triệu năm nó mới sai lệch 1 giây.

Đồng hồ nguyên tử cực kỳ quan trọng đối với nhiều lĩnh vực khoa học và đời sống, chẳng hạn như hoa tiêu vệ tinh, internet và phân phối điện, tất cả đều phụ thuộc vào sự chính xác (gần) tuyệt đối của thời gian. Tiến bộ trong công nghệ chế tạo đồng hồ nguyên tử sẽ tạo ra bước đại nhảy vọt trên Trái đất. Scott Diddams, người chủ trì sản xuất đồng hồ nguyên tử của NIST, nói: "Khi đồng hồ trở nên chính xác hơn, những ứng dụng mà con người mơ ước tới sẽ trở nên hoàn thiện hơn."

K.H. (Theo BBC, 26/2/2004)