Jun Ye phát minh ra chiếc đồng hồ chính xác nhất vũ trụ bằng cách sử dụng chất đồng vị strontium 87. Nếu bắt đầu hoạt động từ lúc khởi sự Big Bang cách nay 13,8 tỉ năm, cho đến nay, chiếc đồng hồ này chỉ bị trễ có… 1 giây! Nhà khoa học trẻ người Mỹ gốc Trung Quốc này là một trong những kẻ làm cách mạng nhận thức của nhân loại về thời gian.
Jun Ye thường nghe mình tự hỏi nhiều lần: chế tạo chiếc đồng hồ chính xác nhất thế giới để làm gì? Với tuyệt đại đa số chúng ta, sống ngày qua ngày, thậm chí trong những giờ phút may mắn nhất của cuộc đời, chúng ta cũng chẳng thấy lợi ích gì khi phân chia thời gian thành những khoảnh khắc ngày càng nhỏ hơn nữa. Nhưng theo giải thích của vị giáo sư vật lý học Đại học Colorado này, nghiên cứu về thời gian không bao giờ là vô ích. Thời gian không chỉ là trung tâm của mọi hoạt động, mà còn là chìa khóa để hiểu được sự vận hành của vũ trụ.
Ông tuyên bố: “Thời gian là một trong những công cụ đặc biệt nhất trong mối quan hệ với thiên nhiên của chúng ta. Chính nhờ vào con đường đi của mặt trời trên bầu trời mà người Ai Cập cổ đại tính toán giờ làm việc của mình. Nhờ vào trọng lực mà con lắc đồng hồ Huyghen vận hành, mở đường cho những chuyến vượt biển lớn.
Ra đời năm 1665, con lắc với chuyển động đều đều hoàn hảo này cho phép đo thời gian ngay cả trên mặt biển, từ đó tính ra được đường kinh tuyến. Nhờ sự giao động của đá thạch anh, những chiếc đồng hồ đeo tay cho mọi người đã ra đời. Jun Ye nhấn mạnh: “Đo đạc thời gian luôn luôn là cơ bản trong các xã hội con người”.
Với những tiến bộ của đo đạc, các nhà khoa học nhận thấy những chiếc đồng hồ dựa vào các yếu tố tự nhiên đã trở nên bất thường và bắt đầu tìm kiếm những cơ cấu ít bị trễ nãi hơn, hay không cần phải điều chỉnh lại thường xuyên. Cuộc tìm kiếm dẫn họ đến các nguyên tử! Do bản chất vật lý của chúng, đã phát ra những tiếng tích tắc tự nhiên! Mỗi nguyên tử bao gồm những hạt nhỏ hơn xắp xếp giống như một Thái dương hệ: ở trong ruột là “mặt trời” của nguyên tử, có những hạt proton và neutron.
Quay quanh nó là các electron, theo những quỹ đạo ngày càng xa hơn, giống như các hành tinh trong hệ mặt trời nhỏ này. Thế giới vô cùng nhỏ của hạt nhân hoạt động theo các quy luật của cơ học lượng tử: các electron có thể nhảy từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác, và mỗi lần như thế, nó phát ra hay hút vào năng lượng dưới dạng tia điện từ và thay đổi mức năng lượng của mình. Hiện tượng này lặp lại rất nhiều lần trong một giây. Những thay đổi trạng thái của electron xác định nên tần số chuyển tiếp của nguyên tử. Đó là tiếng tích tắc.
Loại giây mới
Năm 1955, các nhà vật lý học người Anh Louis Essen và Jack Parry đã tìm thấy phương tiện kích thích nguyên tử cesium, một kim loại mềm và dễ kéo giãn có màu bạc. Họ tạo ra được chiếc đồng hồ nguyên tử đầu tiên trên thế giới. Từ đó dẫn đến một định nghĩa chính thức mới về thời gian: một giây tương đương với tần số chuyển tiếp nguyên tử của césium 133, tức vào khoảng 9,2 tỉ lần giao động.
Ngày nay chiếc đồng hồ của Essen và Parry nằm trong Viện Bảo tàng, sử dụng nguyên tử kết hợp với đồng hồ thạch anh, để kích thích cho tinh thể này khi giao động bị chậm lại. Chiếc đồng hồ này có tên gọi là Jet de Césium, bị trễ 1 giây trong vòng… 300 năm, nếu nó vẫn còn tồn tại!
Với thời gian, các nhà khoa học đã biết cách khai thác tối ưu nguyên tử Césium. Trong thế hệ đồng hồ mới này, có mức độ ổn định cao gấp 1 triệu lần, các nguyên tử đi lên tầng năng lượng cao bằng tác dụng vi sóng khi điều chỉnh tần số chính xác của césium. Hiển thị trên điện thoại di động hay máy vi tính hiện nay, thời gian là kết quả đồng bộ của hơn 500 chiếc đồng hồ nguyên tử trên toàn thế giới. Khoảng 19 tháng 1 lần, thời gian phổ biến này bị trễ mất 1 giây, do tác động quay của trái đất và được thời gian nguyên tử tự động chỉnh sửa lại.
Nếu Jun Ye lấy thời gian làm đề tài chính cho công việc của mình, phân chia thời gian lại là mục tiêu nghề nghiệp của anh ta, đã dẫn đến quyết tâm chế tạo chiếc đồng hồ chính xác nhất thế giới. Jun Ye sinh năm 1967 tại Thượng Hải, trong thời Cách mạng Văn hóa tại Trung Quốc.Là một học sinh xuất sắc về vật lý, Jun Ye được tuyển chọn đại diện cho cả trường tham dự kỳ thi quốc gia về vật lý. Kết quả xuất sắc đã đưa anh ta sang Hoa Kỳ du học rồi ở lại làm việc luôn, không trở về nước.
Ánh sáng xanh
Đúng vào lúc các nhà khoa học vừa hiểu được làm sao giải quyết trở ngại lớn nhất cho một chiếc đồng hồ chính xác hơn, anh ta lại xuất hiện. Cho đến lúc đó, đồng hồ dựa vào biến đổi vi sóng cực nhanh của một nguyên tử thành một tia sáng chậm hơn để đọc được trên thiết bị điện tử của thời đó, nghĩa là chỉ phân biệt được những “thời gian lớn” giống như trên một chiếc đồng hồ có thể chỉ giây, nhưng lại chỉ có loại kim duy nhất chỉ phút và chỉ giờ!
Năm 1999, Jun Ye được nhận vào Viện Tiêu chuẩn & Kỹ thuật Quốc gia Mỹ và làm giáo sư trợ giảng của Đại học Colorado, phụ tá cho nhà nghiên cứu John Hall. Ông này hợp tác với Theodor Hansch, thuộc Viện Quang học lượng tử Max-Planck của Đức. Họ sắp giải quyết được vấn đề đọc của đồng hồ nguyên tử. Quả vậy, vào đầu thế kỷ 21, họ đã phát minh ra cây lược tần số quang học, một kiểu thước đo tần số ánh sáng giảm dần phát ra từ một tia laser. Sau đó, họ được về hưu và tưởng thưởng xứng đáng. Khoa học từ nay có được phương tiện để đo những tích-tắc nguyên tử nhanh hơn, kể cả ở tần số trong khoảng 430 – 770 tétrahertz. Để so sánh, con lắc đồng hồ dao động ở tần số 1 hertz.
Với Jun Ye, đó là một bước đột phá vĩ đại, mở ra một chân trời thám hiểm mới. Anh ta hồ hởi nói: “Trước khám phá này, chúng tôi giống như đang đứng trên bờ của một vực sâu, mà bên dưới là cả một cánh đồng hoa dại sặc sỡ. Nhưng chúng tôi chẳng biết cách nào để leo xuống hái được”. Jun Ye tạo ra chiếc đồng nguyên tử dùng strontium 87, một kim loại mềm có màu trắng bạc, sọc vàng.
Thay đổi trạng thái nguyên tử của nó ở cấp độ femto giây, tức là một phần triệu của một phần tỉ giây – 10 -15! Trong phiên bản mới nhất, chiếc đồng hồ này chứa mấy ngàn nguyên tử strontium cực lạnh (ở nhiệt độ 0 tuyệt đối) sắp xếp dưới dạng lưới 3 chiều, tương tự những viên socolat M&M gắn trên đỉnh và lõm sâu của một vỉ trứng. Dao động của nguyên tử được kích thích bằng một tia laser, điều chỉnh theo tần số của strontium và đọc bằng chiếc lược tần số quang học.
Đây là chiếc đồng hồ chính xác nhất vũ trụ, nếu như chỉ có con người hiện diện. Nếu bắt đầu hoạt động từ lúc bắt đầu Big Bang, cách nay 13,8 tỉ năm, cho đến nay nó chỉ bị trễ có 1 giây! Trong phim tài liệu The Most Unknown (Cái bí hiểm nhất) phát sóng trên kênh truyền hình Netflix, cũng có thể xem trên YouTube với từ khóa này, anh ta dẫn nhà sinh học địa chất Victoria Orphan, thuộc Đại học Caltech, đi qua một ma trận dây cáp, khởi đầu từ một cái hang được chiếu bằng ánh sáng xanh, của chiếc đồng hồ strontium.
Kẻ thô lỗ có thể tin đây là cỗ máy của một nhà bác học điên! Động lực và cách thức làm việc của Jun Ye vẫn còn là một điều bí ẩn. Đàng sau những công cụ hàng ngày, còn ẩn nấp những chiếc đồng hồ nguyên tử cũng giống như những chiếc đồng hồ mặt trời đầu tiên giúp cho nông dân chọn thời điểm tốt nhất để gieo cấy hay thu hoạch mùa màng.
Siêu chính xác
Hãy xem hệ thống định vị vệ tinh GPS. Trong chiếc taxi Uber của bạn, chính nhờ vào đồng hồ nguyên tử mà bạn có thể đến một địa điểm hẹn chính xác. Quả vậy, GPS tính ra thời gian để thông tin gởi đi từ vệ tinh xuống đến trái đất, từ đó tính ra khoảng cách đến điểm hẹn và xác định vị trí của bạn. Chỉ cần sai lệch 1 phút, bạn có thể bị lạc qua một thành phố khác! 1/1.000 giây tương đương với khoảng cách 300km!
Theo Jun Ye, dựa vào đồng hồ nguyên tử mà người ta thiết lập hệ thống điều khiển xe hơi không người lái, kể cả xe được gởi lên sao Hỏa và còn xa hơn nữa. Còn vô số ứng dụng khác từ chiếc đồng hồ siêu chính xác này. Nó cũng là chìa khóa để hiểu được mối quan hệ giữa các hiện tượng kỳ lạ của cơ học lượng tử như những hạt có thể hiện diện ở hai nơi cùng một lúc hay hai trạng thái “chồng chất lên nhau”. Kể cả cơ học cổ điển.
Hiểu rõ hơn hệ thống lượng tử có thể giúp các nhà khoa học áp dụng vật lý lượng tử vào thế giới vật chất lớn hơn, không chỉ là vô cực nhỏ. Đó là tin học lượng tử, đang tìm cách khống chế các bit trong hai trạng thái chồng chất lên nhau, không chỉ là kế tiếp nhau.
Theo Jun Ye, muốn thế phải có một chiếc đồng hồ đủ chính xác để đo được những vặn vẹo không-thời gian tí hon chung quanh một hạt. Sau đó, mới hiểu vì sao các vật khác bị thu hút vào cái thắt nút này và đo được hấp lực một cách cực kỳ chính xác. Các nhà địa chất cũng có thể sử dụng để tiên đoán những vụ phun trào núi lửa, khi phát hiện những chấn động cực nhẹ bên dưới lớp vỏ trái đất.
Càng đi vào chiều sâu của thời gian nguyên tử, càng thấy những ứng dụng phi thường của nó. Jun Ye cũng nhận thấy khả năng cải tiến chiếc đồng hồ nguyên tử là vô hạn, kéo theo những tiến bộ khoa học. Những trở ngại trên đường là sẽ có, nhưng về cơ bản tôi chẳng thấy có giới hạn nào cả.
Người ta chỉ mới tưởng tượng ra một thế giới được trang bị chiếc đồng hồ chính xác như thế và những lợi ích khoa học kèm theo bởi vì một bước tiến trong khả năng đo đạc thời gian sẽ kèm theo những lợi ích xã hội hay kỹ thuật lớn lao. Con lắc đồng hồ đã từng cho phép những chuyến vượt biển Đại Tây Dương. Đồng hồ nguyên tử mở đường cho GPS và Internet và nhất là, nói theo Jun Ye, những chiếc đồng hồ này tạo cơ hội cho ta khám phá một rừng hoa dại còn đang chờ đợi ở phía bên kia dốc núi.
