Tác dụng của hấp dẫn lên thời gianđược xác nhận Các nhà vật lí ở Mĩ và Đức vừa sử dụng hai nguyên lí cơ bản của cơ học lượng tử để thực hiện phép kiểm tra chính xác cao của thuyết tương
Trang 1Tác dụng của hấp dẫn lên thời gian
được xác nhận
Các nhà vật lí ở Mĩ và Đức vừa sử dụng hai nguyên lí cơ bản của cơ học lượng tử để thực hiện phép kiểm tra chính xác cao của thuyết tương đối rộng Einstein Các nhà nghiên cứu khai thác lưỡng tính sóng-hạt và sự chồng chất bên trong một giao thoa kế nguyên tử để chứng tỏ một hiệu ứng gọi là
Trang 2sự dịch chuyển hấp dẫn – sự chậm lại của thời gian ở gần một vật khối lượng lớn – là đúng với độ chính xác bảy phần tỉ Kết quả trên thật quan trọng đối với cuộc tìm kiếm một lí thuyết hấp dẫn lượng tử và có thể có những ứng dụng thực tiễn đáng kể, thí dụ như cải thiện độ chính xác của các hệ thống định vị toàn cầu.
[/URL]
Sự dịch chuyển hấp dẫn tuân theo nguyên lí tương đương cơ sở của thuyết tương
đối rộng Nó phát biểu rằng những tác dụng cục bộ của lực hấp dẫn là tương
đương với những vật ở trong một hệ quy chiếu có gia tốc Cho nên lực hướng
xuống mà một người chịu ở trong một cái thang máy có thể là do một gia tốc
hướng lên của thang máy hoặc do sự hấp dẫnNhững xung ánh sáng gửi lên từ một cái đồng hồ nằm trên sàn thang máy sẽ bị dịch chuyển Doppler, hay bị dịch đỏ,
khi thang máy đang tăng tốc hướng lên trên, nghĩa là cái đồng hồ này sẽ dường như chạy chậm đi khi những lóe sáng của nó được so với một cái đồng hồ khác đặt
trên trần thang máy Vì không có cách nào phân biệt lực hấp dẫn vàsự gia
tốc, cho nên điều tương tự cũng đúng đối với trường hấp dẫn, nghĩa là lực hút hấp dẫn tác dụng lên cái đồng hồ càng lớn, hay nó càng ở gần vật khối lượng lớn,
thì nó sẽ chạy càng chậm lại
Sự xác nhận hiệu ứng này ủng hộ cho quan điểm rằng lực hấp dẫn là một biểu
hiện của độ cong không-thời gian vì dòng thời gian không còn còn đều đặn xuyên suốt lịch sử nữa mà biến thiên theo sự phân bố của những vật khối lượng lớn Việc củng cố quan điểm độ cong không-thời gian là quan trọng trong việc phân biệt
Trang 3giữa những lí thuyết khác nhau của sự hấp dẫn lượng tử, vì có một số phiên bản của lí thuyết dây có thể phản ứng với những thứ khác ngoài hình dạng của
không-thời gian ra.
Tính vạn vật của sự rơi tự do
Tuy nhiên, sự dịch chuyển hấp dẫn, là một biểu hiện của bất biến định xứ (quan
điểm cho rằng kết quả của mọi thí nghiệm phi hấp dẫn là độc lập với địa điểm và
thời điểm thực hiện nó trong vũ trụ) được xác nhận kém nhất trong số ba loại thí nghiệm ủng hộ cho nguyên lí tương đương Hai thí nghiệm kia, tính vạn vật của sự
rơi tự do và bất biến Lorentz cục bộ , đã được xác nhận với độ chính xác
10-13 hoặc tốt hơn nữa,trong khi sự dịch chuyển hấp dẫn trước đây chỉ được xác
nhận đến độ chính xác 7x10-5 Kết quả này thu được vào năm 1976 bằng cách ghi
lại sự khác biệt thời gian trôi đo bởi hai chiếc đồng hồ nguyên tử - một đặt trên
mặt đất và một được gửi lên cao độ 10.000 km trong một tên lửa.
Loại phép đo dịch đỏ như thế này bị hạn chế bởi mức độ hút hấp dẫn do khối
lượng của trái đất mang lại Nghiên cứu mới, tiến hành bởiHolger Müllerthuộc
trường Đại học California Berkeley, Achim Petersthuộc trường Đại
học Humboldt ở Berlin và Steven Chu, trước đây tạiBerkeley nhưng hiện nay
là Thư kí của Bộ Năng lượng Mĩ, bị hạn chế bởi những ràng buộc tương tự,
nhưng làm chủ được việc tăng đáng kể độ chính xác nhờ vào một chiếc đồng hồ cực tốt mang lại bởi cơ học lượng tử
Năm 1997, Peters đã sử dụng kĩ thuật bẫy laser do Chu phát triển để bắt lấy
các nguyên tử caesium và làm lạnh chúng đến một vài phần triệu của một độ trên
không độ tuyệt đối (để giảm vận tốc của chúng càng nhiều càng tốt), và sau đó sử
dụng một chùm laser thẳng đứng truyền một cú hích hướng lên cho các nguyên tử
để đo sự [/B]rơi tự do hấp dẫn.[/B]
Nay Chuvà Müllergiải thích lại những kết quả của thí nghiệm đó để cung cấp một
Trang 4phép đo của sự dịch chuyển hấp dẫn.
Trong thí nghiệm, mỗi một nguyên tử hứng chịu ba xung laser Xung thứ nhất
đưa nguyên tử vào một sự chồng chất của hai trạng thái có khả năng ngang nhau -hoặc để cho nó một mình giảm tốc và sau đó rơi xuống trái đất dưới sức hút của lực hấp dẫn, hoặc truyền cho nó một cú hích để nó đạt tới độ cao lớn hơn trước khi rơi xuống Một xung thứ hai đặt vào sau đó đúng thời điểm thích hợp để đưa
nguyên tử ở trạng thái thứ hai trở lại hướng Trái đất nhanh hơn, làm cho hai trạng
thái chồng chất gặp nhau trên đường rơi xuống Tại đây, xung laser thứ ba sẽ đo
sự giao thoa giữa hai trạng thái này do sự tồn tại của nguyên tử dưới dạng sóng, ý tưởng là bất kì sự chênh lệch nào ở độ dịch đỏ hấp dẫn chịu bởi hai trạng thái tồn tại ở những độ cao khác nhau phía trên mặt đất sẽ hiển hiện dưới dạng một sự biến đổi pha tương đối của hai trạng thái
Tần số cực cao
Ưu điểmcủa phương pháp này là tần số cực cao của sóng de Broglie của nguyên
tử caesium- chừng 3x1025 Hz Mặc dù trong 0,3 srơi tự do, sóng vật chất trên quỹ đạo cao hơn chịu thời gian trôi nhiều hơn 2x10-20 s so với sóng trên quỹ đạo
thấp hơn, nhưng tần số cực cao của sự dao động của chúng, kết hợp với khả năng
đo sự chênh lệch biên độ chỉ một phần nghìn, nghĩa là các nhà nghiên cứu có thể
xác nhận sự dịch đỏ hấp dẫn đến độ chính xác 7x10-9.
Như Müller phân tích, [i]“nếu thời gian rơi tự do kéo dài đến tuổi của vũ trụ - 14 tỉ
năm – thì sự chênh lệch thời gian giữa lộ trình trên và lộ trình dưới chỉ là một phần nghìn của một giây, và độ chính xác của phép đo sẽ là 60 pico giây, thời gian cần thiết cho ánh sáng đi quãng đường chừng một centi mét”.[/]
Độ chính xác cực kì có thể hữu ích làm cho các hệ thống định vị toàn cầu trở nên
chính xác hơn Như Müller trình bày rõ, để xác định vị trí của một vật trên mặt đất
đến độ chính xác mili mét, đồng hồ nguyên tử trên vệ tinh GPS cần phải hoạt động
Trang 5đến độ chính xác 10-17, một con số thật ra mới thu được gần đây bởi một chiếc đồng hồ do Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ quốc gia Hoa Kì phát triển Nhưng ở cao
độ 20.000 km của vệ tinh, những chiếc đồng hồ như thế sẽ chịu một sự tăng thời
gian khoảng một phần 1010 do sự lệch đỏ hấp dẫn Việc đạt tới độ chính xác 10-17
do đó sẽ đòi hỏi phải biết tác dụng lệch đỏ đến độ chính xác 10-7
Müller hi vọng cải thiện hơn nữa độ chính xác của các phép đo lệch đỏ bằng cách tăng khoảng cách giữa hai trạng thái chồng chất của các nguyên tử caesium
Khoảng cách thu được trong nghiên cứu hiện nay chỉ là 0,1 mm, nhưng ông nói, bằng cách tăng khoảng cách này đến 1 m thì sẽ có thể phát hiện ra sóng hấp dẫn, những gợn li ti trong cơ cấu không-thời gian mà thuyết tương đối rộng tiên đoán nhưng chưa bao giờ từng quan sát thấy trước đây