30 tỷ năm chỉ sai 1 giây: Đồng hồ Trung Quốc ẩn chứa bí mật 'vũ trụ' gì?

Theo một nhà nghiên cứu cho biết, nếu vượt qua đánh giá kỹ thuật vào tuần tới, trạm vũ trụ của Trung Quốc có thể sóm có đồng hồ chính xác nhất trên quỹ đạo.

Cụ thể, nếu vượt qua đánh giá, chiếc đồng hồ nguyên tử do một nhóm chuyên gia đứng đầu tại Trung tâm Dịch vụ Thời gian Quốc gia tại Tây An sẽ được chuyển lên Trạm vũ trụ Thiên Cung vào tháng 10/2022 nhằm phục vụ nghiên cứu vật lý cao cấp.

Đồng hồ nguyên tử chính là loại đồng hồ theo dõi về sự cộng hưởng của tần số nguyên tử, thường là nguyên tử caesi hoặc rubidi. Nhờ quá trình này cho phép những chiếc đồng hồ này đo được thời gian với độ chính xác cao.

Đồng hồ nguyên tử có thể được các nhà địa chất sử dụng tại các vùng núi lửa hoạt động mạnh nhằm giúp dự đoán chính xác về các vụ phun trào, hoặc tiến hành nghiên cứu về hiện tượng ấm lên toàn cầu.

Đồng hồ nguyên tử quang học có sự chính xác rất cao. Ảnh: Science Photo Library

Những chiếc đồng hồ với độ chính xác cao, chỉ lệch 1 giây sau 30 tỷ năm do Trung Quốc thiết kế, cũng góp phần tạo nên được mạng lưới bấm giờ cùng với vệ tinh định vị Bắc Đẩu và những cơ sở ở trên mặt đất trong vài năm tới, với độ chính xác gấp hơn 4 lần.

Bên cạnh việc giúp liên lạc và định vị nhanh hơn, đồng hồ nguyên tử quang học còn có vai trò quan trọng với quốc phòng.

Các nhà nghiên cứu hiện đang chờ kết quả kiểm tra để xem xét thiết bị này hoạt động tốt đến mức nào ở trong không gian. Quá trình thử nghiệm trên mặt đất đã bắt đầu vào cuối tháng 4/2022.

Theo ông Jun Ye, nhà vật lý tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mỹ (NIST) và Đại học Colorado Boulder, việc đạt được độ chính xác tương tự như trong vũ trụ là rất khó. Nhà vật lý Jun Ye hiện là trưởng nhóm nghiên cứu phát triển đồng hồ quang học chính xác nhất thế giới ở trong phòng thí nghiệm.

Nhà vật lý Jun Ye nhận định, việc chế tạo đồng hồ nguyên tử quang học để sử dụng trong phòng thí nghiệm rất khác với việc phát triển những chiếc đồng hồ nhỏ và nhẹ hơn để sử dụng trong không gian.

Theo ông Jun Ye, thách thức đặt ra là làm thế nào để chiếc đồng hồ có thể đạt kích thước nhỏ gọn và có khả năng vận hành bền bỉ.

Theo thông tin của Xinhua, chiếc đồng hồ quang học phát triển để đưa lên trạm Thiên Cung phải có kích thước nhỏ hơn 20 lần so với trong phòng thí nghiệm thì mới có thể đặt vừa trên giá thí nghiệm của trạm vũ trụ này.

Cấu trúc cơ bản của Trạm vũ trụ Thiên Cung dự kiến sẽ hoàn thành vào cuối năm 2022. Ảnh: Weibo

Trên thực tế, con người từng sử dụng các hiện tượng thiên nhiên với chu kỳ dao động đều đặn nhằm theo dõi thời gian.

Vào năm 1915, nhà khoa học Albert Einstein đã chỉ ra rằng vật thể giống như Trái Đất có thể uốn cong không – thời gian, và gây ra lực hấp dẫn, khiến thời gian giãn nở.

Tuy nhiên, cho đến khi đồng hồ nguyên tử được phát minh thì các nhà khoa học mới có thể chứng minh cho thuyết tương đối của Albert Einstein vào năm 1915.

Theo đó, đồng hồ nguyên tử lần đầu được phát minh vào năm 1949 để tiến hành đo thời gian bằng cách theo dõi tần số bức xạ của nguyên tử. Đến ngày nay, đồng hồ nguyên tử là thứ không thể thiếu với định vị vệ tinh và tính giờ trên mạng Internet.

Vì sao cần phát triển đồng hồ nguyên tử?

Đầu tháng 1/2022, Mỹ cũng tiến hành dự án phát triển đồng hồ nguyên tử quang học di động với độ chính xác gấp 100 lần so với loại đồng hồ nguyên tử vi sóng.

Cụ thể, Cơ quan Chỉ đạo các dự án Nghiên cứu Quốc phòng Tiên tiến (DARPA) của Mỹ công bố về chương trình Mạng lưới đồng hồ quang học mạnh (ROCkN) với mục đích tạo ra một đồng hồ nguyên tử quang học siêu chính xác và đủ nhỏ gọn để đặt trong máy bay quân sự hoặc phương tiện ở trên chiến trường.

Đồng hồ nguyên tử không gian của NASA. Ảnh: NASA

Trên thực tế, trong các hoạt động quân sự, máy bay cần phải có độ chính xác cỡ nano giây nhằm bắn vũ khí ở tốc độ cao và phạm vi cực hạn. Thậm chí một sai sót của một phần tỷ giây cũng có thể khiến tên lửa bắn trượt mục tiêu. Do đó, để khắc phục điều này, quân đội ngày nay phụ thuộc rất nhiều vào định vị vệ tinh (GPS). Tuy nhiên, công nghệ này không phải lúc nào cũng có sẵn và có thể bị nhiễu.

Ngoài ra, đồng hồ nguyên tử có thể cung cấp một giải pháp bằng cách cho phép các đơn vị ở chiến trường xác định thời gian với độ chính xác cực cao mà không cần kết nối với GPS.

Cụ thể, công nghệ này sử dụng một chùm vi sóng để tiến hành đo tần số của nguyên tử khi chúng thay đổi trạng thái năng lượng.

Hiện nay, loại đồng hồ nguyên tử chính xác nhất là đồng hồ nguyên tử quang học có sử dụng chùm ánh sáng thay thế cho chùm vi sóng. Điều này giúp tăng độ chính xác gấp 100 lần.

Đồng hồ nguyên tử quang học chính xác đến mức không bị lệch một giây nào trong hơn 13 tỷ năm của vũ trụ. Thế nhưng thông thường đồng hồ nguyên tử quang học lại khá cồng kềnh. Trong khi đó, chương trình ROCkN của DARPA lại muốn tạo ra thiết bị nhỏ và nhẹ hơn với mục đích lắp trên các phương tiện quân sự và cả vệ tinh.

Theo các nhà khoa học, công nghệ đồng hồ nguyên tử cũng có thể có ứng dụng để khám phá vũ trụ. Vào năm 2019, NASA đã kích hoạt đồng hồ nguyên tử không gian sâu. Điều này cho phép định vị chính xác trong vũ trụ. Tương tự, loại đồng hồ này cũng có tiềm năng giúp các tàu vũ trụ trong tương lại định vị dễ dàng hơn.

Việc sở hữu đồng hồ nguyên tử quang học "chính xác nhất" tại Thiên Cung có thể là một cuộc cách mạng đối với Trung Quốc và chương trình không gian của nước này khi đang cạnh tranh với Mỹ.

Khi cuộc đua không gian tiếp tục diễn ra sôi nổi, một chiếc đồng hồ nguyên tử chính xác sẽ nâng cao khả năng khám phá không gian sâu và sức mạnh quân sự của một quốc gia.

Hiện các nhà khoa học châu Âu đang tham gia dự án Atomic Clock Ensemble in Space để đưa mạng lưới đồng hồ nguyên tử lên Trạm Vũ trụ Quốc tế.

Bài viết tham khảo nguồn: SCMP, Eurasiantimes, Interestingengineering, Livescience