Đồng hồ hạt nhân đầu tiên bắt đầu kiểm chứng sự thay đổi của các hằng số cơ bản
(quantamagazine.org)- Các nhà nghiên cứu JILA đã đo chuyển tiếp giữa hai trạng thái của hạt nhân thorium-229 với độ chính xác một phần nghìn tỷ, về cơ bản khép lại cuộc tìm kiếm tần số laser cho chuyển tiếp đồng hồ hạt nhân kéo dài 50 năm
- Thorium-229 là một trường hợp đặc biệt, trong đó các thay đổi của lực điện từ và lực hạt nhân mạnh bên trong hạt nhân gần như triệt tiêu lẫn nhau, nên có thể kích hoạt chuyển tiếp hạt nhân bằng một mức năng lượng nhỏ
- Sau các kết quả từ nhóm nghiên cứu châu Âu vào tháng 4/2024 và nhóm UCLA vào tháng 7, kết quả của JILA đã được công bố; phép đo lần này chính xác hơn hàng triệu lần so với các quan sát trước đó
- Chuyển tiếp đồng hồ hạt nhân nhạy với sự thay đổi của các hằng số cơ bản hơn nhiều so với trạng thái nguyên tử, nhưng vì mức thay đổi khả dĩ có thể chỉ ở mức một phần mười nghìn tỷ, nên cần tiếp tục cải thiện độ chính xác
- Đồng hồ hạt nhân thorium-229 có thể trở thành một công cụ mới để kiểm chứng bằng thực nghiệm sự thay đổi theo thời gian của các định luật vật lý mà các mô hình như axion vật chất tối hay lý thuyết dây dự đoán
Phép đo chuyển tiếp đồng hồ hạt nhân thorium-229 của JILA
- Vào một đêm tháng 5/2024, nghiên cứu sinh Chuankun Zhang của JILA đã xác nhận tín hiệu chuyển tiếp đồng hồ hạt nhân, trong đó hạt nhân nguyên tử thorium-229 chuyển đổi giữa hai trạng thái
- Sau nhiều bước kiểm chứng, nhóm nghiên cứu kết luận tín hiệu này thực sự là chuyển tiếp hạt nhân của thorium-229
- Kết quả đo của nhóm nghiên cứu Jun Ye được báo cáo trên Nature vào ngày 4/9/2024
- Đây là kết quả thứ ba trong số các quan sát chuyển tiếp thorium-229 được công bố trong 4 tháng gần đây, sau kết quả của các nhà nghiên cứu ở Đức và California
- Phép đo lần này chính xác hơn hàng triệu lần so với các kết quả trước, mang tính chất khép lại quá trình dài tìm kiếm tần số laser chính xác để kích hoạt chuyển tiếp đồng hồ hạt nhân
Vì sao thorium-229 đặc biệt
- Đồng hồ nguyên tử thông thường sử dụng quá trình electron hấp thụ photon để chuyển sang trạng thái kích thích rồi quay lại trạng thái cơ bản
- Bước sóng khớp với chuyển tiếp của nguyên tử cesium hiện định nghĩa chuẩn quốc tế cho 1 giây
- 1 giây được định nghĩa là khoảng thời gian để 9.192.631.770 bước sóng đó đi qua một điểm trong không gian
- Hạt nhân nguyên tử cũng có trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích, nhưng vì proton và neutron bị liên kết chặt hơn electron rất nhiều, nên thường cần photon năng lượng cao hơn nhiều, như tia gamma
- Hạt nhân nguyên tử thorium-229 là một ngoại lệ, với năng lượng cần cho chuyển tiếp hạt nhân cực kỳ thấp
- Lực điện từ giữa các proton trong hạt nhân có xu hướng xé hạt nhân ra, còn lực hạt nhân mạnh thì liên kết hạt nhân lại
- Trong thay đổi spin của neutron ngoài cùng ở thorium-229, thay đổi của hai lực này gần như triệt tiêu chính xác lẫn nhau, khiến chênh lệch năng lượng giữa trạng thái kích thích và trạng thái cơ bản cực nhỏ
- Chuyển tiếp có thể xảy ra với năng lượng thấp hơn khoảng 10.000 lần so với kích thích hạt nhân thông thường
Vật liệu thí nghiệm từ sản phẩm phụ của Chiến tranh Lạnh
- Thorium-229 sinh ra từ sự phân rã của uranium-233, một sản phẩm phụ của nghiên cứu vũ khí hạt nhân thời Chiến tranh Lạnh
- Từ thập niên 1950 đến thập niên 1970, Mỹ đã sản xuất khoảng 2 tấn uranium-233, một vật liệu phân hạch cấp vũ khí từng được xem xét như phương án thay thế cho uranium-235 và plutonium-239
- Năm 1976, Larry Kroger và Charles Reich tại Idaho National Laboratory, khi nghiên cứu bức xạ phát ra từ chất thải lỏng uranium-233, đã tìm thấy bằng chứng gián tiếp rằng thorium-229 có một trạng thái kích thích hạt nhân với năng lượng thấp hơn dự kiến rất nhiều
- Năm 1990, Reich và các đồng nghiệp thông qua một phép đo lại chính xác hơn đã xác nhận rằng năng lượng của trạng thái kích thích này nhỏ hơn hơn 10 lần so với suy nghĩ ban đầu
- Chuyển tiếp hạt nhân thường cần hàng triệu electronvolt, nhưng chuyển tiếp thorium-229 dưới 10 electronvolt
- Dải năng lượng này nằm trong phạm vi mà các laser hiện có có thể truyền tải ổn định và chính xác
- Eric Hudson nói rằng trong toàn bộ biểu đồ hạt nhân nguyên tử, chỉ có thorium-229 là trường hợp như vậy
Ý tưởng đồng hồ hạt nhân và kiểm chứng các hằng số cơ bản
- Năm 2003, Ekkehard Peik và Christian Tamm đã đề xuất một đồng hồ hạt nhân dùng thorium-229
- Vì hạt nhân nguyên tử được bao quanh bởi đám mây electron và được che chắn khỏi thế giới bên ngoài, đồng hồ dựa trên thorium-229 có thể ít nhạy hơn với nhiễu nền từng gây khó khăn cho các đồng hồ nguyên tử tốt nhất thời đó
- Victor Flambaum đã chỉ ra rằng một chiếc đồng hồ nhạy và cô lập như vậy có thể được dùng để kiểm nghiệm tính bất biến của tự nhiên
- Các phương trình vật lý chứa khoảng 26 hằng số cơ bản như tốc độ ánh sáng và hằng số hấp dẫn
- Những lý thuyết như lý thuyết dây dự đoán rằng các con số này có thể thay đổi cực nhỏ theo thời gian
- Một mô hình phổ biến về vật chất tối cho rằng nếu vật chất tối được tạo thành từ các hạt dạng sóng gọi là axion, thì sự thay đổi mật độ axion theo vị trí có thể khiến cường độ của một số lực tăng giảm
- Sự thay đổi cường độ lực có thể làm thay đổi năng lượng của các trạng thái hạt nhân
- Năng lượng của trạng thái hạt nhân được quyết định trong quá trình cộng và trừ các lực điện từ lớn và lực hạt nhân mạnh tác dụng lên proton và neutron
- Chuyển tiếp thorium-229 có chênh lệch năng lượng rất nhỏ, nên những thay đổi nhỏ của lực có thể bộc lộ đặc biệt rõ
Cuộc đua tìm kiếm tần số laser
- Ban đầu, ước tính năng lượng cần cho chuyển tiếp đồng hồ hạt nhân kém chính xác hơn 1.000 lần so với các bước sóng laser mà các nhà nghiên cứu đang dò tìm
- Các nhà nghiên cứu phải lần lượt loại trừ hàng nghìn bước sóng laser; cách bẫy vài nguyên tử thorium-229, chiếu laser rồi chờ photon tất yếu sẽ mất quá nhiều thời gian
- Theo cách tiếp cận của Eric Hudson, nhiều nhóm bắt đầu chế tạo các hợp chất tinh thể rắn có thorium bên trong
- Tinh thể có thể chứa hàng nghìn nghìn tỷ nguyên tử, chứ không chỉ vài nguyên tử
- Có thể nhanh chóng loại trừ nhiều bước sóng bằng laser
- Năm 2023, nhóm CERN đã tạo ra thorium-229 ở trạng thái kích thích bằng phân rã phóng xạ và tạo ra một đột phá bằng cách đo trực tiếp tia cực tím mờ của chuyển tiếp đồng hồ hạt nhân trong một môi trường yên tĩnh hơn
- Kết quả của CERN đã thu hẹp đáng kể phạm vi tìm kiếm, và vào tháng 4/2024, một nhóm châu Âu lần đầu báo cáo kết quả cho thấy họ đã khảo sát trạng thái đó bằng laser
- Nhóm Hudson tại UCLA cũng công bố phát hiện trên Physical Review Letters vào tháng 7/2024
- Nhóm Jun Ye tại JILA đã có được một trong các tinh thể do Thorsten Schumm tạo ra, đồng thời phát triển một laser cực tím đặc biệt để biến thorium-229 thành đồng hồ hạt nhân
- Laser này được dùng để thử nhiều bước sóng cùng lúc nhằm tìm ra chuyển tiếp
- Kết quả của JILA mang tính chất khép lại ba phát hiện song song bằng phép đo năng lượng chính xác nhất
Vì sao cần độ chính xác cao hơn
- Năng lượng của trạng thái hạt nhân thorium nhạy với sự thay đổi của các hằng số cơ bản hơn nhiều so với bất kỳ trạng thái nguyên tử nào
- Hiện nhóm của Ye có thể đo chuyển tiếp đồng hồ hạt nhân với độ chính xác một phần nghìn tỷ
- Để quan sát những thay đổi tinh vi hơn mức mà các đồng hồ nguyên tử hiện có đã loại trừ, cần độ chính xác cao hơn nữa
- Mức thay đổi khả dĩ có thể ở mức một phần mười nghìn tỷ, nên Ye xem đây là việc của “nhiều năm sau”
- Thorium-229, xuất phát từ một sản phẩm phụ cũ của Chiến tranh Lạnh, có thể trở thành công cụ tìm kiếm bằng chứng về một tầng vật lý sâu hơn, chưa được khám phá, đang chống đỡ vũ trụ
1 bình luận
Các ý kiến trên Hacker News
Ngay cả khi dùng thứ này để tạo ra một đồng hồ hạt nhân và độ trôi Allan giảm đủ thấp để trở nên hữu dụng, có lẽ vẫn phải quan sát trong nhiều năm mới thu thập đủ dữ liệu để đo được khác biệt có ý nghĩa và rút ra điều gì đó
Trong thời gian đó, cần phải triệt tiêu các hiệu ứng như chỉ cần di chuyển vật thể lên xuống 1 cm, vị trí của Mặt Trăng, và đủ mọi nguồn nhiễu khác
Tôi không nghi ngờ gì việc cuối cùng họ sẽ làm được, và khi sau này được nghe toàn bộ quá trình, chắc hẳn sẽ rất kỳ diệu
Trong lúc chờ đợi, tôi tìm được một bản ghi hội nghị trên YouTube giải thích rõ ràng nhất về cách đồng hồ nguyên tử cỡ chip hoạt động: https://www.youtube.com/watch?v=wHYvS7MtBok
Hy vọng một ngày nào đó sẽ có cả đồng hồ mạng quang học cỡ chip
Hơn nữa, chi phí triển khai có vẻ thấp hơn nhiều so với phần cứng giao thoa kế, nên cũng có thể đặt đủ nhiều thiết bị sao chép trên khắp thế giới để triệt tiêu các nguồn nhiễu cục bộ
Thật thú vị khi đặt cạnh nhau đoạn “nhiều hạt nhân nguyên tử có chuyển tiếp spin tương tự, nhưng chỉ ở thorium-229 sự triệt tiêu này mới gần như hoàn hảo” và đoạn “các hằng số vật lý thực ra có thể không phải là hằng số”
Nếu hằng số vật lý thay đổi theo thời gian, có thể thorium-229 không hẳn đặc biệt, mà chỉ là đồng vị mà ở thời điểm hiện tại lực đẩy điện và lực hạt nhân mạnh tình cờ cân bằng
Một tỷ năm nữa có thể một nguyên tố khác sẽ đảm nhận vai trò đó, và có lẽ chúng ta may mắn khi đang sống trong thời đại mà một đồng vị của một nguyên tố hiện có vừa khớp như vậy
Thời điểm hoặc nơi chốn tối ưu nơi hai lực cân bằng chính xác có thể đã từng tồn tại hoặc sẽ đến trong tương lai, và khi đó có thể là điều kiện lý tưởng để đo chính xác sự thay đổi của các hằng số. Giống như nhật thực từng là cơ hội tốt để kiểm chứng sự bẻ cong ánh sáng do hấp dẫn
Dù vậy vẫn có những con số như hằng số cấu trúc tinh tế, có vẻ khó hoặc không thể suy ra từ các giá trị khác. Cách giải thích tôi từng gặp trong khoa học đại chúng là nguyên lý vị nhân: chỉ khi các giá trị đó như vậy thì mới có ai đó đặt ra câu hỏi này
Tôi không rõ các nhà khoa học thực thụ nhìn nhận thế nào
Tương tác điện từ tạo ra lực thông thường cũng gắn với tốc độ ánh sáng, và mọi thứ khác cũng vậy
Các hằng số khác có thể thay đổi, nhưng nếu tốc độ ánh sáng quan sát cục bộ có thể khác đi thì đó sẽ là điều rất đáng kinh ngạc
Nếu đang nói rằng những con số như tốc độ ánh sáng hay hằng số hấp dẫn quyết định cách vũ trụ vận hành nhưng thực ra có thể không phải hằng số, thì với tư cách người không phải nhà vật lý, trọng lực từ lâu vẫn có cảm giác như một lực có thể thay đổi
Khi đó, biết đâu nó có thể là một cách giải thích thay thế cho vấn đề vật chất tối bị thiếu, hoặc cho lý do vì sao nhiều sinh vật trên Trái Đất hàng triệu năm trước lại to lớn hơn. Tất nhiên do thiếu nền tảng vật lý nên khi cố giải thích cả hai hiện tượng cùng lúc có thể sẽ mâu thuẫn
Bài viết nói có 26 hằng số, nhưng nhìn vào https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_physical_constants thì có vẻ nhiều hơn
Và những hằng số là tỷ số như hằng số cấu trúc tinh tế thì nếu thực sự có thay đổi nhưng tỷ số vẫn giữ nguyên, có lẽ ta không thể phát hiện. Giống như π cũng là một tỷ số nên vẫn không đổi
Hơn nữa, không phải một tập 26 giá trị cụ thể nào đó là cố định. Dùng 1/c thay cho c làm hằng số cũng hoàn toàn hợp lệ, và có thể sửa bất kỳ phương trình nào để dùng 1/c thay cho c
Với các tỷ số, chính việc tỷ số đó có thật sự không đổi hay không là đối tượng cần kiểm chứng
Muốn đo một hằng số thì cần một thứ gì đó là hằng số, nhưng nếu không có hằng số để so sánh với nó thì không thể biết cái gì là hằng số; điều này với tôi luôn có cảm giác như một lỗi logic
Rốt cuộc chúng ta chỉ có thể giả định rằng thứ gì đó là không đổi, còn thực ra có lẽ nó chỉ trông có vẻ không đổi
Đọc các công trình về thời gian của nhà vật lý Julian Barbour có thể đem lại những hiểu biết khá đáng kinh ngạc. Đó là quan điểm “thời gian sinh ra từ sự thay đổi”: https://www.youtube.com/watch?v=GoTeGW2csPk
Khi thay đổi nhiệt độ, cả hai đều đổi kích thước, nhưng nếu đo cả hai ở nhiều nhiệt độ, bạn có thể tìm được tỷ lệ giữa hai hệ số giãn nở nhiệt
Thú vị là nếu bạn đang dùng nhiệt kế thủy ngân, thực chất bạn đang đo mọi thứ tương đối so với hệ số giãn nở nhiệt của thủy ngân
Nếu các hằng số cơ bản không phải lúc nào cũng đúng, vật chất ở các thiên hà khác sẽ hành xử khác với vật chất trong Dải Ngân hà của chúng ta. Thỉnh thoảng tôi tranh luận về chuyện này, nhưng người khác cứ nói rằng vì bước sóng giống nhau nên mọi thứ còn lại cũng phải giống nhau
Theo trí nhớ của tôi thì đã có nghiên cứu về chuyện này, nhưng hiện giờ tôi không tìm được tài liệu tham khảo
Vậy thật sự có vật chất tối và năng lượng tối, hay hiểu biết của chúng ta về các định luật vũ trụ còn chưa hoàn chỉnh?
Nếu trong quá khứ các hằng số cơ bản khác đi, điều đó cũng có thể chỉ biểu hiện như việc khoảng cách mà chúng ta đo được thay đổi
Nếu các hằng số cơ bản có thể thay đổi, tôi nghĩ chẳng phải như vậy sẽ vi phạm bảo toàn năng lượng và định luật thứ hai của nhiệt động lực học sao
Hình như từng có ai đó nói rằng “nếu lý thuyết của bạn vi phạm định luật thứ hai của nhiệt động lực học thì không còn hy vọng gì”; tôi có bỏ sót điều gì không?
Vì không nhiều người học đến mức động học vật lý, chẳng hạn như trình độ tập 10 của Landau
Không khó để tưởng tượng một tình huống trong đó năng lượng của một hệ kín thay đổi nhưng không đến mức làm tổng entropy giảm. Ví dụ có thể là trường hợp năng lượng của hệ kín giảm
Một số thứ có thể trông cực kỳ ổn định, nhưng phải đo trên các thang thời gian nhỏ hoặc lớn đến phi lý, nên trên thực tế gần như không thể đo được
Việc hằng số hấp dẫn G có thật sự là hằng số hay không ở một mức độ nào đó vẫn còn là câu hỏi bỏ ngỏ
Hơn nữa, kết quả sẽ khác nhau tùy theo dùng thời gian nguyên tử hay thời gian động lực học. Nếu dùng thời gian động lực học thì với các bộ phản xạ laser trên Mặt Trăng sẽ không đo được biến thiên
Có thể đây là một câu hỏi ngớ ngẩn, nhưng độ chính xác của chiếc đồng hồ chính xác nhất được đánh giá như thế nào? Chẳng phải không có thứ nào chính xác hơn để so sánh sao?
Có lẽ điều muốn nói là giả thuyết một electron. Đây là một ý tưởng thú vị vì biểu đồ Feynman của phản electron trông giống như một electron đi ngược thời gian
Vì vậy có thể tưởng tượng rằng chỉ có một electron duy nhất nảy qua lại trong thời gian, tạo nên một đường thế giới rối rắm, và đôi khi ta quan sát nó như phản electron
Photon không có phản photon, nên cách này không đúng
Dù sao thì đó là một ý nghĩ thú vị tạo ra khoảnh khắc “ồ!” kiểu Feynman rất giỏi nghĩ ra, nhưng có vẻ không được chấp nhận như một lý thuyết nghiêm túc
Cả về thực nghiệm lẫn theo lý thuyết tốt nhất, các hạt đó đúng nghĩa là giống hệt nhau, ngoại trừ việc biến thời gian mang dấu âm
Và điều này cũng áp dụng cho photon. Phản photon tồn tại, và chính là bản thân photon. Photon là hạt đối xứng đối với đảo ngược thời gian
Feynman lập tức bác bỏ ý tưởng đó bằng việc chỉ ra rằng số electron nhiều hơn số positron