Tác dụng của hấp dẫn lên thời gian được xác nhận ppt

Tác 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
sự 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 chuyểnhấp dẫn tuân theo nguyênlí tương đương cơ sở củathuyết tương
đối rộng.Nó phát biểu rằng nhữngtác dụngcục bộ của lực hấp dẫn là tương
đươngvới nhữngvật ở trong một hệ quy chiếu cógia tốc. Cho nên lực hướng
xuống mà mộtngười chịu ở trong một cái thang máy có thể là do mộtgia tốc
hướnglên của thang máy hoặcdo sự hấp dẫnNhững xung ánh sáng gửi lên từ
mộtcái đồng hồ nằmtrênsànthangmáy sẽ bị dịchchuyển Doppler, haybị dịch đỏ,
khi thang máyđang tăng tốc hướng lêntrên, nghĩalà cái đồnghồ này sẽ dường
như chạy chậm đi khi những lóe sáng của nó được sovới một cái đồnghồ khác đặt
trên trần thang máy. Vì khôngcó cách nào phân biệt lực hấp dẫn vàsự gia
tốc, chonên điều tươngtự cũng đúngđối với trường hấp dẫn, nghĩa là lực hút
hấp dẫn tácdụng lên cái đồng hồ càng lớn,hay nó càngở gần vật khối lượng lớn,
thì nó sẽ chạy càng chậm lại.
Sự xác nhận hiệu ứng nàyủng hộ cho quan điểm rằnglực hấp dẫn là một biểu
hiện củađộ cong không-thờigian vì dòng thờigian khôngcòn còn đều đặn xuyên
suốt lịch sử nữa mà biếnthiên theo sự phân bố của những vậtkhối lượng lớn. Việc
củng cố quanđiểm độ cong không-thời gian là quantrọng trong việc phân biệt
giữanhững lí thuyết khác nhaucủa sự hấp dẫn lượng tử, vì có một số phiên bản
của lí thuyếtdây có thể phản ứngvới những thứ khác ngoài hình dạng của không-

thời gian ra.
Tính vạn vật của sự rơi tự do
Tuy nhiên, sự dịch chuyểnhấp dẫn, là một biểu hiện của bất biến định xứ (quan
điểm chorằng kết quả của mọi thí nghiệm phi hấp dẫn là độc lập với địa điểm và
thời điểm thực hiện nótrong vũ trụ) đượcxác nhận kém nhấttrong số ba loại thí
nghiệmủng hộ cho nguyên lítương đương.Hai thínghiệmkia, tính vạnvật 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 khisự dịch chuyển hấp dẫn trước đây chỉ được xác
nhậnđến độ chínhxác 7x10-5 . Kếtquả này thu được vào năm 1976 bằngcáchghi
lại sự khác biệtthời giantrôi đo bởi haichiếc đồng hồ nguyên tử - một đặt trên
mặtđất và một đượcgửi 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 đấtmang lại. Nghiên cứumới, tiến hành bởi Holger Müller thuộc
trường Đại học California Berkeley, Achim Petersthuộc trường Đại
học Humboldt ở Berlin và Steven Chu, trước đây tạiBerkeley nhưnghiện nay
là Thư kí của Bộ Năng lượng Mĩ, bị hạn chế bởi những ràngbuộc tươngtự,
nhưng làm chủ được việctăng đáng kể độ chínhxác nhờ vào mộtchiếc đồng hồ
cực tốtmang 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 lạnhchúng đến một vài phầntriệu củamột độ trên
khôngđộ tuyệtđối (để giảm vận tốc củachúng càng nhiều càng tốt), vàsau đó sử
dụngmột chùm laser thẳngđứng truyền một cú hích hướng lên cho các nguyên tử
để đo sự [/B]rơi tự do hấp dẫn.[/B]
Nay Chuvà Müller giải thích lại những kết quả của thí nghiệm đó để cung cấp một
phép đo của sự dịch chuyển hấpdẫn.
Trongthí nghiệm, mỗi mộtnguyên tử hứng chịu ba xung laser. Xung thứ nhất
đưa nguyên tử vào một sự chồng chất của haitrạng thái có khả năngngang nhau-
hoặc để cho nó một mình giảm tốc và sauđó rơi xuốngtrái đất dưới sức hút của
lực hấpdẫn, hoặc truyền chonó mộtcú hích để nó đạt tới độ cao lớn hơntrước khi
rơi xuống.Một xungthứ hai đặt vào sauđó đúng thời điểm thích hợpđể đưa

nguyêntử ở trạng thái thứ hai trở lại hướng Trái đấtnhanhhơn, làm cho hai trạng
thái chồngchấtgặp nhau trên đường rơi xuống. Tại đây, xung laser thứ ba sẽ đo
sự giaothoa giữa haitrạng thái nàydo sự tồn tại của nguyên tử dưới dạng sóng,ý
tưởng là bấtkì sự chênh lệch nào ở độ dịch đỏ hấp dẫnchịu bởi haitrạng thái tồn
tại ở những độ cao khác nhauphía trên mặt đất sẽ hiển hiện dưới dạng một sự
biến đổi phatương đối của hai trạng thái.
Tần số cực cao
Ưu điểmcủaphương pháp này là tần số cực caocủa sóng deBroglie của nguyên
tử caesium-chừng 3x1025 Hz. Mặc dù trong 0,3 srơi tự do, sóng vậtchất trên
quỹ đạocao hơnchịu thời gian trôi nhiều hơn 2x10-20 s so với sóng trên quỹ đạo
thấphơn, nhưngtần số cực cao của sự daođộng củachúng, kết hợp với khả năng
đo sự chênh lệch biên độ chỉ mộtphần nghìn, nghĩa là các nhà nghiên cứu cóthể
xác nhậnsự dịch đỏ hấp dẫnđến độ chínhxác 7x10-9.
Như Müller phân tích, [i]“nếu thời gian rơi tự do kéo dài đến tuổi của vũ trụ -14 tỉ
năm – thìsự chênhlệch thờigian giữa lộ trình trên vàlộ trình dưới chỉ là một phần
nghìn của mộtgiây, và độ chính xác của phép đo sẽ là 60 pico giây, thời giancần
thiết choánh sáng đi quãng đường chừng một centimét”.[/]
Độ chính xác cực kì có thể hữu ích làm chocác hệ thống định vị toàn cầu trở nên
chínhxác hơn. Như Müller trìnhbàyrõ, để xác địnhvị trí của một vậttrên mặt đất
đến độ chính xác milimét, đồng hồ nguyên tử trên vệ tinh GPS cầnphải hoạtđộng
đến độ chính xác 10-17, một con số thật ra mới thuđược gần đây bởi một chiếc
đồnghồ doViện Tiêu chuẩn và Côngnghệ quốc gia Hoa Kì pháttriển. Nhưngở cao
độ 20.000 km của vệ tinh, nhữngchiếc đồng hồ như thế sẽ chịu một sự tăng thời
gian khoảng một phần1010 do sự lệch đỏ hấp dẫn. Việc đạt tới độ chính xác 10-17
do đó sẽ đòi hỏi phải biếttác dụng lệchđỏ đến độ chính xác10-7.
Müller hi vọngcải thiện hơn nữađộ chínhxác của các phép đo lệch đỏ bằng cách
tăng khoảng cách giữahai trạngthái chồng chất củacác nguyên tử caesium.
Khoảngcách thu được trong nghiên cứu hiện naychỉ là 0,1 mm,nhưng ông nói,
bằngcách tăng khoảng cách nàyđến 1 m thìsẽ cóthể phát hiệnra sóng hấp dẫn,
những gợn li ti trong cơ cấu không-thời gian mà thuyết tươngđối rộngtiên đoán

nhưng chưa bao giờ từng quan sát thấy trướcđây.