Nhân loại đã trải qua một chặng đường dài trong thời gian tồn tại trên hành tinh này, và cách chúng ta đếm thời gian cũng đã phát triển không ngừng. Chẳng bao lâu trước đây (so với tiêu chuẩn vũ trụ), những chiếc đồng hồ nước thô sơ đã được coi là phát minh đột phá, và giờ đây, chúng ta chính thức tính một giây bằng cách theo dõi những dao động nhỏ bé của nguyên tử cesium. Sự khám phá thế giới hạ nguyên tử trong suốt thế kỷ qua đã giúp các nhà khoa học và kỹ sư xây dựng được một chiếc đồng hồ có khả năng chạy mà không sai lệch trong 300 tỷ năm.
Tuy nhiên, ngay cả các quy luật của vật lý lượng tử cũng có giới hạn. Bất kỳ hệ thống nào cũng liên quan đến một mức độ không chắc chắn nào đó, và suy nghĩ phổ biến từ trước đến nay cho rằng nếu bạn muốn tạo ra một chiếc đồng hồ chính xác gấp đôi so với chiếc trước, bạn sẽ cần áp dụng gấp đôi năng lượng. Thế nhưng, một nhóm các nhà khoa học quốc tế đến từ TU Wien (Áo), Đại học Chalmers (Thụy Điển) và Đại học Malta đã tìm ra một cách giải quyết mới mẻ cho giới hạn entropic này bằng cách tận dụng hai thang đo thời gian khác nhau — một thang liên quan đến vật lý lượng tử và một thang liên quan đến “các hiệu ứng tạo entropy.” Điều này có nghĩa là một sự gia tăng theo cấp số nhân về độ chính xác là khả thi khi chúng ta tăng entropy, và đây thực sự là một thủ thuật thú vị sẽ rất quan trọng cho những phép đo hiện tượng lượng tử trong tương lai. Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature Physics.
Để hiểu cách hoạt động của loại đồng hồ này, chúng ta cần quay lại và phân tích các thành phần cấu tạo nên những chiếc đồng hồ mà chúng ta biết. “Mỗi chiếc đồng hồ cần hai thành phần: đầu tiên là một máy phát tín hiệu thời gian — có thể là một con lắc trong một chiếc đồng hồ con lắc, hoặc thậm chí là một dao động lượng tử,” Marcus Huber, tác giả chính của nghiên cứu từ TU Wien cho biết trong một thông cáo báo chí. “Và thứ hai là một bộ đếm — bất kỳ yếu tố nào đếm xem đã có bao nhiêu đơn vị thời gian được xác định bởi máy phát tín hiệu thời gian đã trôi qua.”
Do cần có “máy phát tín hiệu thời gian” nên đồng hồ gắn liền với một quá trình không thể đảo ngược, có nghĩa là chúng tạo ra entropy cho vũ trụ. Trong trường hợp của một chiếc đồng hồ ông, chẳng hạn, con lắc tạo ra một lượng nhiệt nhỏ, cũng như các tia laser đọc trạng thái của nguyên tử cesium. Từ đây, các nhà khoa học đã lý luận rằng bất kỳ chiếc đồng hồ nào với độ chính xác cao hơn cũng sẽ tạo ra nhiều entropy hơn theo tỷ lệ 1:1, dựa theo định luật nhiệt động lực học thứ hai. Tuy nhiên, một kỹ thuật mới tận dụng vận tải lượng tử cho phép một hạt có thể tồn tại ở mọi vị trí cùng một lúc cho đến khi nó được đo. Điều này không tạo ra entropy, và dường như chính là thủ thuật để có được những chiếc đồng hồ chính xác hơn gấp nhiều lần.
“Vì vậy, chúng ta có một quá trình nhanh không gây ra entropy — vận tải lượng tử — và một quá trình chậm, đó là thời điểm hạt đến cuối cùng,” Yuri Minoguchi, đồng tác giả của nghiên cứu từ TU Wien, cho biết trong một thông cáo báo chí. “Điều quan trọng trong phương pháp của chúng tôi là một tay đồng hồ hoạt động hoàn toàn theo vật lý lượng tử, và chỉ tay còn lại, chậm hơn, thực sự tạo ra hiệu ứng gây entropy.”
Hiện tại, cách tiếp cận này bên lề định luật thứ hai của nhiệt động lực học vẫn chỉ là lý thuyết. Tuy nhiên, các tác giả cũng nhấn mạnh rằng ý tưởng này có thể được thử nghiệm bằng cách sử dụng các mạch siêu dẫn hiện đại. Nếu giả thuyết này chứng tỏ đúng, những giới hạn nhiệt động lực học mà chúng ta cho rằng có trong khả năng đo thời gian chính xác có thể không thực sự là giới hạn sau tất cả.
Darren hiện sống ở Portland, có một chú mèo, và viết/ chỉnh sửa về khoa học viễn tưởng cũng như cách thế giới vận hành. Nếu bạn tìm kiếm kỹ, bạn có thể tìm thấy những nội dung trước đây của anh ấy trên Gizmodo và Paste.
Nguồn tham khảo: https://www.popularmechanics.com/science/environment/a65037086/quantum-timekeeping/
Tuy nhiên, ngay cả các quy luật của vật lý lượng tử cũng có giới hạn. Bất kỳ hệ thống nào cũng liên quan đến một mức độ không chắc chắn nào đó, và suy nghĩ phổ biến từ trước đến nay cho rằng nếu bạn muốn tạo ra một chiếc đồng hồ chính xác gấp đôi so với chiếc trước, bạn sẽ cần áp dụng gấp đôi năng lượng. Thế nhưng, một nhóm các nhà khoa học quốc tế đến từ TU Wien (Áo), Đại học Chalmers (Thụy Điển) và Đại học Malta đã tìm ra một cách giải quyết mới mẻ cho giới hạn entropic này bằng cách tận dụng hai thang đo thời gian khác nhau — một thang liên quan đến vật lý lượng tử và một thang liên quan đến “các hiệu ứng tạo entropy.” Điều này có nghĩa là một sự gia tăng theo cấp số nhân về độ chính xác là khả thi khi chúng ta tăng entropy, và đây thực sự là một thủ thuật thú vị sẽ rất quan trọng cho những phép đo hiện tượng lượng tử trong tương lai. Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature Physics.
Để hiểu cách hoạt động của loại đồng hồ này, chúng ta cần quay lại và phân tích các thành phần cấu tạo nên những chiếc đồng hồ mà chúng ta biết. “Mỗi chiếc đồng hồ cần hai thành phần: đầu tiên là một máy phát tín hiệu thời gian — có thể là một con lắc trong một chiếc đồng hồ con lắc, hoặc thậm chí là một dao động lượng tử,” Marcus Huber, tác giả chính của nghiên cứu từ TU Wien cho biết trong một thông cáo báo chí. “Và thứ hai là một bộ đếm — bất kỳ yếu tố nào đếm xem đã có bao nhiêu đơn vị thời gian được xác định bởi máy phát tín hiệu thời gian đã trôi qua.”
Do cần có “máy phát tín hiệu thời gian” nên đồng hồ gắn liền với một quá trình không thể đảo ngược, có nghĩa là chúng tạo ra entropy cho vũ trụ. Trong trường hợp của một chiếc đồng hồ ông, chẳng hạn, con lắc tạo ra một lượng nhiệt nhỏ, cũng như các tia laser đọc trạng thái của nguyên tử cesium. Từ đây, các nhà khoa học đã lý luận rằng bất kỳ chiếc đồng hồ nào với độ chính xác cao hơn cũng sẽ tạo ra nhiều entropy hơn theo tỷ lệ 1:1, dựa theo định luật nhiệt động lực học thứ hai. Tuy nhiên, một kỹ thuật mới tận dụng vận tải lượng tử cho phép một hạt có thể tồn tại ở mọi vị trí cùng một lúc cho đến khi nó được đo. Điều này không tạo ra entropy, và dường như chính là thủ thuật để có được những chiếc đồng hồ chính xác hơn gấp nhiều lần.
“Vì vậy, chúng ta có một quá trình nhanh không gây ra entropy — vận tải lượng tử — và một quá trình chậm, đó là thời điểm hạt đến cuối cùng,” Yuri Minoguchi, đồng tác giả của nghiên cứu từ TU Wien, cho biết trong một thông cáo báo chí. “Điều quan trọng trong phương pháp của chúng tôi là một tay đồng hồ hoạt động hoàn toàn theo vật lý lượng tử, và chỉ tay còn lại, chậm hơn, thực sự tạo ra hiệu ứng gây entropy.”
Hiện tại, cách tiếp cận này bên lề định luật thứ hai của nhiệt động lực học vẫn chỉ là lý thuyết. Tuy nhiên, các tác giả cũng nhấn mạnh rằng ý tưởng này có thể được thử nghiệm bằng cách sử dụng các mạch siêu dẫn hiện đại. Nếu giả thuyết này chứng tỏ đúng, những giới hạn nhiệt động lực học mà chúng ta cho rằng có trong khả năng đo thời gian chính xác có thể không thực sự là giới hạn sau tất cả.
Darren hiện sống ở Portland, có một chú mèo, và viết/ chỉnh sửa về khoa học viễn tưởng cũng như cách thế giới vận hành. Nếu bạn tìm kiếm kỹ, bạn có thể tìm thấy những nội dung trước đây của anh ấy trên Gizmodo và Paste.
Nguồn tham khảo: https://www.popularmechanics.com/science/environment/a65037086/quantum-timekeeping/
