HAI CHIẾC ĐỒNG HỒ, HAI QUỐC GIA, MỘT NHỊP

Đồng hồ nguyên tử quang học ngày nay đạt độ bất định tương đối 10⁻¹⁸ và thấp hơn — tương đương một giây bị mất trong ba mươi tỉ năm. Chúng vượt hơn trăm lần các đồng hồ vi sóng caesium đang định nghĩa giây hiện nay, và người ta đang chờ đợi một định nghĩa mới của giây dựa trên đồng hồ quang học. Tuy nhiên, trước khi chọn một chuẩn mới, các đồng hồ phải được kiểm tra chéo với nhau.

Vì sao lại là hai đồng hồ giống nhau

So sánh các đồng hồ dùng cùng một chuyển dời nguyên tử — bước nhảy giữa hai mức năng lượng của nguyên tử, mà tần số ánh sáng của nó được đồng hồ đếm — cho một phép thử rõ ràng: tỉ số tần số của chúng phải đúng bằng một. Sự trùng khớp như vậy ở mức dưới 10⁻¹⁷ trước nay hầu như chỉ được chứng minh giữa các hệ thống chế tạo trong cùng một viện. Một chiến dịch châu Âu trước đây giữa chính hai đồng hồ này đã không đạt mục tiêu 5 × 10⁻¹⁸ đặt ra trước khi định nghĩa lại, vì thiếu dữ liệu. Và các phép so sánh giữa những đồng hồ khác được chế tạo độc lập đã cho thấy những bất đồng vượt xa độ bất định công bố của chúng — dấu hiệu của những hiệu ứng chưa ai tính đến.

Một ion, hai phòng thí nghiệm

Cả hai đồng hồ đều bẫy một ion ytterbi-171 duy nhất và thăm dò một chuyển dời cực hẹp, một chuyển dời “bát cực điện” (electric octupole) có trạng thái kích thích tồn tại hàng năm trời. Một đồng hồ, NPL-E3Yb+3, đặt tại Phòng thí nghiệm Vật lý Quốc gia (National Physical Laboratory) ở Teddington, Vương quốc Anh. Chiếc kia, PTB-Yb1E3, đặt tại Physikalisch-Technische Bundesanstalt ở Braunschweig, Đức. Chúng khác nhau ở thiết kế bẫy, ở các laser được ổn định và ở cách triệt tiêu độ lệch do chính ánh sáng thăm dò gây ra.

Chúng được nối qua mạng lưới cáp quang của châu Âu, được ổn định để gần như không tự thêm độ trôi nào: 2.220 km, qua ba trạm chuyển tiếp ở Pháp — Laboratoire de Physique des Lasers ở Villetaneuse, Laboratoire Temps Espace tại Đài thiên văn Paris, và Đại học Strasbourg. Từ 18 tháng 3 đến 12 tháng 4 năm 2025, nhóm đã thu được 12,6 ngày dữ liệu dùng được; cả hai đồng hồ và đường truyền cùng hoạt động 51% thời gian.

Kết quả

Tỉ số của hai tần số là 1,000 000 000 000 000 001 0, với độ bất định 48 ở các chữ số cuối: chênh lệch 1,0 × 10⁻¹⁸ ± 4,8 × 10⁻¹⁸, phù hợp với không. Theo hiểu biết của các tác giả, đây là phép so sánh đồng hồ quốc tế đầu tiên đạt dưới 5 × 10⁻¹⁸.

Bảng ngân sách sai số, tính theo đơn vị 10⁻¹⁸ (các sai số độc lập triệt tiêu nhau một phần: chúng cộng lại theo căn bậc hai của tổng các bình phương, vì thế tổng là 4,8 chứ không phải 8,8):

bản thân các đồng hồ: 2,8, hiệu ứng lớn nhất là nhiệt bức xạ từ môi trường xung quanh ở nhiệt độ phòng;
đường truyền cáp quang quốc tế: 0,9;
thống kê: 1,6;
dịch chuyển đỏ tương đối tính giữa hai địa điểm — đồng hồ nằm càng cao trong trường hấp dẫn của Trái Đất thì chạy càng nhanh, khoảng 1 × 10⁻¹⁸ mỗi centimet —, kể cả lực hút thay đổi của thủy triều: 3,5 — số hạng đơn lẻ lớn nhất.

Hiệu chỉnh cuối cùng này phụ thuộc vào vị trí của mỗi đồng hồ trong thế hấp dẫn của Trái Đất. Độ bất định của nó tương đương với chênh lệch độ cao hơn 3 centimet một chút giữa hai đồng hồ.

Tiện thể kiểm nghiệm thuyết tương đối

Hai địa điểm cách xa nhau, và chuyển động tự quay của Trái Đất liên tục xoay đường thẳng nối chúng. Nếu tốc độ ánh sáng phụ thuộc vào hướng — một sự vi phạm điều mà các nhà vật lý gọi là bất biến Lorentz — thì tỉ số tần số sẽ dao động theo mỗi ngày thiên văn — một vòng quay của Trái Đất so với các vì sao, 23 giờ 56 phút. Không có tín hiệu nào như vậy xuất hiện. Tham số đo sự phụ thuộc vào hướng đó bị giới hạn chặt hơn khoảng năm lần so với trước. Nhân tiện, nếu không có hiệu chỉnh thủy triều, một dao động giả đã xuất hiện, đủ mạnh để bị tưởng là dấu hiệu của một tín hiệu (2,6 độ lệch chuẩn).

Dữ liệu cũng cho thấy cáp quang thêm nhiễu: độ phân tán ban ngày rộng hơn ban đêm 24%, phù hợp với các nhiễu loạn môi trường dọc đường truyền.

Giờ đây từng centimet cũng quan trọng

Vì trọng lực chiếm phần lớn sai số, các tác giả viết rằng những phép so sánh tốt hơn nữa sẽ đòi hỏi hiểu biết chính xác hơn về thế hấp dẫn tại mỗi địa điểm — hoặc một đồng hồ có thể chở sang địa điểm kia mà không mất đi hiệu năng.