NHỮNG CHIẾC ĐỒNG HỒ CẢM NHẬN THỦY TRIỀU TRONG CHÍNH THỜI GIAN
Lực hấp dẫn ảnh hưởng đến sự trôi của thời gian, như thuyết tương đối rộng mô tả. Trên Trái Đất, nhịp chạy của một đồng hồ thay đổi khoảng một phần 10¹⁶ cho mỗi mét độ cao. Vì vậy, so sánh các đồng hồ ở xa nhau có thể đo trực tiếp những chênh lệch về thế hấp dẫn của Trái Đất (nói nôm na là một nơi nằm sâu đến đâu trong trường hấp dẫn của Trái Đất, điều chủ yếu phụ thuộc vào độ cao) — một kỹ thuật gọi là đo cao bằng đồng hồ (chronometric levelling). Cho đến nay, các thí nghiệm đã dùng nó cho những chênh lệch cố định, chẳng hạn chênh lệch độ cao giữa hai phòng thí nghiệm, đạt độ bất định vài centimét.
Một tín hiệu ai cũng dự đoán được
Tuy nhiên, lực hấp dẫn trên Trái Đất không cố định. Lực hút của Mặt Trăng và Mặt Trời thay đổi trong ngày, phần Trái Đất rắn biến dạng theo, và thủy triều đại dương đè tải lên mặt đất. Gộp lại, những yếu tố này làm nhịp chạy của một đồng hồ thay đổi tới 5 × 10⁻¹⁷ tại một nơi bất kỳ, với các nhịp khoảng một và hai chu kỳ mỗi ngày.
Điều mà hai đồng hồ so sánh là chênh lệch giữa hai địa điểm của chúng. Các trạm cách nhau theo kinh độ cảm nhận thủy triều vào những thời điểm khác nhau; các trạm cách nhau theo vĩ độ cảm nhận nó với cường độ khác nhau. Trên quy mô một lục địa, khoảng chênh này dao động vài phần 10¹⁸. Để theo dõi nó, một phép so sánh đồng hồ phải ổn định tới khoảng 1 × 10⁻¹⁸ trong vòng vài giờ. Các đồng hồ quang học chưa bao giờ phân giải được một tín hiệu biến thiên theo thời gian như vậy.
Những chiếc đồng hồ khắp châu Âu
Một nhóm hợp tác gồm 44 nhà nghiên cứu, với Sören Dörscher thuộc Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ở Braunschweig, Đức, và Ian Hill thuộc Phòng thí nghiệm Vật lý Quốc gia (NPL) ở Teddington, Anh, là các tác giả liên hệ, đã dùng các đồng hồ mạng tinh thể quang học (optical lattice clocks), trong đó các nguyên tử stronti hoặc ytterbi được giữ trong một lưới ánh sáng laser. Chúng được nối với nhau qua mạng lưới cáp quang ổn định pha của châu Âu, với Paris là trung tâm.
Hai cặp đồng hồ đảm nhận phần việc chính, mỗi cặp cách nhau khoảng 800 kilômét:
- Turin và Braunschweig (khoảng 840 km), tháng 3 năm 2025. Ở đây, PTB gửi đồng hồ di động PTB-Sr4 của mình tới Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRiM) của Ý làm một cảm biến từ xa, và so sánh nó với đồng hồ phòng thí nghiệm PTB-Sr3. Hai địa điểm khác nhau chủ yếu về vĩ độ (khoảng 7°), nên thủy triều tác động lên chúng với cường độ khác nhau.
- Teddington và Braunschweig (khoảng 740 km), tháng 3 năm 2023, với đồng hồ NPL-Sr1 của NPL. Ở gần như cùng vĩ độ nhưng cách nhau 11° kinh độ, hai địa điểm này cảm nhận cùng một thủy triều vào những thời điểm khác nhau.
Mô hình thủy triều dự đoán chênh lệch giữa các địa điểm lên tới 5 × 10⁻¹⁸ từ đỉnh đến đỉnh — vài phần tỷ tỷ. Cả hai cặp đều đạt độ ổn định cần thiết, nhờ các hốc cộng hưởng laser siêu ổn định, trong đó có một hốc di động dài 20 centimét.
Nhìn thời gian lên xuống
Lấy trung bình trên ba giờ, tỷ số giữa nhịp chạy (tần số) của hai đồng hồ trong mỗi cặp tăng lên rồi giảm xuống giống như thủy triều được dự đoán. Một phép phân tích phổ làm điều đó rõ nét hơn: cả hai phép so sánh đều cho thấy một nhịp hai lần mỗi ngày mạnh, nhịp này gần như biến mất khi trừ đi giá trị dự đoán — cho thấy cả biên độ lẫn thời điểm đều khớp. Cặp Teddington–Braunschweig cũng cho thấy nhịp một lần mỗi ngày mà hình học của nó dự đoán; cặp Turin–Braunschweig, như kỳ vọng, thì không.
Một thuật toán theo dõi gọi là bộ lọc Kalman, có thể chạy trên dữ liệu trực tiếp, sau đó đo xem tín hiệu quan sát được mạnh đến mức nào so với mô hình, trong đó 1 nghĩa là khớp hoàn hảo. Qua khoảng một tuần cho mỗi cặp, nó cho 1,42 ± 0,35 với Turin và 1,12 ± 0,24 với Teddington — cả hai đều cách giá trị không hơn bốn độ lệch chuẩn. Từng ngày riêng lẻ đã khớp với dự đoán: thủy triều được phân giải trong chưa đầy một ngày đo. Tính cả các cặp đồng hồ khác ở Paris, Turin và Teddington, giá trị trung bình có trọng số đạt 1,00 ± 0,12.
Để kiểm tra, nhóm chạy cùng phép phân tích trên hai đồng hồ đặt cạnh nhau ở Turin, nơi chênh lệch thủy triều vào khoảng 10⁻²², trong khi yêu cầu bộ lọc tìm thủy triều giữa hai địa điểm cách xa nhau. Nó cho các giá trị tương thích với không, đúng như phải thế.
Các tác giả ước tính hiệu ứng này tương ứng với những thay đổi độ cao cỡ 10 centimét tại mỗi trạm, một hoặc hai lần mỗi ngày.
Từ thủy triều đến núi lửa
Với các nhà đo lường học, bài học mang tính thực tiễn: thủy triều là một sai lệch có thật, dự đoán được trong các phép so sánh đồng hồ đường dài, và giá trị trung bình qua một đợt đo có thể khác giá trị trung bình dài hạn. Chúng phải được mô hình hóa khi các đồng hồ nhắm tới 10⁻¹⁸ và xa hơn nữa.
Với các nhà khoa học Trái Đất, đồng hồ di động là điều quan trọng nhất. Nó hoạt động tốt ngang các đồng hồ phòng thí nghiệm cố định, nên các đồng hồ có thể được gửi tới những địa điểm được chọn vì giá trị địa vật lý, ở bất cứ đâu cáp quang vươn tới. Khi đó, các mạng lưới đồng hồ có thể theo dõi sự phân bố lại chậm rãi của nước ngầm, băng, đại dương và không khí, hoặc một buồng magma đang đầy dần bên dưới một ngọn núi lửa, và kiểm chứng các sứ mệnh vệ tinh đo trọng lực, vốn lấy mẫu hằng tháng, bằng các phép đo trên mặt đất từ hằng ngày đến hằng tuần.
Mạng lưới tiếp tục mở rộng: một đường nối mới tới Toruń ở Ba Lan đã kéo khoảng cách đông–tây lớn nhất từ 11° lên khoảng 19°, và các đường nối tới Bỉ và Hà Lan đang được lên kế hoạch. Với các trạm ở cùng vĩ độ, tín hiệu thủy triều hai lần mỗi ngày đạt cực đại khi các trạm cách nhau 90° kinh độ — một khoảng cách mà chỉ các đường nối xuyên đại dương mới đạt được. Còn hiện tại, thủy triều đóng vai trò phép thử: một thay đổi của lực hấp dẫn mà ai cũng có thể tính trước, để sau này các đồng hồ có thể được tin cậy với những thay đổi khó dự đoán hơn.