Đồng hồ Nguyên tử và Hằng số Vũ trụ: Phép Đo Mới Tốc độ Ánh sáng Qua Bức xạ Hydrogen

Khoa học hiện đại đã chạm đến một cột mốc mới trong lĩnh vực đo lường học (metrology), sử dụng đồng hồ nguyên tử để hiệu chuẩn các hằng số vật lý cơ bản. Các nghiên cứu gần đây tập trung vào việc đo đạc tốc độ ánh sáng trong một dải hẹp, liên quan đến bức xạ bước sóng 21 centimet phát ra từ hydrogen lạnh. Phương pháp tiên tiến này không chỉ giúp xác định tốc độ ánh sáng mà còn cho phép chúng ta nghiên cứu sâu hơn về cơ chế chi phối sự giãn nở của Vũ trụ và lực tương tác điện từ. Lực này được đặc trưng bởi hằng số cấu trúc tinh tế, thường được ký hiệu là alpha.

Bản chất của thí nghiệm nằm ở việc phân tích bức xạ được tạo ra khi có sự chuyển đổi giữa hai mức siêu tinh tế của trạng thái cơ bản trong nguyên tử hydrogen. Sự chuyển đổi này, thường được gọi là vạch 21 cm, là nền tảng không thể thiếu của ngành thiên văn học vô tuyến, bởi vì hydrogen trung tính chiếm một tỷ lệ đáng kể vật chất giữa các vì sao. Theo ước tính, khoảng 80% tổng lượng hydrogen trong các thiên hà là ở trạng thái này. Tần số của bức xạ này xấp xỉ 1420 megahertz (hay 1,42 GHz). Các nhà khoa học đang nỗ lực tính toán giá trị của hằng số cấu trúc tinh tế—một đại lượng không thứ nguyên xác định cường độ tương tác điện từ—với độ chính xác chưa từng có.

Bất kỳ sự dao động nào của hằng số này theo thời gian hoặc không gian đều có thể đòi hỏi phải xem xét lại các mô hình vũ trụ học đã được thiết lập. Việc nghiên cứu hằng số này mang ý nghĩa sống còn, vì nó kiểm tra giả thuyết về tính bất biến của các định luật vật lý trong suốt hàng tỷ năm. Dữ liệu khoa học hiện có, thu được từ việc phân tích ánh sáng từ các chuẩn tinh (quasar) xa xôi, bao phủ tới 13 tỷ năm, cùng với các nghiên cứu chỉ ra sự ổn định trong ba tỷ năm gần đây với độ chính xác đến một phần triệu, đã củng cố tính bền vững của nó. Ý tưởng về khả năng thay đổi của các hằng số cơ bản, từng khiến các nhà vật lý lỗi lạc như Landau và Gamow trăn trở, mở ra triển vọng quan sát cách thức các lực điện từ đã biến đổi như thế nào từ buổi bình minh của thời gian.

Việc lựa chọn vạch 21 cm là nhờ vào sự phổ biến rộng rãi của nó trong toàn bộ Vũ trụ. Mặc dù sự chuyển đổi tự phát trong một nguyên tử riêng lẻ diễn ra cực kỳ hiếm hoi—trung bình khoảng 11 triệu năm một lần—nhưng số lượng nguyên tử khổng lồ trong các đám mây vũ trụ đảm bảo cường độ bức xạ đủ mạnh để ghi nhận được ở những khoảng cách cực lớn. Việc sử dụng đồng hồ nguyên tử mang lại độ tinh khiết đo lường cần thiết để loại bỏ các sai số dụng cụ có thể làm sai lệch các kết quả trước đây. Những phép đo chính xác như vậy đóng vai trò là thước đo, phản ánh sự hài hòa và trật tự trong cấu trúc của thực tại. Nỗ lực đạt đến độ chính xác cao trong việc đo tốc độ ánh sáng và hằng số cấu trúc tinh tế là một hành động có trách nhiệm đối với tri thức, giúp chúng ta định hình một cái nhìn rõ ràng hơn về sự tiến hóa của Vũ trụ.