Sóng hấp dẫn là một trong những chìa khóa quan trọng của ngành vật lý. Được dự đoán bởi nhà vật lý học thiên tài Albert Einstein vào năm 1916 qua thuyết tương đối, sóng hấp dẫn có thể giúp các nhà khoa học lý giải nhiều điều bí ẩn về nguồn gốc của vũ trụ nếu như họ có thể phát hiện ra chúng. Vì vậy, các nhà nghiên cứu tại đại học Stanford và trung tâm du hành không gian Goddard của NASA đã phát triển một kỹ thuật đo giao thoa nguyên tử mới, đủ nhạy để có thể lần đầu tiên ghi lại sóng hấp dẫn.
Sóng hấp dẫn là những gợn sóng xuất hiện tại thể liên tục không gian-thời gian do các sự kiện lớn trong vũ trụ gây ra chẳng hạn như một vụ va chạm giữa các ngôi sao khổng lồ hoặc vụ nổ Big Bang. Khi sóng được tạo ra thì đó cũng là lúc vũ trụ rung lên như một cái chiên. Nếu được nghiên cứu, những con sóng này có thể cung cấp những thông tin quý giá cho các nhà khoa học về mọi thứ, từ lỗ đen cho đến khoảnh khắc đầu tiên của vụ nổ Big Bang.
Vấn đề đối với các nhà khoa học là sóng hấp dẫn rất "yếu" và khi Trái Đất đi qua khu vực có sóng hấp dẫn, nó chỉ giãn ra rồi co lại trong một kích thước chỉ bằng chiều rộng của một nguyên tử. Do đó, không có gì ngạc nhiên khi những phản hồi siêu nhỏ của sóng hấp dẫn rất khó để các hệ thống nhạy nhất hiện nay phát hiện. Điều mà nhóm nghiên cứu Stanford/Goddard đang cố gắng thực hiện là kết hợp với công ty AOSense, Inc có trụ sở tại Sunnyvale, California để phát triển một hệ thống đo giao thoa sử dụng các nguyên tử thay vì ánh sáng siêu nhạy.
Hệ thống laser dải rộng giúp phát hiện sóng hấp dẫn.
Máy đo giao thoa là một thiết bị có thể phát hiện những thay đổi rất nhỏ với độ chính xác cao. Loại máy đo giao thoa phổ biến được trang bị trong các phòng thí nghiệm thường sử dụng ánh sáng, ngoài ra sóng radio, tia X và nhiều loại sóng khác cũng có thể sử dụng được. Nguyên lý cơ bản của máy đo giao thoa là một tia sáng sẽ được chiếu qua một bộ phân chùm và được chia thành 2 chùm tia mới. Trong đó, một chùm tia sẽ phản xạ khỏi một thấu kính được đặt cố định; từ đó nó di chuyển đến một camera hoặc một máy dò. Chùm tia còn lại sẽ chiếu qua một thứ gì đó mà các nhà khoa học muốn đo. Sau đó phản xạ lại một thấu kính thứ 2, dội ngược trở lại về bộ phân chùm và hướng thẳng vào một camera hoặc máy dò. 2 chùm tia sẽ giao thoa với nhau khi chạm trán, qua đó tạo nên một hình mẫu giao thoa.
Từ đó, nếu có điều gì làm thay đổi một trong các chùm tia, chẳng hạn như khoảng cách di chuyển của chùm tia bị thay đổi bởi những phân mảnh cực nhỏ, thay đổi này sẽ thể hiện ngay trên hình mẫu giao thoa và các nhà khoa học có thể suy ra sự thay đổi này lớn như thế nào. Độ nhạy của các hệ thống phụ thuộc vào độ dài bước sóng sử dụng, khoảng cách đường đi của sóng và độ ổn định của hệ thống.
Đối với hệ thống giao thoa nguyên tử, nhóm nghiên cứu Stanford/Goddard đang khai thác một cơ chế lượng tử khá kỳ quặc trong đó nhấn mạnh rằng: nếu như các sóng ánh sáng có thể hoạt động như các hạt được gọi là photon thì ngược lại nếu một nguyên tử được làm lạnh gần bằng 0, nó sẽ mang những tính chất tương tự của sóng.
Tháp thả cao 10 m tại đại học Stanford.
Những gì mà nhóm nghiên cứu sẽ thực hiện là đưa một đám mây chứa các nguyên tử Rubidium (Rb) trung hòa vào trong một tháp cao 10 m được dựng tại tầng hầm của phòng thí nghiệm vật lý đại học Stanford. Khi đám mây nguyên tử rơi từ đỉnh tháp xuống dưới, chúng sẽ được bắn phá bởi các tia laser để làm lạnh và khiến chúng tản ra. Do các tính chất đặc biệt của cơ học lượng tử, các nguyên tử Rb hoạt động như một tia sáng giao thoa dội ngược trở lại, các tia laser sẽ tạo thành một chiếc máy dò đóng vai trò như bộ phân chùm và thấu kính, trong khi các nguyên tử sẽ phát ra các "sóng vật chất" nhờ được đưa về trạng thái "chồng lên nhau" (superposition).
Kết quả cuối cùng là tạo thành một hệ thống đo giao thoa có thể phát hiện những thay đổi chỉ 1 picomet (= 1 x 10^-9 mm). Để dễ hình dung hơn, một nguyên tử Heli có bề rộng chỉ 62 picomet.
Nhóm nghiên cứu hy vọng thiết bị này không chỉ đủ nhạy để có thể phát hiện sóng hấp dẫn mà còn có thể được sử dụng trên hệ thống dẫn đường siêu chính xác của máy bay, tàu ngầm và các vệ tinh khám phá thiên thể. Nếu công nghệ trên được chứng minh thành công, nhóm nghiên cứu sẽ lên kế hoạch áp dụng nó vào một sứ mạng không gian bao gồm 3 vệ tinh bay theo một đội hình tam giác với khoảng cách từ 500 đến 5000 km để tạo nên một hệ thống đo giao thoa nguyên tử thậm chí còn nhạy hơn.
Theo: Gizmag; NASA
